利用多波多分量地震技術超前探測隱伏小斷層*

羅壽濤，唐申強，郭 璐

(1.韓城礦業有限公司地質測量部，陜西 韓城 715400；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.韓城礦業有限公司象山礦井地質測量部，陜西 韓城 715400)

0 引言

在礦井生產中，隱伏于掘進工作面前方的小斷層是誘發突水、煤與瓦斯突出、冒頂等地質災害的主要不良地質構造[1-5]。由于小斷層規模小，隱蔽性強，勘查難度大，在地面采區勘探階段很難探明其空間位置。因此，需要在巷道掘進階段采用超前探測手段對小斷層進行及時準確的預測預報，以便提前采取安全措施，確保礦井安全高效生產。根據預報手段的不同，巷道超前探測一般分為地質類方法(地質調查法)、物探類方法(地震波反射法、地質雷達、直流電法、瞬變電磁、紅外探水)和鉆探類方法(超前鉆探、釬探)。地質類方法是通過技術人員對地質經驗的認識來進行預測預報，預報距離短，準確度不高，一般僅作為輔助預報手段使用，在工程實踐中很少單獨采用；鉆探類方法預報結果直觀可靠，但鉆探作業成本高，需要長時間占用掘進工作面，對巷道施工進度影響大，通常作為其他預報方法的驗證手段；物探類方法具有快速、經濟、無損探測的優勢，是當前礦井超前探測領域的研究熱點[6-11]。在物探方法中，電磁類方法(直流電法、瞬變電磁)對圍巖的富水性非常敏感，一般用于礦井水害的預測預報，對于含水性弱的地質構造探測效果較差；地震波反射法具有探測距離遠，異常界面定位準確，不受井下金屬、電流干擾的優點，是煤礦井下探測地質構造成效十分顯著的一種物探方法。礦井反射地震超前探測一直以來是地球物理學界的熱點和難點，長期以來吸引了很多學者的關注，也取得了許多豐碩的研究成果。蔡英康[12]將隧道廣泛使用的TSP地質超前預報系統引入煤礦巷道的超前探測中，實現了對斷層的準確預報。劉盛東[13]基于多次覆蓋觀測系統的地震反射波探測技術，提出了礦井巷道前方地質構造探測的MSP技術。胡運兵[14]，梁慶華[15]，李云波[16]將多波多分量地震勘探理論應用到煤礦井下地質構造的超前探測中，并在巷道前方陷落柱、斷層、裂隙破碎帶等不良地質構造的預報上取得了顯著成效。文中以韓城礦區象山礦井某掘進巷道為例，介紹了基于多波多分量的地震超前探測技術在小斷層探測中的應用效果。

1 多波多分量地震超前探測理論

1.1 基本原理

多波多分量地震超前探測屬于反射地震勘探范疇，是以地下介質的彈性差異為基礎，利用人工激發的地震波在不均勻地質體中所產生的反射波和轉換波特性來預報巷道前方斷層、巖石破碎帶或巖溶陷落柱等不良地質構造的位置和規模。探測時在巷道側幫沿一條直線布置24個炮點，采用少許炸藥激發產生地震波，地震波在煤巖體中以球面波的形式傳播，當遇到煤巖體中的波阻抗差異界面(斷層、裂隙破碎帶、巖溶陷落柱等地質構造)時地震波將產生反射和波型轉換，并以回波的形式反射回來被布置在接收點的高精度三分量檢波器接收。由于反射回來的反射波和轉換波都攜帶有巷道前方巖層的信息，因此能夠用于巷道前方地質構造的超前探測，其探測原理如圖1所示。

圖1 多波多分量地震超前探測原理示意

以縱波為例，在煤巖體中縱波的傳播速度可通過測量縱波從炮點傳播到接收點的旅行時間確定。

(1)

式中，VP為縱波速度，m/s;X1為炮點至檢波點的距離,m;T1為縱波從炮點傳播到檢波點的旅行時間,s。

根據圖1所示的幾何關系可知，檢波點至反射界面的距離可表示為

X3=X1+X2

(2)

式中，X3為檢波點至反射界面的距離,m;X2為炮點至反射界面的距離,m。

在求取了縱波速度VP之后，檢波點至反射界面的距離可以通過測量反射波的旅行時間來確定。

(3)

式中，T2為反射縱波的旅行時間,s;α為反射界面與巷道軸線的夾角,rad。

當反射界面與巷道軸線正交時，即α=90°，方程(3)可簡化為下式

(4)

轉換波的探測原理與縱波基本一致，不再贅述。

1.2 解釋原則

多波多分量地震超前探測采用三分量檢波器，可以同時采集X、Y、Z這3個分量的地震信號，在數據處理過程中通過波場分離和反射波提取獲得一個縱波(P波)數據和2個轉換橫波(SH波、SV波)數據，分別對縱波和轉換橫波進行深度偏移和反射界面提取，最終得到縱波和轉換橫波的反射界面空間分布圖。在資料解釋過程中一般遵循以下原則：①反射振幅越強，表明反射界面兩側巖層的波阻抗差異越大；②正反射振幅代表正的反射系數，指示巖層由軟弱變為堅硬；負反射振幅代表負的反射系數，指示巖層由堅硬變為軟弱；③若S波反射比P波強，則表明巖層飽含水；④若VP下降，則表明巖體裂隙密度或孔隙度增加。

2 現場應用

2.1 礦井地質概況

韓城礦區象山礦井某掘進巷道設計方位270°，長度2 250 m，煤層底板高程+108～+144.7 m，地表地形為階地、卯梁、溝坎，巷道對應地表高程+679.6～+777.4 m。該區可采煤層為5#～1#煤層，煤層結構復雜，含1～2層泥巖夾矸，夾矸厚度0.1～0.4 m，煤層含夾矸1.8～4.5 m，平均厚度2.6 m，屬較穩定的中厚煤層。5#～1#煤層呈走向NNW，傾角SWW，傾角4°左右的單斜構造，巷道沿傾向有寬緩的起伏變化，預計有落差1～3 m的隱伏小斷層發育。在巷道掘進過程中，為了準確探查隱伏小斷層的發育位置，采用了多波多分量地震超前探測技術進行超前預報。

2.2 探測結果

圖2是多波多分量超前探測的反射界面分布圖。橫坐標表示探測距離，即反射界面距掘進工作面的水平距離；縱坐標表示探測半徑，即反射界面在垂直方向的分布范圍。對P波、SH波和SV波反射界面的分布位置和極性進行統計，結果見表1。

圖2 反射界面分布

由表1可知，P波、SH波和SV波反射界面分別位于掘進工作面前方53～60 m、57～62 m和51～65 m，且都以負反射界面開始，正反射界面結束。結合地質資料，推測掘進工作面前方51～65 m可能發育隱伏小斷層或裂隙破碎帶。

表1 反射界面統計

3 現場驗證

后期巷道掘進過程中，在掘進工作面前方55 m處開始掘露DF2斷層，該斷層為一正斷層，傾角68°～70°，落差2 m，走向幾乎與巷道垂直，斷層破碎帶沿巷道延伸約10 m，在掘進工作面前方65 m煤巖層由破碎變為完整，斷層影響帶結束。DF2斷層在地表三維地震勘探中并未發現，為一隱伏小斷層。巷道實際掘露情況與多波多分量地震超前探測的結果基本一致。

4 結語

多波多分量地震超前探測由于充分利用了縱波和轉換橫波的信息，具有信息量豐富的特點。在資料解釋過程中，P波、SH波和SV波的探測結果可以相互補充，相互驗證，大大提高探測的準確度。在韓城礦區象山礦井的應用結果表明，隱伏小斷層及其破碎帶在密度和速度上與完整煤巖層具有明顯的差異，具備地震波探測的物性基礎，隱伏小斷層在P波、SH波和SV波的反射界面圖上均表現為以負反射開始，正反射結束的地震響應特征。多波多分量地震超前探測技術是煤礦井下非常實用的地質構造探測技術，可以有效解決掘進工作面前方隱伏小斷層的預測預報問題。