基于HTSP技術的小型地質異常情況探究

常 安

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河礦，山西 晉城 048204）

1 引言

利用超前探測技術探測礦井掘進巷道前方是否存在小型地質異常是一個前沿的課題。小型地質異常的探測難度較大，而無計劃開采容易引發瓦斯涌出量超限、突出等事故，對礦井的安全生產構成了極大的影響。因此，防范小型地質異常對巷道掘進的影響具有非凡的意義。寺河礦作為煤與瓦斯突出礦井，在地質異常區域的防突壓力尤為巨大。地面三維地震技術對大型陷落柱、斷層等災害性地質體有較好的探測效果，但探測結果偏差較大，對于小型地質異常的探測效果不明顯。鑒于此，以礦井巷道超前探測技術（以下簡稱為HTSP技術）為基礎，對小型地質異常進行探測研究，取得了良好的成效。

2 礦井巷道超前探測技術分析

礦井巷道超前探測（HTSP）技術是一種全空間、多波多分量聯合勘探技術。HTSP技術對大于1/2煤厚的斷層、直徑大于10m的陷落柱有明顯的響應。在對異常定性定量上還需要大量的試驗來總結經驗，為技術改進和推廣提供強大的實踐支撐。

礦井巷道超前探測技術是在地面地震勘探基礎上發展起來的礦井物探新技術，旨在通過巷道內的地震反射波技術提高對礦井小型地質異常的探測效果。

目前礦井超前地震技術主要存在如下3個問題：

（1）觀測系統：由于礦井巷道狹長且空間有限的特點，目前多采用的是多震源少測道的觀測系統。由于多次激發地震波之間能量、相位、頻譜之間存在差異，實測反射波形雜亂，缺乏規律，增加了超前數據解析難度。

（2）震源：目前礦井地震產品一般采用重錘激發和炸藥激發兩種方式。重錘激發操作簡單，但存在探測距離短（很難達到70m以上的距離）且地震波易受干擾、分辨率低的缺點；炸藥激發探測距離遠（最大可達200m），分辨率高，但一次超前探測施工，需要20次左右的放炮數量，由于是在井下作業，放炮措施嚴格，耗費時間多，推廣難度極大。

（3）波形分離：探測過程主要關注超前信息，所以需要分離掉其他方向彈性波，再利用該數據進行偏移成像。而目前常用的數據解析方法對于分離彈性波波場和偏移成像存在難度。

鑒于上述3個問題，提出一種一次激發、多點多道接收的新型分布式巷道超前探測系統，可以大幅提高井下現有地震類儀器多通道接收能力，提高激發地震波原始波形相位和頻譜一致性，增強實測地震反射波內在規律性，提高地質構造異常識別能力和精度。同時采用新型孔中多分量檢波器，提高設備穩定性和便攜性，實現更加便攜的布點，降低采樣施工難度，極大地提高采集的震波數據量和質量。將震源激發點數量降至最低，為使用更為有效的震源方式提供了極大的便利。此外，如果將觀測系統布置在工作面一側，對采集的數據用單邊排列方法處理，可以同時完成工作面內地震探測工作，獲得工作面內地質構造信息，實現單次探測成果效益最大化。

3 系統設計

3.1 工作原理

本次勘探采用HTSP技術探測迎頭前方的構造發育情況，工作原理如圖1所示。

圖1 HTSP技術工作原理圖

3.2 工作面情況

本次井下地震超前探測地點為寺河礦西井西三盤區南翼鎖邊三巷開口0#橫川處，施工地點在距迎頭退后40m范圍內。寺河礦西井3#煤層位于山西組下部，煤層厚度為5.00～7.22m，平均6.21m，為全區可采煤層。3#煤層含夾矸0～5層，夾矸單層厚一般為0.02～0.69m。

西三盤區南翼鎖邊三巷煤厚約6.0m，黑色，條帶狀結構，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主，有夾矸1層，屬穩定型煤層。掘進方向上煤層約3°上坡，巷道左高右低，約3°。煤層頂底板情況詳見表1。

3.3 現場布點情況

本次探測在西三盤區南翼鎖邊三巷同側布置分布式三分量觀測系統，檢波點和激發點均布置在巷道左幫，采用炮擊震源。第一個檢波點距巷道迎頭退后5m，共布置8個，編號為J1～J8，檢波點間距1m；共布置炮擊點2個，編號為P1～P2，第一個炮擊點偏移檢波點10m，兩個炮擊點間距5m。

表1 煤層頂、底板情況一覽表

3.4 試驗流程

試驗流程包括施工傳感器孔和炮孔、安裝傳感器、連接儀器系統、系統啟動、安裝炸藥與雷管以及激發接收參數設置六個步驟，其中傳感器孔的孔徑32mm，孔深1.5～2mm，傾角上傾5～10°。炮孔的孔徑48mm，孔深1.5mm，傾角下傾5°。 激發接收參數設置如表2所示。

表2 激發接收參數設置

4 實驗分析

將現場采集到的物探數據經過處理轉化為可利用的物性圖件，對震波探測數據進行進一步的處理，具體的處理步驟包括數據預處理、頻譜分析直至界面提取。現場采集到的地震波形頻譜分析如圖2所示，其中橫坐標為地震波頻率，單位為Hz，縱坐標為地震波的振幅，單位為m。從圖中可以看出50～400Hz的頻帶范圍較大，有利于目標體的分辨。

參照直達波速度，結合經驗參數，基本確定本探測區域橫波速度為2m/ms，并作為深度偏移時的速度背景值。本次探測前方有效反射信號如圖3所示，縱坐標表示探測的時間，單位為ms，橫坐標為探測的通道編號，單位為個。

圖2 地震信號的頻譜分析

圖3 地震信號的波形-三分量

圖4為震波偏移成像結果，其中X軸表示與西三盤區南翼鎖邊三巷開口處的距離，單位為m，Y軸表示震波的極化偏移量，單位為m。根據圖3以及圖4，綜合分析后圈定兩個界面：

（1）西三盤區南翼鎖邊三巷開口處前方0～25m段，在13～25m范圍內有反射波能量較強的界面，界面命名為R1。

（2）西三盤區南翼鎖邊三巷開口處前方50～100m段，在52～65m范圍內有反射波能量較強的界面，界面命名為R2。

5 結論

基于HTSP技術的寺河礦西三盤區探測結果顯示，在西三盤區南翼鎖邊三巷開口處位置前60m范圍共有2個主要反射波異常界面，分別為R1（13～25m）、R2（52～65m）；巷道掘進后實際在15m附近揭露斷層，55m左右巖性發生變化、裂隙發育。巷道揭露情況很好地驗證了探測結果。

圖4 震波偏移成像結果