地震槽波斷層探測觀測系統設計和數據解譯技術

張萬鵬，李松營，姚小帥，金明方，廉 潔，趙紅利

（1.河南能源化工集團研究總院有限公司，河南 鄭州 450046；2.貴州能發高山礦業有限公司，貴州 畢節 551500；3.義馬煤業集團股份有限公司，河南 義馬 472300）

斷層不僅改變煤層賦存條件，使得煤層穩定性變差，影響煤礦生產效率；而且與水害、瓦斯、沖擊地壓、頂板事故等多種災害密切相關，是影響煤礦安全高效生產的主要隱蔽致災地質因素之一。斷層可以形成儲水構造，一旦揭露就可能導致水災事故；斷層能夠破壞煤層底板隔水層的完整性，減弱隔水層的隔水性能，降低其抗水壓能力，增加底板突水的風險，甚至溝通含水層，當井巷工程揭露斷層時易發生突水事故[1-2]；斷層帶往往導致瓦斯異常分布，封閉性的斷層易造成瓦斯積聚，是瓦斯治理的重點區段[3-5]；斷層破壞了煤層頂板的完整性，給頂板管理和巷道支護帶來困難，易造成頂板事故，也是礦壓和地應力的集中區，和沖擊地壓密切相關[6-7]。

目前，煤礦常用的斷層探測物探方法主要有地面三維地震勘探、井下無線電波坑透和地震槽波勘探等。其中，地面三維地震勘探由于距探測目標遠，受地形影響大，對小型斷層探測分辨率有限，特別是在丘陵、山區等地形條件復雜區域的探測效果欠佳；井下無線電波坑透易受電磁干擾、探測距離較小、僅能采取透射法探測工作面內部斷層，無法探測工作面相鄰外部區域斷層等，在實際應用中探測效果也不夠理想。

井下地震槽波探測技術主要利用在煤層中激發、形成和傳播的地震槽波探測煤層厚度、構造、陷落柱、采空區等礦井隱蔽致災地質因素，槽波具有只在煤層中傳播、能量強、波形特征易于識別、攜帶信息豐富、探測距離長，分辨精度高、受外界因素干擾小等優點，既能探測工作面內部的斷層也能探測外部的斷層，是用于井下斷層探測的較理想、近10 年來發展較快的礦井物探手段[8-11]。

近10 年來，國內許多高校、科研院所、煤炭企業等開展了大量井下地震槽波斷層探測的理論和實踐研究，取得了許多有價值的科研成果，為開展井下斷層探測奠定了理論基礎、積累了實踐經驗[12-14]。地震槽波勘探是個系統工程，其中，觀測系統設計和數據解譯方法的選擇對勘探成果的好壞起著關鍵作用。科學的觀測系統設計不僅需要根據目標體特點選擇合適的探測方法，還應充分考慮測區地質條件和施工條件，合理確定炮間距、道間距和炮檢距，布置炮檢點位置，以便獲取更多有效探測數據，突出工作重點，提高工作效率等。因此，開展根據斷層位置、產狀及探測目的的觀測系統設計和適宜數據解譯方法選擇的研究對提升斷層探測效果意義重大。為此，總結斷層探測實際情況，分工作面內部斷層、外部斷層和其他情況概化建立了10 種典型觀測系統模型，闡述了對應的數據解譯方法，并挑選2 個典型斷層探測實例圍繞觀測系統設計和數據解譯進行了具體說明，為地震槽波探測斷層觀測系統設計和數據解譯方法的選擇提供參考。

1 觀測系統和數據解譯方法概述

地震槽波勘探觀測系統包括探測方法、炮檢點的相對位置、以及炮間距、炮檢距和道間距等。常用的探測方法有透射法、反射法和透、反射法相結合的探測方法等3 種。在地震槽波勘探中，不僅要根據斷層位置和產狀的不同，選擇合適的探測方法，科學布置炮檢點位置，還要結合實際工作需要，選擇合理的道間距、炮檢距、炮間距等。

常用的地震槽波斷層探測數據解譯方法有共中心點疊加法、偏移成像法、槽波速度分析法和射線質量評價法等。

1）共中心點疊加法。通過濾波、包絡計算、動校正、靜校正和共中心點疊加等數據處理手段，繪制共中心點疊加剖面圖，追蹤圖中埃里相同相軸，預測斷層位置。

2）偏移成像法。通過分析原始數據，確定反射槽波到達時間和速度，計算反射槽波的旅行距離，可以確定1 個以震源和檢波點為2 個焦點的唯一橢圓。對所有道數據均采用偏移成像法后，可以繪制很多個橢圓，這些橢圓包絡軌跡的切線位置即為反射界面位置。與共中心點疊加法相比，偏移成像法的優勢在于適用于解譯與測線大角度相交的斷層，且偏移成像法利用原始反射槽波，操作簡單直觀，易于理解。

3）槽波速度分析法。槽波速度變化與煤厚密切相關，煤層越厚槽波速度越低，主頻越向低頻方向偏移。斷層是造成煤厚快速變化的主要因素之一，也常是應力集中區域，在槽波速度分布圖上往往表現為高速。對采集的每道槽波數據進行頻散分析后，便可獲得選定頻率下槽波速度，再對其進行層析成像便可獲得工作面槽波波速分布圖，結合地質分析，便可以能夠預測斷層位置。

4）射線質量評價法。當煤層中存在落差小于煤厚的斷層，透射槽波埃里震相較清晰、頻散曲線連續、質量較好；當煤層中存在落差大于煤厚的斷層時，所采集數據不存在埃里震相清晰的透射槽波或透射槽波及頻散曲線被干擾、難以辨認、槽波質量較差。在數據分析過程中，通過觀察原始數據和頻散分析等，逐道辨析采集數據的槽波數據質量，依據槽波數據質量的好壞將槽波射線以不同顏色分別用射線交匯的方法繪制在平面圖上，綜合已揭露的斷層信息、煤層厚度以及槽波質量等，即可預測斷層位置和落差變化情況。

2 觀測系統模型與數據解譯方法

總結常見的地震槽波斷層探測情況，根據斷層位置、產狀和探測目的等，將觀測系統分為工作面內部斷層探測、外部斷層探測和其他情況3 大類，概化建立了10 種觀測系統模型。這些觀測系統模型是在總結典型實際勘探案例并經高度概化后所建立，實際情況往往較為復雜，在應用過程中應綜合分析斷層位置、產狀和探測目的，并結合工作面巷道布置、煤厚、煤層賦存和構造發育情況等，對照選取1 種或綜合多種觀測系統模型進行觀測系統設計，并選取適宜的數據解譯方法。

2.1 工作面內部斷層

2.1.1 位置差異

基于斷層位置差異的觀測系統設計如圖1。

圖1 基于斷層位置差異的觀測系統設計Fig.1 Observation system design based on fault location

1）圖1（a）中工作面內部靠近運輸巷區域沿工作面走向發育1 條斷層，與運輸巷距離較近，位于探測盲區內。勘探采用反射法，選擇軌道巷作為施工區域，在軌道巷內側幫間隔布置炮點和檢波點。數據解譯采用共中心點疊加法。

2）圖1（b）中工作面內部靠近中間位置沿工作面走向發育1 條斷層，與兩巷距離相當，位于勘探盲區以外，軌道巷和運輸巷均可作為施工巷道。勘探采用反射法，綜合分析地質條件和施工條件，選擇在軌道巷或運輸巷其中1 條巷道內側幫間隔布置炮點和檢波點。數據解譯采用共中心點疊加法。

2.1.2 與施工巷道夾角

基于斷層走向與施工巷道夾角差異的觀測系統設計如圖2。

圖2 基于斷層走向與施工巷道夾角差異的觀測系統設計Fig.2 Observation system design based on angle differences of fault strike and roadway direction

1）圖2（a）中工作面內部發育1 條走向與施工巷道成小角度相交的斷層（0°～45°）。勘探采用反射法探測方法，在運輸巷內側幫間隔布置炮點和檢波點。數據解譯采用共中心點疊加法。

2）圖2（b）中工作面內部發育1 條走向與施工巷道成大角度相交的斷層（45°～90°），勘探采用反射法，在軌道巷內側幫布置炮點，在運輸巷內側幫間隔布置炮點和檢波點，運輸巷布置的檢波器分別接收兩巷震源激發產生的直達槽波，和遇到斷層界面產生的反射槽波。數據解譯采用偏移成像法。

2.1.3 斷層落差

基于斷層落差的觀測系統設計如圖3。

1）圖3（a）中工作面內部發育1 條斷層，落差大于煤厚。勘探采用反射法，在軌道巷內側幫間隔布置炮點和檢波點。由于斷層落差大于煤厚，煤層波導被完全阻斷，炮點激發產生的槽波經斷層界面反射后到達檢波點，能夠采集到能量較強的反射槽波數據。數據解譯采用共中心點疊加法。

圖3 基于斷層落差的觀測系統設計Fig.3 Observation system design based on fault throw differences

2）圖3（b）中工作面內部發育1 條斷層，落差小于煤厚。勘探采用反射法和透射法相結合的探測方法，在軌道巷內側幫間隔布置炮點和檢波點，在運輸巷內側幫布置炮點。由于斷層落差小于煤厚，運輸巷炮點激發產生的槽波到達斷層界面后，僅有部分被反射到達檢波點，所采集的反射槽波能量較弱。軌道巷炮點激發產生的槽波能夠穿過斷層區域被運輸巷檢波器接收，但槽波在經過斷層區域時波速和槽波質量將發生變化。數據解譯方法采用共中心點疊加法、槽波速度分析法和射線質量評價法。

3）圖3（c）中工作面切眼實際揭露1 條落差遠大于煤厚的斷層，經地質分析，預測該斷層向工作面內部延伸，且落差不斷減小，A 點位置斷層落差與煤厚相等。A 點附近區域往往是煤礦生產中重點關注區域。勘探采用透射法與反射法相結合的探測方法，在軌道巷內側幫布置炮點，在運輸巷內側幫間隔布置炮點和檢波點，并在A 點附近對應兩巷區域加密炮點和檢波點數量。數據解譯采用共中心點疊加法、槽波速度分析法和射線質量評價法。

2.2 外部斷層

工作面外部斷層探測觀測系統設計如圖4。圖4工作面運輸巷外部發育1 條斷層。勘探采用反射法，在運輸巷外側幫間隔布置炮點和檢波點。數據解譯采用共中心點疊加剖面法。

圖4 工作面外部斷層探測觀測系統設計Fig.4 Observation system of external fault exploration

2.3 其他情況

特殊情況下的觀測系統設計如圖5。

圖5 特殊情況下的觀測系統設計Fig.5 Observation system design in particular case

1）圖5（a）中工作面軌道巷掘進前方發育1 條斷層，向工作面內部延伸，此時應停止掘進軌道巷，繼續掘進下巷至適宜位置后，在運輸巷內側幫間隔布置炮點和檢波點，向軌道巷方向開展反射法勘探。數據解譯采用共中心點疊加法。待上部斷層情況查清，采取超前措施后，軌道巷方可繼續掘進。

2）圖5（b）中工作面運輸巷在掘進過程中，揭露1 條斷層，預測向工作面內外部均有所延伸。勘探采用反射法，在斷層上盤側巷道外側幫間隔布置炮點和檢波點，探測斷層向工作面外部延伸情況，在斷層下盤側巷道內側幫間隔布置炮點和檢波點，探測斷層向工作面內部延伸情況。數據解譯根據斷層與施工巷道走向夾角大小采用共中心點疊加或偏移成像法。

3 勘探實例

3.1 云頂煤礦觀測

云頂煤礦11160 工作面煤層厚度平均4.0 m，工作面下方存在1 條地面三維地震勘探預測斷層DFh，預測落差6.5 m、傾角87°。由于斷層DFh落差大于煤厚，斷層位于工作面外部，走向與運輸巷走向基本一致，勘探采用反射法，在運輸巷外側幫間隔布置炮點和檢波點。勘探測區長約370 m，共設計炮點19 個，間距20 m；檢波器點19 個，間距20 m。現場施工了19 個炮孔、19 個檢波器孔。11160 工作面反射法觀測系統布置圖如圖6。本次數據處理采用了共中心點疊加法。11160 工作面反射法疊加剖面及斷層預測圖如圖7。

圖6 11160 工作面反射法觀測系統布置圖Fig.6 Observation system of ISS by reflection method in 11160 working face

圖7 11160 工作面反射法疊加剖面及斷層預測圖Fig.7 Stack section and fault prediction of 11160 working face

圖7 為按槽波速度950 m/s 校正深度后的共中心點疊加剖面，緊靠運輸巷的強震相是直達震相，隨后到達的強震相是反射震相。圖7 中右側，沿強反射槽波震相繪制的黑色實線為預測斷層位置；左側反射槽波震相不明顯，繪制黑色虛線作為推測斷層位置。后經礦方打鉆驗證，地震槽波勘探預測斷層與實揭斷層的走向基本一致，位置偏差僅3～6 m。

3.2 觀音堂煤礦觀測

觀音堂煤礦25050 工作面，煤層厚度平均3 m，煤層賦存不穩定，構造發育。上巷里段存在120 m煤厚小于1.5 m 的薄煤區，切眼發育2 條落差大于4 m 的正斷層，2 條斷層形成地壘構造，造成采場中部60 m 范圍煤層被抬升至頂部。介于該測區煤層賦存不穩定和構造發育等情況，本次勘探采用透射法與反射法相結合的探測方法，探測切眼揭露斷層向工作面內部的延伸情況。由于切眼所揭露的2 條斷層中，上方斷層距離上巷不足20 m，為上巷探測盲區，因此，反射法勘探時將炮檢點間隔布置在下巷，共設計炮孔27 個，孔距10 m，檢波器孔28 個，孔距10 m。透射法勘探在工作面上巷及切眼設計炮孔共36 個，孔距10 m，與反射法共用檢波器孔。本次勘探實際施工炮點63 個，檢波點27 個。25050 工作面槽波勘探觀測系統如圖8。

圖8 25050 工作面槽波勘探觀測系統Fig.8 Observation system of channel wave survey in25050 working face

1）反射法數據解譯。反射法數據處理采用了共中心點疊加法，25050 工作面反射槽波共中心點疊加圖如圖9。圖9 為按槽波速度1 050 m/s 校正深度后的共中心點疊加剖面，距上巷20～30 m，沿工作面走向，存在1 條反射震相（紅線），向工作面內部延伸約130 m，結合地質資料推測此反射界面為切眼揭露斷層向工作面內部的延伸；切眼中部發育的落差4 m 的正斷層，在疊加剖面中未見明顯同相軸。

圖9 25050 工作面反射槽波共中心點疊加圖Fig.9 Stack section of reflection channel wave in 25050 working face

2）透射法數據解譯。透射法數據處理采用了槽波速度成像法，25050 工作面透射槽波速度分布圖如圖10。選取185 Hz 拾取槽波旅行時，經速度層析成像，繪制槽波速度分布圖。將波速大于1 300 m/s的區域作為槽波高速區（紅色區域），高速區位于測區里段的中上部，綜合分析巷道實際揭露的煤厚、構造等資料，預測此高速區為斷層影響區域，或為煤層薄化區。

圖10 25050 工作面透射槽波速度分布圖Fig.10 Distribution of channel wave velocity in 25050 working face

綜合分析反射法和透射法成果認為，切眼上部揭露斷層向工作面內部延伸距離約為130 m，切眼中部揭露斷層向工作面內部延伸距離有限，落差逐漸變小。經回采驗證，靠近上巷斷層向工作面內部延伸距離約為146 m，與預測結果基本一致；切眼中部斷層未向工作面內部延伸，槽波高速區由煤厚變薄所致。勘探成果與實際情況較為吻合。

4 結 語

總結了常見的斷層探測情況，根據斷層位置、產狀差異和探測目的等，分工作面內部斷層、工作面外部斷層和其他情況，概化建立了10 種典型觀測系統模型，闡述了對應的數據解譯方法，并挑選2 個典型斷層探測實例，圍繞觀測系統設計和數據解譯進行了具體說明，為地震槽波探測斷層觀測系統設計和數據解譯方法的選擇提供參考。

在開展地震槽波斷層探測時，科學合理的觀測系統設計和數據解譯方法的選擇能夠有效提升探測效果；在勘探過程中應充分結合實際情況，選擇一種或綜合多種觀測系統模型設計觀測系統和選擇數據解譯方法。