地震反射(槽)波在煤礦掘進巷道超前探測中的應用

范 創 常永峰 羅 鵬

（山東能源棗礦集團柴里煤礦，山東 滕州 277519）

1 引言

柴里煤礦23下614工作面面積約0.2km2，處于三條斷層形成的地塹區域。北為程樓斷層，西為田崗斷層，東為二龍崗斷層，南部田崗斷層與二龍崗斷層交匯。本區3煤頂板砂巖與田崗斷層對盤奧灰含水層對接，原勘探資料顯示田崗斷層為導水斷層，且F2斷層及以北區域地質情況不明，工作面切眼外側存在程樓斷層，運輸巷外幫存在二龍崗斷層，因此采用地震MSP超前探法和反射勘探在切眼外幫進行構造超前物探，探查程樓斷層的位置及走向，為工作面的安全開采提供地質保障。

2 反射探測方法原理

一般情況下，煤的密度和波在其中的傳播速度常常比圍巖小（見表1），煤層與圍巖相比，是一種低速層狀介質，因此可將煤層視為一種波導。在煤層中激發的地震波，當波射線以大于臨界角的方向入射到煤層頂、底板界面時，就會全反射。因頂底板界面多是平行的，這種全反射過程會在煤層頂、底界面間多次反復地進行，從而形成沿煤層傳播的特殊波，即槽波（ISS）或導波（CW）。

當煤層變質程度高，煤層速度會明顯增加，圍巖巖性較軟時，煤層的低速波導特性會下降，導致槽波發育不顯著。

表1 煤和巖石密度與地震波傳播速度

2.1 反射震波探測布置

在工作面中利用反射震波方法進行探測，在23下614工作面切眼激發、接收，做反射震波勘探。

（1）激發點參數

激發點測線布置于切眼，測線總長約90m，實際炮間距均為5m。

（2）接收點參數

接收點測線布置于切眼，現場共布置4站，測線總長約90m，實際道間距5m。

2.2 數據獲取

地震數據的采集采用1臺震電主機在運輸巷南端接收反射震波數據，形成單站一次可接收16道的數據采集裝置。爆破使用200g乳膠炸藥，將藥卷送至孔底，使用炮泥將孔封好，并接好爆炸起爆器和儀器啟動器，待接收站和激發站安裝就緒后，電話聯絡開啟儀器，設置好參數，由接收站指揮激發站放炮，記錄各炮波形信號數據。

現場探測地震儀器工作參數設置如下：

通道數：64道； 采樣間隔：0.1ms；

采樣長度：8K個點； 超前采樣點：0。

本次采集，采用連續高效放炮、同組接收點固定接收的作業方式，保證了扇形的最大覆蓋范圍和探測區域。

2.3 完成工作量

反射震波工作為23下614工作面切眼（90m），探測工作量以布置檢波器為準，累計走向長度為90m，其中反射震波總測線長90m。激發點測線布置于切眼，測線總長約90m，實際炮間距均為5m，共計19個炮點，有效炮為19炮，激發點數19個。

2.4 數據采集質量評述

震波是由特定位置進行小型爆破產生的，爆破點一般是沿巷道左(右)幫平行洞底呈直線排列，這樣由人工制造一系列有規則排列的輕微震源，形成地震斷面。這些震源發出的地震波在遇到地層層面、節理面、特別是斷裂破碎界面和溶洞、暗河、巖溶陷落柱、淤泥帶等不良界面時，將產生反射波。為了保證數據的質量，地震施工時嚴格按照礦井震波探測行業標準進行操作。反射震波施工時激發點布置在23下614工作面切眼，共計19個炮點，有效炮為19炮；接收點同樣布置于切眼同一幫，共64道，有效道為57道，平均道間距為5m。為保證精度，實際計算時以實測點距帶入運算。

3 數據處理與解釋

3.1 槽波的提取

為此根據槽波頻率高速度低的特征，采用道內平衡-一維濾波-道內平衡-AGC-二維濾波的方法進行槽波提取，如圖1（b）所示，圖中的高頻地震波信號即為槽波信號，從提取結果中可以看出，槽波信號更加突顯。

圖1 槽波提取前后的單炮記錄

3.2 包絡計算

信號包絡其實質上是使有正有負的波形序列變成只有正值的能量序列，這是一種傳統的方法手段，處理之后的信號僅僅在外觀上還是會保持與原來的信號相同，但是由于有負相位的存在，處理之后，槽波的信號頻率則會有明顯的降低，只有20～30Hz。

3.3 共反射點道集

對共炮點記錄重新抽道選排形成共反射點道集，然后進行速度分析、動校正、水平疊加或偏移歸位等處理，最終得到用于資料解釋的成果數據。

3.4 速度分析

對埃里震相的速度進行估計，是槽波速度分析的最為主要的作用，目的是為后面對數據的疊加處理和偏移處理提供相關的參數，這也是識別槽波的重要標志。槽波的主要能量相對較低，槽波核心部分埃里震相的速度也是相對的偏低。經分析槽波速度在1000m/s左右。

3.5 包絡疊加及偏移成像

槽波數據主要采用的是包絡疊加的方法。通過這種方法可以提高信噪比，包絡疊加其實主要就是對包絡計算后的數據進行動校正和疊加，得到包絡疊加剖面，并對其選擇合適的速度進行偏移成像（見圖2）。

圖2 槽波疊加偏移剖面

3.6 反射偏移成像

反射震波解釋以強反射槽波能量異常作為依據。在側幫探測過程中由于空氣巷道對槽波存在屏蔽效應，故側幫反射槽波探測不存在全空間效應，即側幫反射槽波指向性強，以本次探測為例，在23下614工作面切眼布置檢波器及炮點。

處理的結果是獲得偏移深度剖面，根據剖面中反射波相位同相軸的連續追蹤與對比，結合已知地質資料及地質體的各種特征進行解釋，最終形成地質剖面。一般情況下，探測區域內有陷落柱、斷層破碎帶或應力集中異常等現象，通常在地震記錄上表現高振幅（能量）。礦井地震探查方向一般為順層方向，速度變化差異較小。

從分析結果可以看出，地震振幅為歸一化后的振幅值。在剖面顯示采用亮點顯示方法，結合實際需求及數據分辨率，只對探測目的深度以內信號做出解釋。其中，23下614工作面切眼深度30m范圍內受直達槽波長波列影響，可以看出淺層存在亮塊，故其深度30m范圍內不解釋地質異常；在30～100m范圍內沒有明顯的亮點，即該范圍內并無異常反映。

4 綜合地質解釋分析與建議

探測23下614切眼（33號測點往西91m范圍）外幫100m范圍內不存在地質異常構造。本次探測是23下614切眼的首次探測，受影響因素較多，可能與探測結論存在一定的異常性。因此需加強鉆探驗證，發現前方異常應及時采取措施，把構造對巷道的影響降到最低，確保下步工作面的安全開采。