趙 偉，馬濟(jì)國，匡 偉

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.常州澤南軟件科技有限公司，江蘇 常州 213200)

隨著淮南礦區(qū)A組煤的開采，灰?guī)r承壓水水壓不斷增加，突水的潛在危險性也隨之加大，底板水害的防治工作已迫在眉睫。煤層底板突水是一個復(fù)雜的煤礦動力災(zāi)害，其發(fā)生主要與水壓、礦壓、底板隔水層、地質(zhì)構(gòu)造等諸多因素有關(guān)，煤礦底板突水大多數(shù)受煤層底板的構(gòu)造如斷層、裂隙及陷落柱的控制，特別是特大型底板突水災(zāi)害幾乎都與導(dǎo)水構(gòu)造有關(guān)，因此利用高精度探測技術(shù)查明隱伏構(gòu)造對于煤礦底板防治水工作具有十分重要的意義。

槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波探查煤層不連續(xù)性的一種地球物理方法[1]，可有效的解決工作面構(gòu)造問題。槽波地震勘探技術(shù)起源于德國，在上個世紀(jì)六、七十年代便在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)初的聯(lián)邦德國、英國、澳大利亞、匈牙利等國家都曾大力開展有關(guān)工作，并逐漸用于生產(chǎn)[1]。進(jìn)入本世紀(jì)以來槽波地震勘探技術(shù)又有了長足的發(fā)展，近年來國內(nèi)相繼引進(jìn)了了十余套德國產(chǎn)的槽波地震儀，同時也自行開發(fā)了多道輕便槽波采集系統(tǒng)，使制約槽波在國內(nèi)應(yīng)用和發(fā)展的最重要的瓶頸得到了有效的解決，目前國內(nèi)已有近十余個礦業(yè)集團(tuán)在開展相關(guān)工作，取得了明顯的成效，通過眾多的實際工程驗證槽波地震勘探技術(shù)可以較為有效的解決如下礦井構(gòu)造問題[2-3]。

1 槽波勘探原理

1.1 槽波的形成

煤系地層中，煤層是一個低速地震槽。煤層與其頂?shù)装鍑鷰r相比具有低速度低密度、波阻抗低的特點(diǎn)，煤層與圍巖間的界面，一般呈現(xiàn)良好的反射面。在煤層中激發(fā)地震波，所激發(fā)的縱波(P波)和橫波(S波)以震源為中心，以球面體波向四周傳播，而以不同的角度入射到頂?shù)装褰缑妫鐖D1，當(dāng)入射角小于臨界角時，除部分能量反射回煤層中，大部分能量將透射到圍巖之中，返回到煤層中的能量，在煤層中來回多次反射，多次透射而迅速衰減 ( 漏失模式 ) 。當(dāng)入射角大于等于 臨界角時，則入射到頂?shù)装褰缑娴牡卣鸩芰繉⑷瓷浠氐矫簩?，并在煤層中多次反射，禁錮在煤層之中 ( 正常模式 )，在煤層這個低速槽內(nèi)向外擴(kuò)散傳播。其中，上行、下行波在煤層中相互干涉迭加，多數(shù)諧波成分相互抵消削弱，而逐漸消失，只有滿足一定條件的各種諧波，相對增強(qiáng)，在槽內(nèi)相長干涉而形成垂直于煤層面的駐波，在煤層內(nèi)不斷向前傳播形成槽波。

圖1 槽波的形成原理示意圖

1.2 槽波透射法探測

槽波透射法所用的有效波是從震源透過煤層傳至接收點(diǎn)的透射槽波信號，透射槽波在煤層中傳播遇到構(gòu)造遮擋、煤層厚度變化、頂?shù)装瀹惓５葌鞑ネǖ喇惓Ｇ闆r時，其波形、頻率、速度等參數(shù)均隨之改變。如圖2所示，炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)(接收點(diǎn))布置在工作面不同巷道內(nèi)，在斷層遮擋區(qū)域的檢波器接收的槽波將會產(chǎn)生異常，可根據(jù)槽波的波形有無、能量強(qiáng)弱、頻率變化等參數(shù)來判斷在相應(yīng)的透射射線遮擋區(qū)內(nèi)構(gòu)造情況；此外，通過對正常透射槽波數(shù)據(jù)的分析，為反射法數(shù)據(jù)處理提供速度等必要的參數(shù)[1]。

2 潘二煤礦槽波探測應(yīng)用

圖2 槽波透射法勘探示意圖

2.1 槽波探測條件

潘二煤礦11123工作面位于潘二本井一水平東一采區(qū)，主采1煤、3煤，工作面內(nèi)3煤厚度1.6～13.8 m，平均5.5 m，工作面煤層賦存較穩(wěn)定，1煤位于3煤層下方，1煤層厚度0.8～5.8 m，平均3.5 m，1、3煤層之間間隔一層夾矸，夾矸平均厚度1.5 m。根據(jù)現(xiàn)有的資料綜合分析，工作面煤層與圍巖的物性(密度、速度)差異較大，煤層與圍巖的波阻抗差異較明顯，煤層與圍巖間的界面，呈現(xiàn)為良好的地震波反射面，有利于槽波在煤層中傳播，且工作面寬度在槽波可傳播的最大距離之內(nèi)，這也保證了槽波能量衰減較小。

2.2 槽波探測數(shù)據(jù)采集試驗

淮南礦區(qū)近年來逐步開展槽波地震探測應(yīng)用研究，為了選取合理的觀測系統(tǒng)，合理的激發(fā)、接收參數(shù)，開展了針對觀測系統(tǒng)設(shè)計、炮點(diǎn)位置、炮點(diǎn)藥量、檢波點(diǎn)分量等參數(shù)的試驗研究，試驗在運(yùn)輸順槽內(nèi)設(shè)計了三條接收測線，并針對檢波器的三個分量的選取做了對比。觀測系統(tǒng)試驗中，炮點(diǎn)間距選擇了10 m，檢波器間距選取了5 m和10 m兩種，并且檢波器測線的布置設(shè)計了三種方案，分別布設(shè)在巷道內(nèi)側(cè)幫、底板內(nèi)側(cè)和底板外側(cè)。

通過試驗數(shù)據(jù)分析認(rèn)為：

(1)在軌道順槽的內(nèi)側(cè)幫布設(shè)的三分量檢波器試驗表明，x、y、z各分量均能接收到良好的槽波和S波信號，但對于槽波波，x分量具有最佳的效果(圖3)，因此試驗確定x分量檢波器為合適的接收檢波器；

(2)將炮點(diǎn)布設(shè)在距離底板1 m處的煤層中試驗表明，距離底板較近可以獲取更好的底板信息，利于分析底板中的隱伏構(gòu)造，而藥量則選用了經(jīng)驗值，為350 g。

(3)試驗選用了較小的炮點(diǎn)間距和接收點(diǎn)間距，且等間距布置，小炮點(diǎn)間距和接收點(diǎn)間距利于提高對小構(gòu)造的分辨率，均勻的炮檢射線分布也利于后期的資料處理和成像效果。

圖3 試驗接收的三分量槽波透射數(shù)據(jù)注：1～20道為x分量數(shù)據(jù)，21～40道為y分量數(shù)據(jù)，41～60道為z分量數(shù)據(jù)

2.3 潘二煤礦11123工作面應(yīng)用實例

(1)數(shù)據(jù)采集設(shè)計

本次槽波地震探測在11123工作面上順槽、下順槽展開，炮點(diǎn)位于上順槽內(nèi)，共激發(fā)41個炮點(diǎn)，下順槽內(nèi)布設(shè)檢波點(diǎn)，共布設(shè)72個檢波點(diǎn)。施工參數(shù)為炮點(diǎn)間距：15 m；檢波點(diǎn)間距10 m；藥量0.2 kg；孔深：3 m，由3煤底板垂直往下方打3 m，在1煤層中激發(fā)；炮泥封孔長度：2.0 m。

(2)數(shù)據(jù)處理分析

由于礦井內(nèi)施工空間小，工頻電干擾大，槽波地震數(shù)據(jù)受到較大的干擾，需要進(jìn)行剔除噪聲等預(yù)處理。預(yù)處理包括建立觀測系統(tǒng)、初至校正、剔除壞道、濾波、幾何擴(kuò)散矯正、吸收衰減矯正等基本步驟。

槽波能量對比分析是構(gòu)造分析的有效手段，槽波的能量變化直接反應(yīng)煤層中構(gòu)造發(fā)育及煤層的破碎情況，當(dāng)槽波傳播遇到陷落柱或斷層時，其能量將急劇降低，利用這一個特征，結(jié)合透射法成像可準(zhǔn)確的定位斷層、陷落柱等構(gòu)造的位置、規(guī)模?；诓鄄芰康腃T成像技術(shù)利用這一原理，利用每條槽波射線的能量差異，反演出工作面內(nèi)煤層的構(gòu)造變化。借鑒在醫(yī)學(xué)中得到成功應(yīng)用的聯(lián)合代數(shù)重建技術(shù)(SIRT)對工作面中的煤層進(jìn)行成像。

槽波能量成像處理主要經(jīng)過以下幾步：

①對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、能量均衡和補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理，消除各炮能量不均勻以及檢波器安置的影響；

②計算槽波能量；

③對槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行按炮檢距影響因素的能量矯正；

④CT成像處理。

本次數(shù)據(jù)處理采用的流程如圖4所示。

圖4 基于槽波能量的CT成像數(shù)據(jù)處理流程圖

工作面首先按照工作面施工范圍大小建立一個沿著x方向和y方向分布的模型，網(wǎng)格大小約為5 m×5 m。按照CT成像的原理，把能量分配到各個網(wǎng)格，并進(jìn)行迭代求解，最終得到此模型上每個網(wǎng)格點(diǎn)的能量分布數(shù)據(jù)，最后將網(wǎng)格數(shù)據(jù)繪制成等值區(qū)圖，如圖5所示。

圖5 11123工作面試驗段槽波能量CT成像結(jié)果圖

(3)地質(zhì)解釋與對比分析

圖7中左側(cè)異常區(qū)1區(qū)域斷層發(fā)育，上順槽在該處揭露多條小斷層。在單炮記錄中，多個單炮數(shù)據(jù)在該處出現(xiàn)能量異常，圖6所示為S28單炮記錄，S28位于異常區(qū)域1的右側(cè)，單炮記錄中第1～10道槽波能量小，為顯著的地震道能量異常，通過射線追蹤對比，與異常區(qū)域1位置吻合。

圖6 S28單炮記錄

圖7 S28炮射線追蹤與異常區(qū)1對應(yīng)關(guān)系圖

圖8所示為S40單炮記錄，S40位于異常區(qū)1的左側(cè)，單炮記錄中大約第28道以后各道槽波能量小，為顯著的地震道能量異常，通過射線追蹤對比，與異常區(qū)1位置吻合。

依據(jù)巷道揭露資料，異常區(qū)1處斷層發(fā)育，異常區(qū)1最終解釋為斷層斷裂帶。

圖8 S40單炮記錄

圖9 S40炮射線追蹤與異常區(qū)1對應(yīng)關(guān)系圖

(4)槽波探測地質(zhì)成果

本次工作面槽波地震探測應(yīng)用共激發(fā)41個炮點(diǎn)，72道接收。和以往槽波探測相比，本次探測做了較大的創(chuàng)新，在數(shù)據(jù)采集中使用了針對探測煤層的施工方法，在數(shù)據(jù)處理中采用了噪音去除的一系列措施、使用了高精度的槽波能量CT成像方法。在地質(zhì)解釋時，以地震探測結(jié)果為主要依據(jù)，并參考了地質(zhì)采礦資料。探測成果經(jīng)礦方驗證認(rèn)為，槽波探測主要構(gòu)造與實際情況吻合。

3 結(jié) 論

通過在潘二煤礦開展槽波探測試驗與應(yīng)用，經(jīng)應(yīng)用效果分析認(rèn)為：

(1)槽波透射法探測擁有良好的構(gòu)造探測效果，具有探測精度高、探測距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但開展槽波探測之前應(yīng)確認(rèn)合理的觀測系統(tǒng)、激發(fā)與接收等參數(shù)。

(2)本次試驗初步形成了一套適合本礦區(qū)的槽波數(shù)據(jù)采集、處理與解釋方法，為下一步的槽波探測應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。