閆國才

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

1 引 言

煤礦井下工作面內部的地質構造發(fā)育對安全回采帶來的影響是巨大的。一直以來，工作面內構造的定性及發(fā)育程度精確探測是難以解決的地質問題，針對這個問題及目前流行的煤礦透明化開采趨勢，文中采用坑透和反射槽波方法開展了相關研究，通過對構造復雜的工作面進行精細化探測，實現構造零遺漏和準確定性的目標。

工作面回采前必須進行工作面構造和富水性探測，尤其是構造復雜的工作面，透明化探測尤為重要。在坑透探測方面，吳燕清[1]對煤礦井下工作面電磁波探測理論進行了系統研究；肖玉林[2]進一步對無線電波透視成像技術開展了相關研究；吳榮新等[3]在前人的基礎上開展了實測場強成像分析與應用；閆國才等[4]針對大透距精細探測進行了研究。在反射槽波研究領域，劉天放等[5]最早將槽波地震勘探引入國內；王季[6]針對采空巷道進行了反射槽波試驗研究；姬廣忠等[7]進行了三維數值模擬和頻散分析；王偉等[8]將層析成像方法成功應用到河南義馬礦區(qū)。為了切實提高工作面復雜構造的精細探測，文中研究了坑透和反射槽波法的相關理論及各自的優(yōu)勢，從而實現透明化探測的目標，為安全回采提供地質保障，應用推廣價值高。

2 透明化探測理論基礎

2.1 坑透探測理論基礎

坑透探測是在工作面的兩條順槽分別發(fā)射和接收，達到多次覆蓋的效果。電磁波從發(fā)射點出發(fā)在均勻煤層中會沿著傳播路徑逐漸有規(guī)律衰減，遇到地質構造衰減會增強且被反射、折射到其他地方，而其他均質體不會受到這些影響，在接收端會形成衰減強弱不同的信息，將場強衰減值和衰減系數進行計算，再經過層析成像算法得到可視化程度高的平面圖，為正常煤巖層中的異常體判定提供了依據[9-15]。圖1為坑透探測原理示意圖，圖中紅色數字標記為發(fā)射點，當遇到斷層、陷落柱等構造時，相應發(fā)射點所對的接收點數據會發(fā)生變化，磁場強度值和衰減系數會改變，進而判斷異常區(qū)范圍[16]。

圖1 坑透探測原理示意圖

在不考慮電磁散射現象的前提下，電磁波在工作面內部近似于直線傳播，電磁波在煤巖介質中傳播時任意點的磁場表達式[1]為：

(1)

式(1)中H為實測場強值，dB；H0為初始場強值，dB；β為介質吸收系數；γ為坑透的反演參數；r為收發(fā)距，m；θ為方向性因子角，rad，一般取天線軸線與觀測點間的夾角為π/2，即sinθ=1。

采用衰減系數層析成像方法[17，18]，將工作面探測區(qū)域進行網格剖分，劃分為若干個像元，對式(1)進行離散化處理并取對數，可得：

(2)

(3)

2.2 反射槽波探測理論基礎

反射槽波[21]是由于激發(fā)的槽波在煤層中傳播時，如果遇到具有波速差異的地質構造，一部分槽波就會發(fā)生反射，攜帶的信息就會傳播到與震源同處于一條巷道中的檢波器。圖2為反射槽波探測原理示意圖，圖中紅色線表示激發(fā)的彈性波傳播路徑，藍色線表示遇到異常體反射后傳播到檢波器的彈性波傳播路徑。接收到的所有數據經過分析處理提取出槽波，進而去判定異常體的性質，實現透明化探測的目標[6,22]。

圖2 反射槽波探測原理示意圖

檢波器接收到的信號成分復雜多樣，單純就槽波而言，由于反射槽波的檢波器與震源在同一巷道的同一側幫布設，因此就某一固定的檢波器而言，直達槽波的傳播路徑明顯短于反射槽波的傳播路徑，再加上直達槽波能量衰減小強度大，對反射槽波信號覆蓋性強，噪聲凸顯，有用槽波信號弱，信噪比低，必須采取壓制直達槽波的手段，才能達到反射槽波探測的效果[23]。在這種情況下，有針對性地壓制直達槽波，增強反射槽波的能量，來提高信噪比，經過濾波、散射壓制及偏移成像得到反射槽波探測成果。對平面內的任意一點P(x,y)，基于繞射偏移法來計算該點的疊加振幅[6,24-27]，計算公式如下：

(4)

式(4)中,N為總激發(fā)次數；M為檢波器個數；A(tij)為第i個激發(fā)陣列中第j道接收信號在tij時刻的振幅，cm；rij為P(x，y)點到第i個激發(fā)點和第j個接收點的距離之和，m。某道數據的瞬時振幅A(t)為：

(5)

構造反射回來的槽波，在網格剖分像元點、激發(fā)點、接收點的數據關系求解過程中可得到跟反射界面相匹配的振幅權值系數，進而得到異常體的走向及其反射界面，為異常體的定性提供了理論基礎，成像質量高，可視化程度高。

3 坑透磁場強度衰減規(guī)律及衰減系數分析

坑透資料劃分異常區(qū)的依據一般為磁場強度衰減值和衰減系數。一般地，斷層發(fā)育范圍的磁場強度衰減值>10 dB，且具有斷層斷距越大，磁場強度衰減增大的規(guī)律；陷落柱發(fā)育范圍的磁場強度衰減值>30 dB，且當柱體中充填高電阻率、密實的巖性物質時磁場強度衰減很小，當柱體中充填低電阻率、松散的巖性物質時磁場強度衰減增大甚至完全屏蔽吸收，導致接收不到場強值的規(guī)律。衰減系數是通過計算得到的相對值，跟磁場強度的衰減規(guī)律具有正相關特性，使異常區(qū)的劃定更直觀明了。

如圖3所示為磁場強度衰減規(guī)律及衰減系數分析示意圖，圖3(a)表示正常衰減時的情況，計算正常衰減所用的模型為長1 000 m、寬150 m、高3 m的均勻煤層模型；圖3(b)表示強衰減時的情況，計算強衰減所用的模型為長1 000 m、寬150 m、高3 m的均勻煤層中間含有長20 m、寬20 m、高3 m的高阻異常體模型。圖中紅色線表示理論場強值，綠色線表示實測場強值，藍色線表示衰減系數。從曲線圖中可以看出，正常衰減區(qū)域的實測場強值接近于理論值，衰減系數曲線近似于平滑水平線段；強衰減區(qū)域的實測場強值明顯低于理論值，衰減系數曲線呈鋸齒狀。在僅有坑透探測資料的前提下，通過磁場強度衰減規(guī)律及衰減系數分析可準確判定異常區(qū)的范圍，再結合現場記錄情況和掘進揭露情況即可確定異常區(qū)分布范圍。

圖3 正常衰減與強衰減時的磁場強度、衰減系數變化示意圖

4 反射槽波濾波及散射壓制效果分析

反射槽波信號相對較弱，在直達槽波和其他干擾的影響下，反射槽波信號被壓制得更弱，這就需要采用技術手段壓制干擾從而提高信噪比。反射槽波是槽波信息中的一部分，而槽波的艾里相存在于一個很窄頻帶中，可以通過頻率域濾波實現槽波的突顯效果，通過波速濾波把高速波濾除。散射在非均質體中都會產生，對有效波的影響很大，尤其是廣角散射波，對信噪比的影響嚴重。采用散射波成像的原理實現了信噪分離，壓制了干擾散射波。

如圖4所示為反射槽波濾波及散射壓制前后單炮記錄示意圖，圖4(a)為處理前的單炮記錄，圖4(b)為處理后的單炮記錄。對比兩圖發(fā)現處理后的單炮記錄圖槽波波形特征明顯，可清晰見到各地震道的反射槽波艾里相的連續(xù)發(fā)育特征。說明濾波及散射壓制后反射槽波信噪比明顯提高。

圖4 反射槽波濾波及散射壓制前后單炮記錄示意圖

5 探測應用及地質驗證

5.1 地質概況

某礦8115工作面走向長1 200 m，傾向長150 m，地層呈波狀起伏，受構造影響，向斜、背斜相間，地層傾角2°～6°，平均4°左右。5#煤層煤厚12.56～18.21 m，平均14.80 m，含有1～3層夾矸，單層夾矸最大厚度0.66 m。煤層為黑色，塊煤為主，少量粉未狀，亮煤為主，次為暗煤，油脂光澤，屬半亮至光亮型煤。頂板為深灰色泥巖，致密，性脆，參差狀斷口，波狀及直線型斜層理；底板為粉砂巖，淺灰色，致密，張性，平坦斷口，波狀層理及脈狀層理。

5.2 探測布置

坑透現場采集工作是在圍面完成后開展的，按照工作面實際情況，布置測點間距為10 m，發(fā)射點間距為50 m，每個發(fā)射點對應11個接收點，其中運輸巷布置23個發(fā)射點、114個接收點，回風巷布置23個發(fā)射點、114個接收點。經現場試驗確定發(fā)射頻率選擇1.5 MHz。

反射槽波現場探測的道間距為10 m，炮間距為20 m，共設計炮點數57個，測點數114個。激發(fā)炮孔位于巷道煤壁中間且垂直于煤壁，距底板1.0～1.5 m，孔深3.0 m，孔徑≥42 mm，單孔藥量200 g，用炮泥充滿炮眼空間并搗實，瞬時無延時激發(fā)，檢波器采樣間隔0.25 ms。

圖5為坑透和反射槽波具體探測布置圖，圖中紅色數據標注為坑透發(fā)射點、藍色數據標注為坑透接收點；紅色實心圈表示反射槽波炮點、藍色實心三角表示反射槽波接收點。

圖5 坑透及反射槽波探測布置

5.3 坑透探測成果地質解釋

圖6為8115回采工作面坑透成果圖，從圖中可以看出，坑透對異常區(qū)的圈定范圍較大，總體相對衰減系數在0.31<η<0.71范圍之間，圖中填充顏色自藍色至紅色對應為相對衰減系數從大到小，表示電磁波衰減程度變化。結合探測成果和已揭露地質資料，將相對衰減系數在0.62<η<0.71范圍定義為相對強衰減區(qū)，將相對衰減系數在0.58<η<0.62范圍定義為相對較強衰減區(qū)，其他為相對正常區(qū)域。成果圖中共劃定異常區(qū)6處，其中異常區(qū)YC1電磁波衰減值在10～15 dB之間，為相對強衰減區(qū)，結合巷道揭露資料，判斷該異常區(qū)為斷層發(fā)育所致；異常區(qū)YC2電磁波衰減值在10～13 dB之間，為相對強衰減區(qū)，結合地質資料，判斷該異常區(qū)為工作面內的隱伏斷層和裂隙發(fā)育所致；異常區(qū)YC3電磁波衰減值在10～18 dB之間，為相對強衰減區(qū)，結合地質資料，判斷該異常區(qū)為工作面內的隱伏構造發(fā)育所致；異常區(qū)YC4電磁波衰減值在10～17 dB之間，為相對強衰減區(qū)，結合地質資料，判斷該異常區(qū)為工作面內隱伏斷層發(fā)育所致；異常區(qū)YC5電磁波衰減值在5～10 dB之間，為相對較強衰減區(qū)，結合揭露情況，判斷該異常區(qū)為斷層發(fā)育所致；異常區(qū)YC6電磁波衰減值在5～12 dB之間，為相對較強衰減區(qū)，結合地質資料，判斷該異常區(qū)為工作面內斷層發(fā)育所致。

圖6 8115回采工作面坑透探測成果

5.4 反射槽波探測成果地質解釋

圖7為8115回采工作面反射槽波成果圖，從圖中可以看出，反射槽波對異常體的性質判定更為精確，圖中紅色顯示范圍為槽波衰減較大區(qū)域，為構造發(fā)育所致。結合反射槽波探測成果、坑透探測成果和已揭露地質資料分析，成果圖中共劃定異常體6處，其中異常體YC1判斷為斷距大于1/2煤厚的斷層影響所致，斷層與工作面走向夾角約50°，沿工作面內延伸長度約240 m；異常體YC2判斷為斷距大于1/2煤厚的斷層影響所致，斷層與工作面走向夾角約12°，沿工作面內延伸長度約250 m；異常體YC3判斷為斷距大于1/2煤厚的斷層影響所致，斷層與工作面走向夾角約25°，沿工作面內延伸長度約80 m；異常體YC4判斷為陷落柱邊界產生的繞射波所致，陷落柱沿工作面走向延伸長度約100 m，垂直于工作面走向延伸約90 m；異常體YC5判斷為斷距大于1/2煤厚的斷層影響所致，斷層與工作面走向近似平行，沿工作面內延伸長度約100 m；異常體YC6判斷為斷距大于1/2煤厚的斷層影響所致，斷層走向與工作面走向近似平行，沿工作面延伸長度約265 m。

圖7 8115回采工作面反射槽波探測成果

5.5 地質驗證

針對探測成果圈定的的異常體及其性質布設六個鉆孔進行驗證，如圖8所示為驗證鉆孔布置及鉆孔柱狀圖，圖中鉆孔柱狀圖中黑色區(qū)域表示煤，密集點狀區(qū)域表示粉砂巖，點狀區(qū)域表示細砂巖或粗砂巖，煤層直接頂板為粉砂巖或細砂巖，老頂為中粗砂巖。從圖8中可以看出，鉆探驗證的斷層均為正斷層且不導水，陷落柱巖性為灰?guī)r，鉆探驗證的陷落柱發(fā)育長軸約為105 m、短軸大于55.5 m(約為88 m)，與探測圈定的異常范圍吻合較好。說明坑透和反射槽波兩種方法相結合可以對異常體進行定性分析。

圖8 驗證鉆孔布置及鉆孔柱狀圖

6 結 論

1)詳細分析了坑透的探測原理及其收斂成像算法，為探測結果成像提供了數學基礎，對正常煤巖層和地質構造發(fā)育煤層的場強衰減和衰減系數進行計算對比，為劃分異常區(qū)范圍提供了判斷依據，提高了探測效果，實現了異常體零遺漏。

2)研究了反射槽波探測理論及其偏移成像算法，針對濾波和散射壓制方面的效果進行了分析，達到了判定異常體性質及其發(fā)育程度的目的，基本實現了工作面回采前的透明化探測。

3)結合某礦工作面復雜地質構造的精細探測結果分析，并經過鉆探驗證，結果表明探測效果與實際情況吻合較好，明顯提高了工作面內構造探測的分辨率和精確度，實現了透明化，為地質構造復雜的工作面安全回采提供地質保障，推廣適用性強。