羅壽濤，唐申強(qiáng)，郭 璐

(1.韓城礦業(yè)有限公司地質(zhì)測量部，陜西 韓城 715400；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.韓城礦業(yè)有限公司象山礦井地質(zhì)測量部，陜西 韓城 715400)

0 引言

在礦井生產(chǎn)中，隱伏于掘進(jìn)工作面前方的小斷層是誘發(fā)突水、煤與瓦斯突出、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害的主要不良地質(zhì)構(gòu)造[1-5]。由于小斷層規(guī)模小，隱蔽性強(qiáng)，勘查難度大，在地面采區(qū)勘探階段很難探明其空間位置。因此，需要在巷道掘進(jìn)階段采用超前探測手段對小斷層進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報(bào)，以便提前采取安全措施，確保礦井安全高效生產(chǎn)。根據(jù)預(yù)報(bào)手段的不同，巷道超前探測一般分為地質(zhì)類方法(地質(zhì)調(diào)查法)、物探類方法(地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)、直流電法、瞬變電磁、紅外探水)和鉆探類方法(超前鉆探、釬探)。地質(zhì)類方法是通過技術(shù)人員對地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)識來進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)距離短，準(zhǔn)確度不高，一般僅作為輔助預(yù)報(bào)手段使用，在工程實(shí)踐中很少單獨(dú)采用；鉆探類方法預(yù)報(bào)結(jié)果直觀可靠，但鉆探作業(yè)成本高，需要長時(shí)間占用掘進(jìn)工作面，對巷道施工進(jìn)度影響大，通常作為其他預(yù)報(bào)方法的驗(yàn)證手段；物探類方法具有快速、經(jīng)濟(jì)、無損探測的優(yōu)勢，是當(dāng)前礦井超前探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-11]。在物探方法中，電磁類方法(直流電法、瞬變電磁)對圍巖的富水性非常敏感，一般用于礦井水害的預(yù)測預(yù)報(bào)，對于含水性弱的地質(zhì)構(gòu)造探測效果較差；地震波反射法具有探測距離遠(yuǎn)，異常界面定位準(zhǔn)確，不受井下金屬、電流干擾的優(yōu)點(diǎn)，是煤礦井下探測地質(zhì)構(gòu)造成效十分顯著的一種物探方法。礦井反射地震超前探測一直以來是地球物理學(xué)界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，長期以來吸引了很多學(xué)者的關(guān)注，也取得了許多豐碩的研究成果。蔡英康[12]將隧道廣泛使用的TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)引入煤礦巷道的超前探測中，實(shí)現(xiàn)了對斷層的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。劉盛東[13]基于多次覆蓋觀測系統(tǒng)的地震反射波探測技術(shù)，提出了礦井巷道前方地質(zhì)構(gòu)造探測的MSP技術(shù)。胡運(yùn)兵[14]，梁慶華[15]，李云波[16]將多波多分量地震勘探理論應(yīng)用到煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的超前探測中，并在巷道前方陷落柱、斷層、裂隙破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)報(bào)上取得了顯著成效。文中以韓城礦區(qū)象山礦井某掘進(jìn)巷道為例，介紹了基于多波多分量的地震超前探測技術(shù)在小斷層探測中的應(yīng)用效果。

1 多波多分量地震超前探測理論

1.1 基本原理

多波多分量地震超前探測屬于反射地震勘探范疇，是以地下介質(zhì)的彈性差異為基礎(chǔ)，利用人工激發(fā)的地震波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波和轉(zhuǎn)換波特性來預(yù)報(bào)巷道前方斷層、巖石破碎帶或巖溶陷落柱等不良地質(zhì)構(gòu)造的位置和規(guī)模。探測時(shí)在巷道側(cè)幫沿一條直線布置24個(gè)炮點(diǎn)，采用少許炸藥激發(fā)產(chǎn)生地震波，地震波在煤巖體中以球面波的形式傳播，當(dāng)遇到煤巖體中的波阻抗差異界面(斷層、裂隙破碎帶、巖溶陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造)時(shí)地震波將產(chǎn)生反射和波型轉(zhuǎn)換，并以回波的形式反射回來被布置在接收點(diǎn)的高精度三分量檢波器接收。由于反射回來的反射波和轉(zhuǎn)換波都攜帶有巷道前方巖層的信息，因此能夠用于巷道前方地質(zhì)構(gòu)造的超前探測，其探測原理如圖1所示。

圖1 多波多分量地震超前探測原理示意

以縱波為例，在煤巖體中縱波的傳播速度可通過測量縱波從炮點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)的旅行時(shí)間確定。

(1)

式中，VP為縱波速度，m/s;X1為炮點(diǎn)至檢波點(diǎn)的距離,m;T1為縱波從炮點(diǎn)傳播到檢波點(diǎn)的旅行時(shí)間,s。

根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系可知，檢波點(diǎn)至反射界面的距離可表示為

X3=X1+X2

(2)

式中，X3為檢波點(diǎn)至反射界面的距離,m;X2為炮點(diǎn)至反射界面的距離,m。

在求取了縱波速度VP之后，檢波點(diǎn)至反射界面的距離可以通過測量反射波的旅行時(shí)間來確定。

(3)

式中，T2為反射縱波的旅行時(shí)間,s;α為反射界面與巷道軸線的夾角,rad。

當(dāng)反射界面與巷道軸線正交時(shí)，即α=90°，方程(3)可簡化為下式

(4)

轉(zhuǎn)換波的探測原理與縱波基本一致，不再贅述。

1.2 解釋原則

多波多分量地震超前探測采用三分量檢波器，可以同時(shí)采集X、Y、Z這3個(gè)分量的地震信號，在數(shù)據(jù)處理過程中通過波場分離和反射波提取獲得一個(gè)縱波(P波)數(shù)據(jù)和2個(gè)轉(zhuǎn)換橫波(SH波、SV波)數(shù)據(jù)，分別對縱波和轉(zhuǎn)換橫波進(jìn)行深度偏移和反射界面提取，最終得到縱波和轉(zhuǎn)換橫波的反射界面空間分布圖。在資料解釋過程中一般遵循以下原則：①反射振幅越強(qiáng)，表明反射界面兩側(cè)巖層的波阻抗差異越大；②正反射振幅代表正的反射系數(shù)，指示巖層由軟弱變?yōu)閳?jiān)硬；負(fù)反射振幅代表負(fù)的反射系數(shù)，指示巖層由堅(jiān)硬變?yōu)檐浫酰虎廴鬝波反射比P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水；④若VP下降，則表明巖體裂隙密度或孔隙度增加。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 礦井地質(zhì)概況

韓城礦區(qū)象山礦井某掘進(jìn)巷道設(shè)計(jì)方位270°，長度2 250 m，煤層底板高程+108～+144.7 m，地表地形為階地、卯梁、溝坎，巷道對應(yīng)地表高程+679.6～+777.4 m。該區(qū)可采煤層為5#～1#煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2層泥巖夾矸，夾矸厚度0.1～0.4 m，煤層含夾矸1.8～4.5 m，平均厚度2.6 m，屬較穩(wěn)定的中厚煤層。5#～1#煤層呈走向NNW，傾角SWW，傾角4°左右的單斜構(gòu)造，巷道沿傾向有寬緩的起伏變化，預(yù)計(jì)有落差1～3 m的隱伏小斷層發(fā)育。在巷道掘進(jìn)過程中，為了準(zhǔn)確探查隱伏小斷層的發(fā)育位置，采用了多波多分量地震超前探測技術(shù)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

2.2 探測結(jié)果

圖2是多波多分量超前探測的反射界面分布圖。橫坐標(biāo)表示探測距離，即反射界面距掘進(jìn)工作面的水平距離；縱坐標(biāo)表示探測半徑，即反射界面在垂直方向的分布范圍。對P波、SH波和SV波反射界面的分布位置和極性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

圖2 反射界面分布

由表1可知，P波、SH波和SV波反射界面分別位于掘進(jìn)工作面前方53～60 m、57～62 m和51～65 m，且都以負(fù)反射界面開始，正反射界面結(jié)束。結(jié)合地質(zhì)資料，推測掘進(jìn)工作面前方51～65 m可能發(fā)育隱伏小斷層或裂隙破碎帶。

表1 反射界面統(tǒng)計(jì)

3 現(xiàn)場驗(yàn)證

后期巷道掘進(jìn)過程中，在掘進(jìn)工作面前方55 m處開始掘露DF2斷層，該斷層為一正斷層，傾角68°～70°，落差2 m，走向幾乎與巷道垂直，斷層破碎帶沿巷道延伸約10 m，在掘進(jìn)工作面前方65 m煤巖層由破碎變?yōu)橥暾瑪鄬佑绊憥ЫY(jié)束。DF2斷層在地表三維地震勘探中并未發(fā)現(xiàn)，為一隱伏小斷層。巷道實(shí)際掘露情況與多波多分量地震超前探測的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語

多波多分量地震超前探測由于充分利用了縱波和轉(zhuǎn)換橫波的信息，具有信息量豐富的特點(diǎn)。在資料解釋過程中，P波、SH波和SV波的探測結(jié)果可以相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證，大大提高探測的準(zhǔn)確度。在韓城礦區(qū)象山礦井的應(yīng)用結(jié)果表明，隱伏小斷層及其破碎帶在密度和速度上與完整煤巖層具有明顯的差異，具備地震波探測的物性基礎(chǔ)，隱伏小斷層在P波、SH波和SV波的反射界面圖上均表現(xiàn)為以負(fù)反射開始，正反射結(jié)束的地震響應(yīng)特征。多波多分量地震超前探測技術(shù)是煤礦井下非常實(shí)用的地質(zhì)構(gòu)造探測技術(shù)，可以有效解決掘進(jìn)工作面前方隱伏小斷層的預(yù)測預(yù)報(bào)問題。