基于地震反射波法的巷道空間地質異常體超前探測

方 杰，徐會軍，孔廣亞

(1.中國礦業大學 (北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083;2.中國神華能源股份有限公司科技發展部，北京100011)

巷道超前探測技術一直是地球物理界普遍關注的熱點和難題，其重點是指在觀測點向前方探測尚未揭露的地質構造及其異常［1］。煤炭開采中，掘進前方事先未預測到的隱伏地質構造會嚴重影響巷道全局布置與掘進工作的順利進行。目前國內外重點研究的是巷道前方富含水異常空間和斷層構造面位置的探測，技術手段通常為瞬變電磁法和地震反射波法。由于巷道內存在各種電信號干擾源，且探測施工空間有限，瞬變電磁法的優勢得不到發揮，以致探測結果往往難以達到技術要求。結合以往研究資料表明，地震反射波技術原理成熟，接收的信號信噪比高，是一種探測距較遠，現場使用便捷且可靠的物探手段［2－5］。

利用地震反射波探測前方地質異常主要是探測強波阻抗界面，煤礦中可以在穿層巷道中探測前方含水灰巖、煤層、巖墻等界面，也可以在順層巷道中探測前方斷層、尖滅點、構造破碎帶、陷落柱等的位置。

1 反射波法超前探測原理

礦井巷道反射波超前探測技術主要應用地震波在傳播過程中遇到煤巖體物性界面會發生反射的原理。如圖1所示，該技術充分利用巷道有限空間，設計沿巷道后方布置傳感器、震源來探測巷道前方地質條件的觀測系統。一般用錘擊或小藥量爆破作為震源，震源沿巷道左 (右)幫平行底板成直線排列。地震波在煤巖體中以球面波形式傳播遇到煤巖物性界面時會發生反射，反射回來的地震信號被地震檢波器接收并形成地震記錄。運用地震波動力學和運動學原理，分析地震記錄波形特征，以推測斷層、巖石破碎帶等不良地質體的位置和規模，并計算相關巖石力學參數和提取煤巖性界面。

圖1 巷道空間反射波超前探測原理示意

反射波超前探測法核心技術如下:

(1)反射波提取 掘進巷道超前探測關注的是介質的水平變化情況。為了從地震記錄中獲得巷道前方反射波信息，在數據處理過程中需要將上下行波分離并保留下行波 (負視速度)，本質上就是壓制來自測線垂向上的信息而保留來自水平方向上的反射信息。采用線性Radon變換技術進行上下行波分離，從而來提取反射波信息。當選擇線性τ－p變換進行上下行波分離時，已經假設介質是水平變化的且速度界面和測線垂直。τ－p變換可以將波場從t－x域轉換到τ－p域，波場參量有如下關系:

式中，t為域中的波旅行時間;x為炮檢距;p為射線變量;τ為射線變量在時間軸上的截矩。

τ－p變換正變換是把τ－x域中共炮點記錄或其他記錄按不同的斜率p和截距τ進行迭加。正變換過程為

式中，N為t－x域中地震道數，按給定的斜率p，沿射線t=τ+pxi迭加記錄的所有道，即形成τ－p域的一個地震道;按某一斜率范圍，疊加起來形成τ－p域的一組完整地震道記錄。

經轉換后各種波的波場特征在τ－p域中發生分離，以識別在t－x域中無法識別的負速度場。圖2說明了τ－p變換的過程。

圖2 τ－p變換過程示意

(2)速度分析 速度分析是地震數據處理中很重要的一環，尤其當遇到大傾角地層，斷層發育帶等復雜構造時，準確的偏移速度就成為做好深度偏移的關鍵。速度分析的作用主要體現在:提供準確的疊加速度，提高并改善地震數據信噪比和多次疊加剖面的質量;為偏移疊加及時深轉換提供速度依據。速度分析的偏差會給后面的處理帶來遺傳誤差，因此各向異性介質中速度分析的研究顯得越來越重要。

(3)偏移成像技術 以射線偏移為基礎、使反射波自動歸位到真實位置上的繞射掃描偏移方法在巷道超前探工程中越來越實用。惠更斯原理認為地下每一個反射點p都可以看做是一個子波震源，把每一個網格點看成是一個反射點進行繞射掃描偏移時，其繞射波或反射波旅行時間為:

式中，tij為掃描點p處第i炮第j個接收點的繞射波旅行時間，j=1，2，…m，且m為參加疊加的記錄道;v為地震波的速度;h為p點的垂直深度。

圖3為繞射掃描偏移網格，將記錄道上tij時刻的振幅值aij與p點的振幅值疊加起來，即為p點的總振幅值Ai，則

圖3 繞射掃描偏移網格劃分

計算x－h平面上按Δx、Δh劃分的網格上每一點p(x，h)，當網格劃分得足夠細時，就可以確定反射點的全部可能位置。如此，反射界面上的疊加掃描點p的總振幅Ai更加增大，不在反射界面上的掃描點p的總振幅Ai進一步減小，這樣提高了信噪比同時，又將反射界面自動偏移到真實空間位置上去。處理時常需控制掃描范圍來對每一個炮檢對進行振幅疊加，以提高運算速度［6－8］。

2 現場探測實例

2.1 工程背景

某礦 (4－5)04工作面井下標高700～777m，工作面巷道沿底板掘進，4－5煤層穩定，厚度5.5～7.1m，頂板為富水性粉細砂巖，底板多為泥巖、粉砂巖。工作面為單斜構造，傾向角度19°，掘進期間揭露多條斷層，落差0.9～8.8m。膠帶巷 (下巷)掘進至距聯絡巷600m位置時，發生沖擊事件，沖擊造成迎頭頂板冒落，巷幫炸幫，嚴重影響掘進作業。針對該次沖擊顯現情況，結合已經揭露斷層，推測掘進范圍內可能有不良構造的影響，為探明掘進范圍內的隱伏構造，決定在膠帶巷掘進頭開展反射波超前探測，設計的探測范圍見圖4。

圖4 (4－5)04膠帶巷反射波超前探測位置示意

2.2 方案設計

探測在迎頭有限空間內展開，采用炸藥震源。受現場條件限制，布置觀測系統時，激發源Si設置在巷道上幫，設計激發24炮，設計炮間距2m，S1靠近迎頭，炮孔深1.5m，孔徑48mm。三分量檢波R1和R2分別布置左后側，上幫最小炮檢距15m，R2，R1距離 5m，檢波孔深 2m，孔徑65mm。選用礦用乳膠炸藥，每孔藥量100g，采用礦用一段瞬發雷管引爆。一炮一放，放炮順序為S1，S2，…，S24。觀測系統設計方案如圖5所示。

圖5 (4－5)04膠帶巷超前探觀測系統設計方案

2.3 數據分析及處理

數據采集每道采樣點數2048，采樣間隔0.16ms，系統增益均為24dB。每次激發有6道同時接收，設計24炮，其中21炮有效，共采集126道數據，數據波形飽滿、同相軸較連續、起跳明顯，滿足后期數據處理要求。

通過FFT工具地震波形進行頻率域分析。如圖6，可以看出不同分量頻帶分布略有差異，X分量頻帶范圍150～310Hz，主頻為200Hz;Y分量頻帶范圍200～300Hz，主頻為240Hz;Z分量頻率域分布較廣，主頻為300Hz。

圖6 (4－5)04檢波器R2不同分量的頻譜分析

反射波超前探地震數據后處理流程包括記錄解編、預處理、核心處理和結果解釋4個步驟。其中核心處理有反射波提取、速度分析和深度偏移3項內容。

直達波時距曲線是一條經過坐標原點的直線，但是在采集過程中，由于雷管延時或者數據采集儀與起爆器的不同步會造成直達波時距曲線不是直線也不通過坐標原點。需要對偏離該直線的記錄道進行時差矯正 (即靜校正)。如圖7(a)所示，根據2號檢波器X分量獲得探測區域擬合縱、橫波速度分別為3.4m/ms和1.9m/ms，利用采樣時間和直達波速度可初步確定探測區域的速度范圍，同時利用其作為背景速度進行深度偏移。

基于在時距關系上巷道迎頭前方反射界面與迎頭后方及巷道側向反射界面呈現不同的視速度規律，利用τ－p變換濾波、F－K濾波方法提取出巷道前方界面反射波，與此同時，聲波、面波等干擾波也得到了壓制。圖7(b)為反射波提取圖。深度偏移處理為后處理的核心內容，在給定速度模型的條件下，將來自前方介質的反射能量偏移歸位至真實空間點上。

圖7 檢波器R2的X分量直達波波速求取及反射波提取

2.4 成果解釋

根據地震勘探信號處理相關知識，煤巖體介質波阻抗差異決定地震波反射效率，波阻抗差異越大，反射回來的地震信號越強，表現在偏移后的波形亮點顏色越深，反射界面也就越明顯。煤礦中的波阻抗界面主要有斷層、破碎帶和陷落柱等。斷層面完整平滑，地震波經過時超前半個相位后反射回來，但整體上波形特征未發生變化，偏移后仍能保持波峰波谷的特征。地震波傳播遇到不完整且粗糙的煤巖破碎帶或陷落柱時，反射波易相互干擾，反射回來的信號不能保證其完整的波形特征，偏移后表現為波形亮點顏色淺，出現單一波峰或單一波谷情況。

圖8為巷道迎頭前方150m范圍內X分量偏移成像反射界面提取剖面圖，圖中橫坐標表示沿巷道走向迎頭前方距檢波器R1的距離。剖面反映了巷道前方波阻抗差異界面的空間位置關系，顏色深淺表征反射波能量幅值的大小，根據能量幅值的不同，提取反射能量較大的界面，超前迎頭150m范圍內存在4組較強反射界面，將其各自命名為P1，P2，P3和 P4。

圖8 X分量偏移成像反射界面提取

反射界面P1處在迎頭稍往外位置附近，影響范圍較小，推斷為小范圍的構造異常區，可以作為實驗前發生的迎頭頂板垮落形成破碎帶的一個驗證。

反射界面P2距離迎頭約30m，疊加波形呈現單一波谷特征，可以推斷此處為影響范圍較小的破碎構造異常區。

反射界面P3距離迎頭約70m，影響范圍超前迎頭65～75m，綜合分析反射能量和影響范圍，推斷其為小斷層或小規模破碎帶。

反射界面P4距離迎頭約112m，影響范圍為超前迎頭105～120m，該組反射能量弱于反射界面P3，可能由小斷層或者小規模破碎帶控制。

2.5 探測結果驗證

(4－5)04膠帶巷恢復生產后，對探測結果進行追蹤可知，在距探測時迎頭75m處遇見煤巖體破碎帶A，距離迎頭117m時出現小斷層帶B，這與探測結果中的P3破碎帶和P4小斷層破碎帶位置和規模幾本吻合，如圖9所示。

圖9 掘進過后結果驗證對比

3 結論

利用地震反射波超前探測技術測得的反射界面P1，P3和P4位置與事后追蹤掘進過程中揭露的情況基本吻合，并在掘進時及時做出相應的應對措施后保證了生產正常進行，探測結果對巷道安全掘進能起到一定的指導作用。但是對前方隱伏異常體存在范圍或者斷層的落差不能精確定量給出，需要借助鉆探等其他一些勘探手段進行綜合判斷。

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