吳國慶 ，馬彥龍

（中煤科工西安研究院(集團)有限公司, 陜西 西安 710077）

0 引 言

在機械化、智能化、透明化工作面采煤生產(chǎn)過程中，對回采工作面前方隱伏的地質(zhì)異常體進行準確的定性與定量解釋，可為安全高效采煤提供可靠的地質(zhì)保障[1]。利用物探技術(shù)探查隱伏的地質(zhì)異常體已成為煤礦綜合解決地質(zhì)問題的首選方法[2]。近年來，地面全數(shù)字高密度三維地震勘探、礦井瞬變電磁勘探、礦井槽波地震勘探及煤礦隨采隨掘監(jiān)測[3-6]等技術(shù)的發(fā)展，對透明化工作面地質(zhì)異常體的識別與解釋奠定了基礎(chǔ)。礦井槽波地震勘探因其探測距離大、精度高、抗干擾能力強、波形特征易于識別等優(yōu)點[7]，現(xiàn)已成為煤礦解決地質(zhì)異常體探測的常用方法之一[8-9]。

王季等[10]應(yīng)用透射槽波探測技術(shù)對3 種典型的地質(zhì)異常體（斷層、陷落柱及薄煤帶）進行了衰減系數(shù)CT 成像研究，認為3 種地質(zhì)異常體的衰減系數(shù)有一定差異，但成像結(jié)果的差異性并不顯著；郭銀景等[11]提出僅用頻散、頻譜、速度和時頻等槽波參數(shù)，無法準確判斷出斷層及其他地質(zhì)異常體；姬廣忠等[12]通過斷層、煤厚的數(shù)值模擬及實際應(yīng)用，在既有煤厚變化又有斷層等構(gòu)造存在情況下，認為槽波衰減系數(shù)成像較難區(qū)分構(gòu)造類型。王偉等[13]總結(jié)了煤層厚度的變化對槽波頻散特征影響，認為煤厚增加、槽波主頻降低，同時對應(yīng)于同一頻率波速降低；李松營等[14]、崔偉雄等[15]分析了基于槽波透射法的采煤工作面煤厚解釋技術(shù)，煤層厚度變化跟頻散關(guān)系密切，較薄的煤層宜選取較高的頻率，較厚的煤層宜選取較低的頻率。綜上可知，工作面存在的單個地質(zhì)異常體已可以被準確圈定與解釋，對同時存在的多個地質(zhì)異常進行定性與定量解釋還需進一步探討。

筆者通過理論結(jié)合實踐綜合分析，陽泉礦區(qū)[16-17]礦井生產(chǎn)工作面發(fā)育斷層、陷落柱、煤厚變化及撓曲4 種地質(zhì)異常體，且單個工作面包含2 種及以上地質(zhì)異常，在實際資料的解釋分析過程中常常會碰到異常體的定性不準確等問題，給礦方回采工作面的方案制定帶來很大的困擾，同時也導(dǎo)致無法建立準確的三維地質(zhì)模型。因此，研究工作面內(nèi)發(fā)育2種及以上地質(zhì)異常體槽波地球物理響應(yīng)特征，提出不同地質(zhì)異常體的槽波地震屬性識別方法，建立反演結(jié)果與地質(zhì)異常體的對應(yīng)關(guān)系，形成復(fù)雜地質(zhì)條件下工作面槽波地震解釋方法，可進一步提高槽波地震對多種地質(zhì)異常體的解釋水平，為礦方地質(zhì)透明化工作面回采做好可靠的地質(zhì)保障。

1 多種地質(zhì)異常體的槽波數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型空間參數(shù)

陽泉礦區(qū)15 號煤層[18-19]平均煤層厚度5.5 m，正演模型設(shè)計煤層厚度5 m，頂、底板巖性均為砂巖，厚度20 m。模型大小1 200 m×300 m×45 m，建立了具有三層介質(zhì)的三維地震地質(zhì)模型[20-21]（圖1）。x、y、z方向上對模型進行了大小為1 m×1 m×0.5 m 網(wǎng)格化，時間采樣間隔為0.05 ms。激發(fā)點與接收點測線布置在模型煤層中部，激發(fā)間距10 m，進風(fēng)巷編號S11～S110、回風(fēng)巷S111～S210，共計200 炮；接收間距10 m，進風(fēng)巷R11～R110、回風(fēng)巷R111～R210，共計200 道。物性參數(shù)[22-23]見表1，采用主頻150 Hz 的雷克子波。

表1 正演模型物性參數(shù)Table 1 Physical property parameter of forward model

圖1 含觀測系統(tǒng)的層狀模型Fig.1 Layered model with observing system

模擬槽波信號接收選用z分量檢波器，即接收垂直底板方向的槽波信號，采用交錯網(wǎng)格高階有限差分法進行彈性波數(shù)值模擬[24-27]?？v波(P 波)與橫波(S 波)是勒夫（Love）型槽波的基本類型，它是SH 波干涉形成的，它的質(zhì)點是在平行于煤層的平面、垂直于傳播方向的平面內(nèi)作線性極化振動，是一種純SH 波。當其傳播過程中遇到彈性分界面或非均勻體時，將產(chǎn)生反射波、透射波、折射波，在特殊條件下還可以產(chǎn)生回轉(zhuǎn)波、繞射波等[28]。當縱、橫波(P 波、S 波)在低速夾層中傳播時，由于其干涉，形成槽波。槽波數(shù)據(jù)中包含的波場非常復(fù)雜，需要對其進行分析，分辨出不同類型的波場[29-31]。

1.2 不含地質(zhì)異常體的層狀模型數(shù)值模擬

以S3 炮為例，對z分量地震記錄（圖2）進行分析，最先到達的是來自圍巖的折射縱波（vp=4 000 m/s），其次是折射橫波（vs=2 300 m/s），最后到達的較強能量團是煤層中傳播的槽波（v=1 150 m/s）。槽波是典型的頻散波，即槽波的速度隨頻率的改變而變化。地震記錄中縱、橫波振幅相對集中且能量較強，沒有明顯的突變點繞射成像，但存在多次波等波形，可通過濾波進行處理。

圖2 S3 炮地震記錄Fig.2 Channel wave recording of S3

通過S3 炮z分量模型數(shù)據(jù)頻散分析[32-37]（圖3），5 m 煤厚的槽波頻散曲線能量主要集中在180～210 Hz，低頻槽波100～210 Hz、高頻槽波210～300 Hz，埃里相群速度為1 000～1 200 m/s。

圖3 S3 炮頻散曲線Fig.3 Dispersion curve of S3

對模型數(shù)據(jù)進行150～180～210～250 Hz 的帶通濾波，采用多次濾波計算群速度的方法拾取槽波振幅，對z分量進行振幅衰減系數(shù)CT 成像[38-39]（圖4），整個成像區(qū)域內(nèi)槽波振幅沒有衰減，與理論模型相一致，說明了方法的有效性。

圖4 不含地質(zhì)異常體的三維層狀模型槽波振幅衰減系數(shù)CT 成像Fig.4 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram without geological anomaly

1.3 多種地質(zhì)異常體的工作面槽波數(shù)值模擬

為了研究工作面內(nèi)多種地質(zhì)異常體的槽波探測識別方法，一個工作面設(shè)定包含4 種地質(zhì)異常體進行三維數(shù)值模擬，不同的地質(zhì)異常體設(shè)定一種代表性的地質(zhì)參數(shù)（產(chǎn)狀、薄厚、尺寸大小、褶幅程度），從單炮特征、頻散特征、CT 成像等結(jié)果入手，在同一個工作面內(nèi)進行識別研究[40]。模型參數(shù)見表2，三維數(shù)值模型俯視如圖5a 所示，工作面內(nèi)斷層、陷落柱、薄煤帶與撓曲的主視如圖5b 所示。

表2 數(shù)值模型參數(shù)Table 2 Numerical model parameter

圖5 工作面內(nèi)多種地質(zhì)異常體的三維數(shù)值模型Fig.5 Three-dimensional numerical model of various geological anomalies in the working face

對三維數(shù)值模型進行正演模擬，從S9 炮槽波記錄（圖6）可以直觀看出，斷層引起槽波記錄的錯斷、陷落柱影響槽波記錄的缺失、薄煤帶顯示槽波記錄分散、撓曲表現(xiàn)為槽波減弱并分散。

圖6 4 種地質(zhì)異常體在槽波記錄上的顯示Fig.6 The display of four kinds of geological anomalies on channel wave records

從S9 炮槽波記錄頻散分析（圖7）可知，槽波振幅主要集中在100～180 Hz，埃里相群速度900～1 000 m/s，與不含地質(zhì)異常體相比較，埃里相群速度與頻率均降低。

圖7 S9 炮頻散曲線Fig.7 Dispersion curve of S9

對數(shù)值模擬正演的數(shù)據(jù)進行振幅衰減系數(shù)CT成像（圖8），同一個工作面內(nèi)，4 個地質(zhì)異常體的成像結(jié)果都比較直觀，斷層表現(xiàn)為明顯的條帶性異常，陷落柱表現(xiàn)為不規(guī)則閉合區(qū)域，薄煤帶表現(xiàn)出明顯的寬條帶異常，撓曲表現(xiàn)為無規(guī)則的異常區(qū)域。實際工程應(yīng)用中，通過對整個工作面的槽波數(shù)據(jù)反演很難有效地進行槽波異常的定性識別，因此需要進行相應(yīng)的槽波異常特征分析（單炮、頻譜、頻散、速度、槽波CT、橫波CT、縱波CT），建立多屬性的大數(shù)據(jù)融合，從而實現(xiàn)槽波異常的定性與定量識別解釋[41]。

圖8 4 種地質(zhì)異常的三維層狀模型槽波振幅衰減系數(shù)CT 成像Fig.8 CT imaging of channel wave amplitude attenuation coefficient of three-dimensional layered model of four geological anomalies

2 多種地質(zhì)異常體的識別方法

同一個工作面內(nèi)不同地質(zhì)異常體的CT 反演成像結(jié)果都比較直觀，在地質(zhì)條件復(fù)雜的探測區(qū)域，由于受多個異常體的相互影響，僅依據(jù)直觀的槽波振幅異常無法對地質(zhì)異常體進行準確定性識別。因此，在保證煤層條件基本一致的前提下，從單炮特征及屬性角度出發(fā)，對不同地質(zhì)異常體進行定性識別。識別方法中，主要對不同地質(zhì)異常體的單炮特征及多個屬性進行對比分析，包括以下5 個方面：單炮、頻譜、頻散、速度、CT 成像。

2.1 波場特征識別

不同地質(zhì)異常體單炮特征（圖9）對比分析可以得出以下結(jié)論：①地質(zhì)異常體發(fā)育區(qū)域內(nèi)地震記錄中的槽波振幅均會發(fā)生突變；②斷層、陷落柱、薄煤帶發(fā)育區(qū)域，槽波振幅均減弱，縱波及橫波振幅有所增強；而撓曲發(fā)育區(qū)域槽波振幅有所增強。

圖9 4 種地質(zhì)異常體的波場特征識別Fig.9 Recognition of wave field characteristics of four geological anomalies

2.2 頻譜特征識別

不同地質(zhì)異常體頻譜特征對比分析（圖10 藍色曲線為窗口全道、紅色曲線為窗口中某一單道）可以得出以下結(jié)論：①數(shù)值模擬頻譜特征中，正常煤層的振幅值為最大；斷層、陷落柱、正常煤層激發(fā)薄煤帶接收的振幅值均降低；薄煤帶激發(fā)并接收振幅值差異不大，能量有所減弱；撓曲振幅值為增強，振幅增強可作為識別撓曲異常的一個必要條件。②薄煤帶發(fā)育區(qū)域內(nèi)，可分析是否存在正常煤層激發(fā)，穿透薄煤帶后正常煤層接收的槽波振幅多次衰減特征，頻譜中是否存在振幅值多次降低，作為識別薄煤帶異常的一個必要條件。

圖10 4 種地質(zhì)異常體的頻譜特征識別Fig.10 Frequency spectrum feature recognition of four kinds of geological anomalies

2.3 頻散、速度特征識別

不同地質(zhì)異常體頻散、速度特征（圖11）對比分析可以得出以下結(jié)論：①模型數(shù)值模擬正常煤層主頻為200 Hz、速度1 000 m/s；斷層主頻為200 Hz、速度1 000 m/s，低頻速度有略微升高；陷落柱主頻為180 Hz、低階速度900 m/s，高階速度1 200 m/s；正常煤層激發(fā)薄煤帶接收主頻為220 Hz、速度700 m/s；薄煤帶激發(fā)接收主頻為220 Hz，速度600 m/s；撓曲低階主頻為180 Hz，速度600 m/s，高階主頻為220 Hz，速度1 100 m/s。②斷層與正常煤層的主頻及速度近似，但低頻速度略微升高，其它地質(zhì)異常體的主頻及速度均與正常煤層差異較大，作為識別斷層的一個必要條件。③陷落柱會降低槽波的主頻及速度，且低階和高階主頻相同、速度差異大，作為識別陷落柱的一個必要條件。④薄煤帶槽波主頻基本不變，速度降低是其最明顯的特征，且低階、高階的速度差異不大，作為識別薄煤帶的一個必要條件。⑤撓曲會降低槽波低階的主頻，高階主頻基本不變，低階和高階速度差異大，作為識別撓曲的一個必要條件。

圖11 4 種地質(zhì)異常體的頻散、速度特征Fig.11 Frequency dispersion and velocity characteristics of four geological anomalies

2.4 CT 成像特征識別

數(shù)值模擬中，數(shù)據(jù)體中最先接收到的是來自頂?shù)装宓恼凵淇v波，隨后是折射橫波，最后到達的是煤層中傳播的槽波。CT 反演成像中選取振幅、速度2個屬性進行成像，由于槽波是頻散波，具有多階模態(tài)，因此又將槽波分為低頻與高頻兩大屬性分別進行成像。

通過對斷層、陷落柱、薄煤帶、撓曲4 種地質(zhì)異常體進行相應(yīng)的縱波振幅、縱波速度、橫波振幅、橫波速度、高頻槽波振幅、高頻槽波速度、低頻槽波振幅、低頻槽波速度8 種類型的CT 成像，從不同的成像方法對地質(zhì)異常體的響應(yīng)特征進行識別。

2.4.1 4 種地質(zhì)異常體的CT 成像

1）斷層的槽波數(shù)值模擬結(jié)果：斷層會表現(xiàn)出明顯的條帶性；橫波振幅、高頻槽波振幅、低頻槽波振幅反應(yīng)顯著；橫波速度、高頻槽波速度、低頻槽波速度反應(yīng)較顯著；縱波振幅、速度成像反應(yīng)不顯著（圖12）。

2）陷落柱的槽波數(shù)值模擬結(jié)果：陷落柱地質(zhì)異常體會表現(xiàn)出明顯的不規(guī)則面狀異常；橫波振幅、高頻槽波振幅、低頻槽波振幅反應(yīng)顯著；橫波速度、高頻槽波速度反應(yīng)較顯著；縱波振幅、速度成像、低頻槽波速度成像反應(yīng)不顯著；橫波振幅成像反應(yīng)為邊界異常，陷落柱中心為正常區(qū)域的不規(guī)則環(huán)狀異常（圖13）。

圖13 陷落柱的多種屬性CT 成像響應(yīng)特征Fig.13 CT imaging response characteristics of multiple attributes of collapse column

3）薄煤帶的槽波數(shù)值模擬結(jié)果：薄煤帶地質(zhì)異常體會表現(xiàn)出明顯的寬帶狀異常；高低頻槽波速度、振幅成像均對薄煤帶反射均顯著，但低頻速度成像的條帶性更好，邊界明顯；縱波速度、橫波振幅成像反應(yīng)較顯著；縱波振幅、橫波速度成像反應(yīng)不顯著（圖14）。

圖14 薄煤帶的多種屬性CT 成像響應(yīng)特征Fig.14 CT imaging response characteristics of multiple attributes of thin coal belt

4）撓曲的槽波數(shù)值模擬結(jié)果：僅有高低頻槽波振幅對撓曲異常有一定的反應(yīng)，且僅對撓曲褶軸有相應(yīng)的反應(yīng)（圖15）。

圖15 撓曲的多種屬性CT 成像響應(yīng)特征Fig.15 CT imaging response characteristics of multiple attributes of flex

2.4.2 地質(zhì)異常體CT 成像識別

縱波、橫波、槽波的CT 反演方法對不同地質(zhì)異常體反映不同，聯(lián)合多種成像方法可以對地質(zhì)異常體進行識別（表3）。

表3 不同地質(zhì)異常體多種類型CT 成像響應(yīng)特征Table 3 Response characteristics of various types of CT imaging of different geological anomalies

1）結(jié)合CT 成像結(jié)果，橫波、高頻槽波、低頻槽波振幅成像可以作為斷層識別的一個必要條件，成像特征顯著。

2）橫波、高頻槽波、低頻槽波振幅成像可以作為陷落柱識別的一個必要條件，成像特征顯著。

3）高、低頻槽波振幅、速度成像可以作為薄煤帶識別的一個必要條件，成像特征顯著。

4）高、低頻槽波振幅成像可以作為撓曲識別的一個必要條件，成像特征較顯著。

3 實例分析

3.1 施工設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

陽泉礦區(qū)某工作面為一次性采全高綜采面，探測區(qū)域內(nèi)煤層總體呈東北高西南低的單斜構(gòu)造，探測走向長度800 m，傾向?qū)挾?00 m，鉆孔揭露煤層厚度4.91 m。根據(jù)探測區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有地質(zhì)資料，斷層、陷落柱、薄煤帶、撓曲均比較發(fā)育。頂板為砂巖或泥質(zhì)砂巖，局部為中、細粒砂巖；底板為砂巖，局部為粉砂巖或細粒砂巖。

本次槽波試驗結(jié)合正演模擬確定測線沿進風(fēng)巷、回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)幫布置，如圖16 所示。

圖16 施工布置Fig.16 Construction layout

1）接收點布置 道距10 m，共設(shè)計接收點142 個。

2）激發(fā)點布置 炮距20 m，共設(shè)計激發(fā)物理點72 個，孔深3 m，孔徑42 mm，單孔藥量為300 g。

3.2 工作面異常體分析

對槽波數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)編輯、建立觀測系統(tǒng)、振幅擴散補償?shù)?，分別從單炮、頻譜、頻散速度、CT 成像特征，列舉針對性的槽波記錄對地質(zhì)異常體進行識別解釋。

3.2.1 斷層

從S20 炮槽波記錄（圖17a）可以看出斷層引起了槽波振幅的減弱及缺失，縱橫波振幅增強；頻譜振幅降低（圖17b）；結(jié)合正演模擬，主頻與速度跟無構(gòu)造異常煤層基本一致（圖17c）。

圖17 槽波屬性斷層識別Fig.17 Fault recognition of channel wave attribute

3.2.2 陷落柱

從S30 炮槽波記錄（圖18a）可以看出陷落柱引起了槽波振幅的缺失、折射波振幅增強；頻譜中，槽波通過陷落柱異常后振幅減弱（圖18b）；頻散速度分析中埃里相變化明顯，主要特征為低階主頻降低，高階增強（圖18c）。

圖18 槽波屬性陷落柱識別Fig.18 Collapse column recognition of channel wave attribute

3.2.3 薄煤帶

從S10 炮槽波記錄（圖19a）可以看出薄煤帶引起了槽波振幅的部分衰減；頻譜特征中，高頻成分衰減比低頻成分衰減要明顯，正常煤層激發(fā)，穿透薄煤帶后正常煤層接收，振幅減弱最大（圖19b）；頻散特征中，正常煤層激發(fā)，遇到薄煤帶后，主頻增加（圖19c）。

圖19 槽波屬性薄煤帶識別Fig.19 Thin coal belt column recognition of channel wave attribute

3.2.4 撓曲

從S50 炮槽波記錄（圖20a）可以看出撓曲對槽波振幅影響較小，振幅反而有一定增強（圖20b）；頻散速度分析中高階主頻基本不變，低階和高階速度差異大（圖20c）。

圖20 槽波屬性撓曲識別Fig.20 Flex recognition of channel wave attribute

3.3 成像成果解釋

結(jié)合多種地質(zhì)異常體數(shù)值模擬總結(jié)的識別方法，通過單炮、頻譜、頻散特征對實際資料的綜合分析，選擇對斷層、陷落柱、薄煤帶均能顯著識別、撓曲較顯著識別的低頻、高頻槽波振幅進行CT 成像，最后形成綜合的槽波解釋成果（圖21）。

圖21 槽波探測解釋成果對比Fig.21 Comparison of channel wave detection and interpretation results

根據(jù)工作面回采寫實，槽波解釋的斷層（CF1）、陷落柱（CX1、CX2）、撓曲（NQ1、NQ2、NQ3）與薄煤帶范圍（YC1）均與實際揭露吻合較高。

4 結(jié) 論

1）單炮特征：斷層、陷落柱、薄煤帶導(dǎo)致槽波振幅均有明顯減弱且縱波、橫波振幅有所增強，撓曲引起了槽波振幅的增強。

2）頻譜特征：斷層及陷落柱對槽波振幅的衰減是一次性且衰減明顯，薄煤帶對槽波振幅的衰減具有多次性，撓曲因煤層連續(xù)性未經(jīng)破壞，振幅衰減變化不明顯。

3）頻散特征：斷層與正常煤層的主頻及速度相近，陷落柱會降低槽波的主頻及速度，且低階和高階主頻相同、速度差異大，薄煤帶主頻基本不變，速度降低且低階、高階的速度差異小；撓曲會降低槽波低階主頻，高階主頻基本不變，低階和高階速度差異大。

4）波場CT 成像：橫波、高頻槽波、低頻槽波振幅成像對斷層反映顯著，斷層表現(xiàn)出明顯的條帶性；橫波、高頻槽波、低頻槽波振幅成像對陷落柱反映顯著，陷落柱表現(xiàn)出明顯的不規(guī)則面狀異常；高低頻槽波振幅、速度成像對薄煤帶反映顯著，薄煤帶表現(xiàn)出明顯的寬帶狀異常；高低頻槽波振幅成像對撓曲反應(yīng)較顯著，撓曲表現(xiàn)為無規(guī)則的異常區(qū)域。