蘇曉云

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

震動(dòng)波在煤層中傳播遇到地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，會(huì)發(fā)生波動(dòng)變化，槽波地震探測(cè)就是利用這一原理來(lái)探測(cè)隱伏地質(zhì)構(gòu)造的礦井物探方法。根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)布置的不同，又分為透射法、反射槽波探測(cè)法，還有在反射法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的槽波超前探測(cè)[1]。

透射法是在已經(jīng)形成的工作面兩條巷道進(jìn)行激發(fā)接收震動(dòng)波，通過(guò)震動(dòng)波傳播的能量及速度變化進(jìn)行探查斷層、陷落柱等各種地質(zhì)體或異常。

反射法是在單條巷道內(nèi)激發(fā)并接收震動(dòng)波，通過(guò)接收地質(zhì)異常體的反射槽波探查巷道側(cè)幫煤層內(nèi)的構(gòu)造發(fā)育情況。

槽波超前探測(cè)是在反射槽波法的基礎(chǔ)上通過(guò)改變常規(guī)的施工工藝，利用鉆孔及現(xiàn)有的單條巷道，實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)頭巷道前方構(gòu)造的探測(cè)方法，能夠探查獨(dú)頭巷道前方的地質(zhì)構(gòu)造情況[2]。

1 超前槽波探測(cè)原理

通過(guò)在獨(dú)頭巷道側(cè)后方打深孔放置深孔孔中檢波器，聯(lián)合獨(dú)頭巷道兩側(cè)的淺孔檢波器，形成T字形接收面，在獨(dú)頭巷道兩側(cè)放炮激發(fā)，震動(dòng)波傳播遇到前方的構(gòu)造異常時(shí)，返回被T字形接收面接收，根據(jù)震動(dòng)波傳播的時(shí)間及速度，即可得出異常的位置（見(jiàn)圖1）。

圖1 槽波超前探測(cè)示意圖

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工作面概況

中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X井田位于山西省河津市鄉(xiāng)寧縣境內(nèi)，井田面積約120 km2，儲(chǔ)量超過(guò)10億噸，是極好的煉焦配煤。該井田總體構(gòu)造發(fā)育較簡(jiǎn)單，煤層傾角較寬緩[3]。

12321工作面位于123盤(pán)區(qū)北部，所采煤層為2號(hào)煤層，煤層平均厚度約6 m。根據(jù)三維地震解釋結(jié)果，1231工作面膠帶巷受DF43斷層影響，該斷層由HJK18導(dǎo)線點(diǎn)起，沿SW走向延展，長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m，斷層落差0~15 m，將會(huì)對(duì)該工作面兩巷掘進(jìn)及回采造成影響。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次DF43斷層槽波超前探測(cè)，測(cè)線布置在12321工作面膠帶巷迎頭后方240 m范圍內(nèi)。為探查DF43斷層的走向及斷層可能的揭露位置，確定了槽波超前探測(cè)的方案（見(jiàn)圖2）。

圖2 工程布置圖

（1）激發(fā)點(diǎn)：從迎頭開(kāi)始，采用10 m炮間距，巷道兩側(cè)各24個(gè)激發(fā)點(diǎn)，共布設(shè)48個(gè)。

（2）深孔接收：迎頭兩側(cè)，孔深60 m，接收點(diǎn)距10 m，共布設(shè)深孔接收12道。

（3）淺孔接收：從迎頭開(kāi)始，采用20 m間距，孔深2 m，巷道兩側(cè)各12個(gè)激發(fā)點(diǎn)，共布設(shè)24個(gè)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析時(shí)，采用了繞射偏移成像方法，通過(guò)該方法對(duì)原始槽波記錄進(jìn)行成像。繞射偏移處理是將雜亂的反射波偏移歸位到真實(shí)位置上的一種方法。自激自收的疊加剖面一般在界面水平無(wú)傾斜時(shí)，可以成像。而當(dāng)遇到構(gòu)造時(shí)，界面發(fā)生傾斜，此時(shí)通過(guò)繞射偏移，可以歸為界面，反應(yīng)出真實(shí)異常形態(tài)[4]。得到S15炮的原始單炮記錄如圖3，其中可以看到明顯的反射槽波。

圖3 S15炮槽波記錄

2.4 頻散分析

槽波最主要的特性就是其頻散，意味著槽波波速受頻率影響較大。通過(guò)波場(chǎng)分析，可以計(jì)算出槽波的頻散曲線如圖4所示。從頻散曲線圖中可以看出，槽波主頻在100~200 Hz之間。

圖4 槽波頻散曲線

2.5 成果解釋

槽波超前探測(cè)成像采用繞射波成像算法，而偏移成像以槽波發(fā)育的煤層平面為基準(zhǔn)進(jìn)行。設(shè)P（x，y）為煤層內(nèi)一點(diǎn)（即成像點(diǎn)），則該點(diǎn)疊加的振幅值為：

其中N為總激發(fā)點(diǎn)數(shù)，M為接收點(diǎn)數(shù)，A（tij）代表瞬時(shí)振幅，vg是槽波群速度。rij是該點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)，接收點(diǎn)的距離之和。通過(guò)這三點(diǎn)之間的關(guān)系即可求出反射方位角，再對(duì)瞬時(shí)振幅進(jìn)行加權(quán)求和，就可減少不相干波場(chǎng)等的影響，從而使成像結(jié)果更符合實(shí)際情況[5]。

實(shí)際成像時(shí)，按照觀測(cè)系統(tǒng)范圍大小建立一個(gè)X方向500 m，Y方向300 m的模型，網(wǎng)格大小為5m×5m。即X方向100個(gè)，Y方向60個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都是煤層平面中的一個(gè)成像點(diǎn)，即該點(diǎn)的振幅。每一個(gè)激發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)接收點(diǎn)都會(huì)形成一條射線，將所有激發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)所有接收點(diǎn)得到的全部射線進(jìn)行50次迭代計(jì)算，即可得到該煤層平面的能量分布情況。

最終的DF43斷層槽波超前探測(cè)構(gòu)造解釋圖中（見(jiàn)圖5），右側(cè)異常對(duì)應(yīng)的兩條大巷，中間為DF43斷層異常邊界。通過(guò)大巷固定的位置可以標(biāo)定反射槽波的速度，從而得出中間的異常即準(zhǔn)確的構(gòu)造異常位置，即DF43斷層的反射界面，將該界面進(jìn)行延伸，即可得出該斷層與巷道的交點(diǎn)。最終，經(jīng)過(guò)掘進(jìn)驗(yàn)證，斷層揭露位置偏差≤5 m。

圖5 DF43斷層槽波超前探測(cè)構(gòu)造解釋圖

3 結(jié)論

（1）獨(dú)頭巷道槽波超前探測(cè)能夠有效地接收掘進(jìn)前方斷層的反射槽波，且探采結(jié)果對(duì)比表明，探測(cè)誤差可以控制在10 m以?xún)?nèi)。

（2）獨(dú)頭巷道的槽波超前探測(cè)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，精度高的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)槽波超前探測(cè)成果，可以提前調(diào)整巷道掘進(jìn)角度，減少巷道割巖，以及避免冒頂風(fēng)險(xiǎn)，為煤礦安全快速掘進(jìn)提供保障。