槽波反射法在工作面大斷層上下兩盤延伸發育探測中的應用

李梓毓，焦 陽，李江華，2，3，竇文武，廉玉廣，2，3，譚 菁

（1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 技術研究院，山西 晉城048006；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京100013 ）

近年來全國各地煤礦的地質構造情況日趨復雜，井田內煤厚變化大，斷層和陷落柱等構造發育分布情況更為廣泛，煤層應力集中、煤體破碎、瓦斯富集等現象也日趨常見，這些已經逐漸成為了影響礦井采掘布置和安全生產的主要因素，如果在礦井的采掘過程中無計劃揭露上述這些地質構造，都有可能出現冒頂、突水、瓦斯突出等災難事故，嚴重影響著礦井的安全生產和經濟效益[1-6]。

以往的物探手段中，如地面三維地震勘探和井下無線電透視技術已經很難滿足礦方對地質構造的探測需求，地面三維地震勘探受施工條件約束，地面地形高差大，反演成果主要服務于礦井整體煤層展布情況探測及構造發育整體分布情況探測，但在小范圍的回采工作面區域的構造探測情況上會出現偏差、準確率較低，難以滿足回采工作面對構造探測的需求，且施工周期長、成本較高[7]；井下無線電波透視技術無論在發展與應用上都較為成熟，但此技術傳播距離受限，探測工作面縱向分辨率較低，抗電干擾能力弱，對陷落柱構造反應明顯，但探測斷層仍然難度較大[8]。而在物探結果可靠程度低的情況下，井下鉆探的效率就會大幅度降低，若全面雙向布置鉆孔探測，無固定靶區，則費時費力，且成本過高[9]。

近些年槽波地震勘探技術得到了廣泛的應用與發展，其探測精度高，探測距離大，抗干擾能力強，已逐漸成為煤礦構造探測方面最主流的地球物理勘探技術[10-13]。透射法應用于工作面內煤厚及構造探測，技術逐漸成熟[14-15]；反射法則應用于不同波阻抗介質的界面探測，多應用于斷層探測，也能夠對陷落柱邊界與空巷進行探測，且可以利用單一巷道對近走向型斷層進行探測，從而指導礦井工作面布置。至今槽波地震勘探技術的應用以其獨特的優勢已經逐漸成為了煤礦地質構造探測的主要手段，并且已為煤礦生產指導起到了至關重要的作用。

1 槽波地震勘探原理

當在煤層中放炮激發震動時，便會產生地震波，包括P 波和S 波，S 波又包括SH 波和SV 波。這些地震波會向周圍傳播擴散。由于煤層與其頂底板物理性質差異，其波速明顯低于頂底板的波速，地震波傳播到煤層頂底板界面時就會被全部反射和折射回煤層內部，相互疊加、干涉形成槽波。當煤層的連續性發生變化時，槽波特征會隨之改變，而槽波地震勘探就是通過這些變化的特征分析從而完成地質構造的精細化探查[16-17]。

槽波地震勘探方法有3 種：透射法、反射法以及透射、反射聯合探測法。探測原理示意圖如圖1。

1）槽波透射法是在工作面兩側巷道分別布置放炮激發點與檢波器，利用檢波器接收另1 條巷道激發傳播的槽波信號，通過逐炮逐道的頻散分析旅行時拾取或者槽波艾里相振幅拾取計算衰減系數來實現槽波透射速度分析法和衰減系數成像法探測工作面內部構造。

圖1 槽波反射法和透射法探測原理示意圖

2）槽波反射法探測是在同1 條巷道內同時布置放炮激發點與檢波器，當放炮激發后槽波向四周擴散傳播，遇到波阻抗不同的2 種介質的交界面后，槽波會發生反射，通過該巷道同時布置的檢波器來接收這些反射槽波的信號，經過濾波，增益，包絡，疊加，偏移校正等處理方式找到反射信號的艾里相同相軸，從而查明反射界面的位置和延伸長度[18-19]。

3）槽波地震勘探法研究結果表明，適用于槽波賦存特性較好的煤層，其特性主要為煤層的槽導性好、槽波艾里相頻率較高，群速度較低。相較于透射法而言，槽波反射法勘探的影響因素更多，包括槽波反射信號的信噪比、槽波頻散導致的分辨率降低、反射系數、反射面不平、反射體產狀、斷層落差、斷層面傾角、大斷層阻擋、多條斷層疊加、探測盲區、聲波干擾、煤層褶曲、檢波器二次諧振等，特別是在斷層探測中，如果斷層走向與觀測系統測線方向的角度過大（即近工作面傾向斷層），檢波器難以接收到有效的反射槽波信號，而如果探測區域淺部存在落差大于煤層厚度斷層，其深部的反射界面信息會由于槽導性的缺失而難以探明，所以，觀測系統的合理布置和反射槽波的數據處理至關重要[20-21]。

2 2313工作面概述及觀測系統布置

2.1 工作面概況

2313 工作面設計走向長度1 170 m，切眼寬225 m，主采煤層為3#煤層，煤層平均厚度為5.3 m，為穩定可采煤層。該工作面在23133 巷揭露了1 條向工作面內延伸的名為SF315的正斷層，該斷層斷距18 m，傾角30°~40°，傾向300°左右，但該斷層在已圈成的工作面其他巷道中并未出現，說明該斷層在工作面內部尖滅，礦方為準確掌握該斷層的延伸發育位置，決定利用槽波地震勘探主要針對該斷層進行探測。

2.2 槽波勘探觀測系統布置

針對2313 工作面的實際情況，利用工作面2 條巷道全部布置檢波器與放炮點，通過雙邊收發透射與雙邊收發反射針對SF315斷層進行探測。

2313 工作面槽波反射觀測系統設計圖如圖2。在23131 巷和23133 巷布置檢波器和放炮激發點，共布置了50 道雙分量檢波器（圖2 中●表示），檢波器道間距為20 m，61 個放炮激發點（圖2 中×表示），激發點炮間距為20 m，單孔藥量為200 g，炮檢距為10 m；測線長度（放炮激發點與檢波器的橫向布 置 距 離）23131 為560 m，23133 為630 m；從23131 巷開始逐炮激發接收數據。

圖2 2313 工作面槽波反射觀測系統設計圖

3 2313工作面槽波數據處理分析

2313 工作面槽波地震勘探使用儀器為德國DMT 公司的Summit ⅡEx 防爆槽波地震儀，該儀器檢波器安裝在工作面鉆孔之中，利用皮囊充氣技術使檢波器與孔壁達到較為理想的耦合狀態，從而提高了原始數據的質量。通過對采集的所有的放炮激發點的原始單炮記錄進行反射槽波的疊加偏移成像和槽波透射能量衰減系數層析成像處理。

3.1 槽波反射法

利用同1 條巷道布置的檢波器和放炮激發點獲取原始單炮記錄，對槽波信號進行AGC 增益和濾波處理，收集有效的反射槽波信息。再進行CMP 包絡疊加、時深轉換以及相位偏移等方法對數據進行處理，最終形成槽波反射界面圖，并結合實際情況找出清晰有效的同相軸界面，最終分析確定同相軸反射界面的構造類型性質。

本次槽波探測的第20 炮單炮反射記錄如圖3，是選取比較典型的槽波反射單炮記錄。其反射槽波共同特征為：接收到的反射槽波能量強，速度低，根據透射槽波的旅行時和炮檢偏移距計算槽波速度在880 m/s 左右，頻率相對較高，通過主頻分析反射槽波頻率主要集中在140~200 Hz。從圖3 可以看出，單炮記錄上反射槽波信息非常豐富，說明探測區域可能存在多個反射界面。

圖3 第20 炮單炮反射記錄

23131 巷反射圖如圖4。可以清晰看到F1同相軸反射界面與SF315斷層下盤巷道揭露位置極為吻合，可以推斷此界面即為SF315斷層下盤反射界面，且在停采線附近斷層尖滅（同相軸逐漸消失）。

圖4 23131 巷反射成果圖

23133 巷反射圖如圖5。圖5 中有2 條較為清晰的同相軸，命名為F2和F3，F2與23131 巷的相交位置在SF315斷層下盤23131 巷揭露位置以西35 m 左右，根據SF315斷層的斷距，傾角和傾向等要素可以計算出理論上SF315斷層上盤與23131 巷空間立交位置應在30 m，基本與F2同相軸位置相同，基本可以確定F2同相軸應為SF315斷層的上盤反射界面。

圖5 23133 巷反射成果圖

23133 巷反射F2同相軸相對于F3同相軸為深部反射信息，槽波傳播過程中會先經過F3，F3反射界面對槽波傳播速度和能量產生影響，槽波在經過F3之后再遇到F2反射界面就可能會受上述影響而出現同相軸實際位置發生偏移或缺失等情況，另外結合F1同相軸的延伸位置也可以輔助分析F2與F3的同相軸延伸情況。

將2 條巷道的反射界面疊加，依上下盤斷層圖例標識出SF315斷層的探測位置（圖6）。

圖6 2313 工作面槽波勘探成果圖

3.2 槽波透射能量衰減系數層析成像法

利用2 條不同的巷道分別布置的檢波器和放炮激發點獲取原始單炮記錄，對槽波信號進行主頻分析和濾波處理，突顯出透射槽波，并對信噪比較高的各道槽波數據進行相對振幅拾取，通過振幅比值計算其衰減系數，最終進行層析成像，衰減系數大的區域代表地質構造異常影響，衰減系數小的區域代表煤層正常[1-3]。

橫向屏蔽作用射線示意圖如圖7。受觀測系統的局限性，槽波透射法探測時，工作面內部如存在近走向型的較大斷距斷層，會對槽波信號的接收產生橫向的類似屏蔽作用，在層析成像中就會出現大片區域的探測異常，縱向分辨率很低，但橫向分辨率則不受影響。2313 工作面的SF315斷層走向30°左右，傾向30°~40°，斷距18 m，平均煤厚5.3 m，完全斷開煤層，為工作面內的近走向斷層，2313 工作面槽波透射能量衰減系數層析成像如圖8。大片區域的能量衰減異常區，在縱向上幾乎無法分辨，但在橫向上與反射的斷層探測結果互相照應，由于斷層兩端尖滅處，斷距變小，不能完全起到屏蔽作用，所以會有部分出入，但整體橫向對應效果仍然較好。

4 2313工作面鉆探物探成果對比

針對2313 工作面物探成果，在2 條巷道施工了4 個鉆孔進行鉆探驗證，在23131 巷和23133 巷分別施工了2 個鉆孔，由于鉆孔孔深較長，礦方為了保證探測準確性，對這4 個鉆孔進行了測斜，終孔探測位置如圖9。

圖7 橫向屏蔽作用射線示意圖

圖8 透射能量衰減系數CT 成像圖

圖9 鉆探物探成果對比圖

圖9 中1#鉆孔用以探測F1斷層的賦存情況，在126 m 處揭露F1斷層，與探測的F1斷層賦存位置偏差為6 m；2#～4#鉆孔用以探測SF315斷層的賦存情況，2#鉆孔在101 m 處揭露了SF315斷層，與槽波探測結果位置偏差為5 m，3#鉆孔在56 m 處揭露了SF315斷層，位置偏差為4 m，4#鉆孔在100 m 處揭露了SF315斷層，位置偏差為8 m。從驗證結果來看，F1斷層與SF315斷層槽波探測結果與實際驗證結果偏差不超過10 m，斷層賦存位置探測結果很精確，SF315斷層在向工作面內部延伸過程中與探測結果相對比更靠近23131 巷一些。

根據最終的探測成果，礦方在進行鉆探驗證之后，決定將工作面整體停采線位置前移至23131 巷SF315斷層探測結果上盤位置前20 m 處，并根據實際探測結果設計了SF315斷層以北工作面區域的局部回采方案，此次槽波反射探測結果為礦井生產提供了關鍵性的指導作用。

5 結 論

1）礦井工作面內發育的大斷距的斷層，由于其上下盤平面間距已無法忽略，可利用兩側巷道雙向探測斷層的上下盤反射界面，能夠達到高精度控制此類斷層的要求，從而為礦井的高效生產進行精確有效的指導。

2）在槽波反射法勘探過程中，受觀測系統的局限，在測線邊界的CMP 疊加包絡同相軸偏移較大，可靠程度較低，難以精確探測測線邊界的同相軸延伸情況，可以利用槽波透射能量衰減系數CT 成像技術橫向上的高分辨率對邊界異常范圍進行控制，綜合分析斷層的具體延伸位置，現今的地球物理勘探技術方法已逐漸由單一手段方法向多種手段多種方法綜合探測模式發展，而這種綜合探測技術也必將成為主流。

3）當存在2 條以上斷層時，利用槽波反射法探測時，槽波傳播過程中經過淺部斷層會改變槽波的速度和能量，從而使深部斷層的探測結果發生改變，如同相軸發生偏移，或無法得到清晰的同相軸。當前理論認為槽波經過斷層時會發生折射和反射，折射過程中經過煤巖層交界，會使槽波速度增大，這就造成了上述探測的偏差，但定性的解釋無法校正速度變化帶來的偏差，槽波在經過各類構造速度的變化規律必然是槽波反射法探測研究的重點。