槽波地震“透射-反射”聯(lián)合法在回采工作面地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

趙璐璐,李東亮,焦 陽(yáng),竇文武

(1.山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046605; 2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

華北煤田地質(zhì)條件較復(fù)雜,斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造分布廣泛、發(fā)育眾多,還存在相互伴生的情況。地質(zhì)構(gòu)造不但破壞了煤層與圍巖的原始結(jié)構(gòu)關(guān)系,還極易在煤層承壓區(qū)域形成導(dǎo)水通道,誘發(fā)透水事故。因此,回采工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確探查對(duì)保障煤礦安全高效生產(chǎn)十分關(guān)鍵[1-4]。

槽波地震勘探具有傳播距離遠(yuǎn),抗干擾能力強(qiáng),異常分辨率高等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)下備受關(guān)注的物探方法之一。但是,以往的槽波探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)布置方法單一,異常圈定范圍較大,且無(wú)法定性,容易造成誤報(bào)或漏報(bào)。

因此,擬采用槽波地震“透射-反射”聯(lián)合法進(jìn)行采面地質(zhì)構(gòu)造綜合探測(cè),再結(jié)合相關(guān)地質(zhì)信息、其他鉆物探成果,進(jìn)行綜合解釋,保證工作面安全回采。

1 槽波探測(cè)原理與方法

在煤層中激發(fā)的地震波以球面形式向周?chē)鷶U(kuò)散,部分能量由于頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層之中,不向頂?shù)装鍘r層“泄漏”,在煤層通道中相互疊加、干涉,形成槽波,槽波地震勘探就是利用槽波來(lái)探查地質(zhì)構(gòu)造的一種地球物理勘探方法[5-7]。

1.1 槽波地震透射法勘探

利用槽波地震透射法進(jìn)行勘探,炮點(diǎn)布置在工作面的一條巷道,檢波器布置在工作面的另一條巷道,接收來(lái)自炮點(diǎn)激發(fā)的地震透射波信息,其方法原理如圖1所示。

圖1 槽波透射法勘探原理示意圖Fig.1 In-seam seismic transmission method

透射法探測(cè)簡(jiǎn)單靈活,槽波數(shù)據(jù)處理與解釋相對(duì)容易,不僅探測(cè)范圍大且準(zhǔn)確率高,還可為反射法數(shù)據(jù)處理和資料解釋提供速度參數(shù)。實(shí)踐證明,當(dāng)夾矸厚度小于煤層總厚的30%時(shí),對(duì)透射槽波無(wú)明顯影響;當(dāng)厚度為3.5 m左右的煤層,最大透距可以達(dá)到1 000 m以上。

1.2 槽波地震反射法勘探

利用槽波地震反射法進(jìn)行勘探,炮點(diǎn)與檢波器布置在工作面的同一條巷道內(nèi),接收來(lái)自工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造(主要為走向斷層)的地震反射信號(hào),其方法原理如圖2所示。

圖2 槽波反射法勘探原理示意圖Fig.1 In-seam seismic reflection method

受煤層厚度、斷層落差、橫向巖石物性差異、破碎帶范圍及槽波頻率的影響,反射槽波的能量一般較弱。當(dāng)煤層厚度中等、煤層夾矸厚度小于煤層厚度30%、斷層落差大、斷層面與煤層的夾角≥40°、反射界面走向與觀測(cè)系統(tǒng)排列夾角小于30°～40°,并且透射槽波可提供可靠速度參數(shù)時(shí),反射法探測(cè)范圍為煤厚的100～200倍,探測(cè)落差大于1/2煤厚的斷層較可靠。

2 槽波“透射-反射”聯(lián)合法勘探實(shí)例

2.1 工作面探測(cè)方案

晉煤集團(tuán)趙莊煤礦3311工作面順槽長(zhǎng)度1 060 m,工作面切眼寬250 m,開(kāi)采3#煤層,平均厚度5 m。巷道掘進(jìn)過(guò)程中,揭露1處陷落柱,另外,受三維地震勘探的局限性,采面內(nèi)還可能賦存有其他隱伏性陷落柱、斷層、煤體破碎區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)等。

因此,為精確查明3311工作面內(nèi)部的地質(zhì)異常情況,保障工作面安全開(kāi)采,展開(kāi)槽波地震“透射-反射”聯(lián)合法勘探[8]。本次探測(cè)在33102巷及33111巷布置炮孔95個(gè),炮孔間距20 m；在33102巷及33111巷布置檢波器孔97個(gè),間距20 m。具體布置方式如圖3所示。

圖3 3311工作面槽波觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design of in-seam seismic observation system of No.3311 working face

2.2 槽波原始數(shù)據(jù)分析

圖4為本次槽波透射法探測(cè)中比較典型的單炮記錄。其槽波特征為:能量較強(qiáng),速度較低，頻率較高,埃里相特征明顯,部分區(qū)域存在能量衰減。

圖4 槽波透射法典型單炮記錄Fig.4 Single shot record with in-seam seismic transmission method

圖5為本次槽波反射法中比較典型的單炮記錄。其槽波特征為:反射槽波到達(dá)時(shí)間在直達(dá)槽波之后,能量弱,速度低,另外,反射槽波的存在說(shuō)明了探測(cè)區(qū)域內(nèi)異常界面的存在,反之亦然。

圖5 槽波反射法典型單炮記錄Fig.5 Single shot record with in-seam seismic reflection method

2.3 槽波地震透射法勘探結(jié)果

槽波地震透射法包括速度分析和能量分析。

槽波速度法分析。通過(guò)采集數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的加載、激發(fā)延時(shí)校正、濾波、自動(dòng)增益控制、時(shí)頻分析等處理流程,對(duì)透射槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,得出探測(cè)范圍內(nèi)的槽波速度,采用CT層析成像方法繪制速度云圖,之后,根據(jù)速度層析成像圖中速度變化特征推斷地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)異常。

槽波能量法分析[9]。數(shù)據(jù)處理流程主要包括地震數(shù)據(jù)導(dǎo)入、觀測(cè)系統(tǒng)加載、槽波數(shù)據(jù)分析、地震數(shù)據(jù)編輯、槽波數(shù)據(jù)批處理、槽波參數(shù)提取及能量衰減系數(shù)層析成像等。根據(jù)能量衰減系數(shù)層析成像圖中槽波能量的變化特征,推斷地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育位置和影響范圍。

本次槽波透射數(shù)據(jù)采用能量法進(jìn)行分析,圖6為本次3311工作面槽波透射法能量CT成果圖,暖色區(qū)域表示能量衰減嚴(yán)重區(qū)域,推斷為地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)異常影響,結(jié)合巷道掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)際揭露構(gòu)造情況及相關(guān)地質(zhì)信息,共圈定一個(gè)異常區(qū),命名為CBX1,推斷為陷落柱影響所致。

2.4 槽波地震反射法勘探結(jié)果

槽波地震勘探數(shù)據(jù)處理基于SPW地震數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)[10],主要包括如下處理流程。

1)數(shù)據(jù)錄入。將本次采集到單炮記錄輸入SPW軟件。

2)觀測(cè)系統(tǒng)加載。依據(jù)炮點(diǎn)和檢波器位置建立反射法觀測(cè)系統(tǒng),并加載至SPW軟件。

3)延時(shí)校正。本次放炮采用的是一段雷管,存在0～35 ms的延時(shí)誤差。

圖6 3311工作面槽波透射法能量CT成果圖Fig.6 Energy CT result of in-seam seismic transmission method of 3311 working face

4)增益和濾波。本次槽波主頻集中在150～250 Hz,通過(guò)調(diào)用220 ms的AGC窗口進(jìn)行增益,再利用相關(guān)濾波器進(jìn)行處理,可以有效凸顯反射槽波。

5)速度分析。通過(guò)直達(dá)槽波走時(shí)和偏移距的關(guān)系計(jì)算出本次探測(cè)區(qū)域槽波速度約1 100 m/s。

6)包絡(luò)計(jì)算。強(qiáng)化相間地震道的相干性。

7)包絡(luò)疊加。提高數(shù)據(jù)信噪比,突出反射震相界面。

8)時(shí)深轉(zhuǎn)換和相移偏移。結(jié)合槽波速度及相關(guān)偏移算法歸位異常位置[11-12]。

圖7為本次3311工作面兩條順槽巷道的槽波反射結(jié)果對(duì)比圖。圖中巷道及異常界面的反射同相軸相對(duì)清晰,且異常位置近乎吻合,結(jié)合巷道掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)際揭露構(gòu)造情況及相關(guān)地質(zhì)信息,推斷33102巷的反射界面CBF1和33111巷的反射界面CBF1為同一走向斷層影響;33102巷的反射界面CBF2、CBF3和33111巷的反射界面CBF2為同一走向斷層的影響;33111巷的反射界面CBF3為33102巷揭露陷落柱對(duì)槽波反射信號(hào)的繞射影響,為假異常。

(a)33102巷反射結(jié)果圖

(b)33111巷反射結(jié)果圖圖7 3311工作面槽波反射法速度分析結(jié)果圖Fig.7 Speed analysis of in-seam seismic reflection method of 3311 working face

2.5 綜合探測(cè)結(jié)果分析

綜合槽波“透射-反射”聯(lián)合法探測(cè)結(jié)果,再結(jié)合采面相關(guān)地質(zhì)資料,共圈定1個(gè)陷落柱(ZHX1)和2條走向斷層(ZHF1、ZHF2),如圖8所示。

圖8 3311工作面槽波“透射-反射”聯(lián)合法探測(cè)結(jié)果圖Fig.8 Exploration result with in-seam seismic “transmission-reflection” method on 3311 working face

3 槽波“透射-反射”聯(lián)合法探采對(duì)比

目前,3311工作面已回采結(jié)束,回采過(guò)程中,除揭露JX113陷落柱外,還揭露2條斷層,f889(斷距1～5 m)和f891(斷距0.8～1.8 m)。回采揭露的陷落柱在透射成果中探測(cè)效果良好,陷落柱JX113(直徑為30 m)的影響區(qū)域控制在ZHX1圈定范圍內(nèi),控制陷落柱的影響區(qū)域整體偏差小于20 m;回采揭露的f889斷層、f891斷層的發(fā)育位置和延伸情況與ZHF1、ZHF2吻合程度較高。需要說(shuō)明的是,走向斷層的小斷距(1.5 m以下)區(qū)間在槽波探測(cè)結(jié)果中反應(yīng)不太明顯。

綜上所述,本次槽波“透射-反射”聯(lián)合法探測(cè)結(jié)果與回采實(shí)際揭露情況基本相符,整體探測(cè)效果良好,不僅可以通過(guò)槽波透射法圈定出陷落柱及其影響范圍,而且可以通過(guò)槽波反射法較準(zhǔn)確地畫(huà)出走向斷層的發(fā)育方向和延伸范圍,對(duì)礦井采面的安全回采具有重要指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

1)槽波地震透射法探測(cè),對(duì)回采工作面內(nèi)陷落柱的反應(yīng)良好,依據(jù)透射法探測(cè)結(jié)果,并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料,可以準(zhǔn)確控制陷落柱發(fā)育位置及范圍,且偏差小于20 m。

2)槽波地震反射法探測(cè),對(duì)采面內(nèi)走向型斷層的反應(yīng)良好,依據(jù)反射法探測(cè)結(jié)果,可以找到采面內(nèi)斷距大于1.5 m的近走向型斷層的發(fā)育位置及延伸長(zhǎng)度。

3)利用槽波地震“透射-反射”聯(lián)合法進(jìn)行回采工作面地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)化探測(cè),可以有效提高直徑30 m以上陷落柱和斷距大于1.5 m近走向斷層的探測(cè)準(zhǔn)確率至80%以上,為礦方生產(chǎn)安全提供地質(zhì)保障。