透射槽波地震勘探在濟寧二號煤礦的應用*

周恒心，楊焱鈞，程繼東，姜希印，劉高強

(1.兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272071；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.山東煤礦安全監察局魯西監察分局，山東 濟寧 272000)

0 引言

兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦是年產量4 Mt/a的特大型礦井，采用綜采和綜采放頂煤工藝生產。礦井地質條件較復雜，沖刷帶、斷層較發育，是制約安全生產的主要地質因素[1-2]。目前探查井下構造應用最多的是槽波地震探測技術，可對斷層、陷落柱、煤層變薄區等地質異常體進行準確探查，具有探查精度大、距離長、波形特征易于識別等優點，經過近些年的發展，槽波地震探查技術日趨成熟[3-5]。針對濟寧二號煤礦復雜的地質構造特征，根據槽波探測應用實例，分析槽波響應特征，總結探測參數及規律，解釋沖刷帶的分布范圍及斷層延展長度，以期實現工作面地質構造的精準預測與預報。

1 槽波透射探測原理

1.1 槽波透射法

透射法是槽波探查的基本方法，是在一條順槽的炮孔中激發，另一條順槽利用檢波器接收槽波信號，通過遇到地質異常體產生的槽波能量及速度變化來探查地質構造的方法[6]，如圖1所示。透射槽波的探測距離理論可達煤厚的200～300倍。在以往的槽波探測中，實際探測距離可達1 600 m。透射槽波探測是槽波探測的重要方法之一[7]。

圖1 槽波透射法勘探示意Fig.1 Schematic diagram of trough wave transmission exploration

1.2 包絡疊加層析成像

通常情況下槽波地震信號頻率較高，這種特征在埃里震相附近尤為明顯，且透射槽波具備頻散特征、其波列的相位范圍較寬。在常規疊加處理時會因為相位的相互抵消而加大處理的難度。為解決上述問題，先對槽波波列開展包絡處理，再進行速度分析將進一步提升數據處理質量。包絡疊加是將波形序列(有正有負)改變成能量序列(只有正值)，變換后的信號在外觀上仍然保持與原來信號一致，因為只存在正相位，變換后的槽波信號頻率顯著衰減，有利于后續的處理與成像。

地震波的包絡又叫瞬時振幅，它把地震道的概念向復數域擴展。實測的地震道可看成一個復地震道在實平面上的投影，稱為實地震道；復地震道在虛平面上的投影稱為虛地震道，它與實地震道互為正交地震道，則有

c(t)=x(t)+ixi(t)

(1)

式中，c(t)為復地震道；x(t)為地震道；xi(t)為虛地震道。

故，地震道的包絡E(t)可按式(2)計算

(2)

炮孔震源激發，井下檢波器接收，根據接收到的初至旅行時數據來反演該剖面的速度分布v(x,y)或慢度S(x,y)=1/v(x,y)。假設第i個地震波的傳播路徑為Li，其旅行時為Ti，則

(3)

如圖2所示，假如離散化后的單元個數目為N。每個單元個慢度為一對應常數記為S1,S2,…,Sn。

這樣，第i個射線的旅行時表示為

(4)

根據(2)式就可以得到關于未知量Sj(j=1,2,…,N)的M個方程(i=1,2,…,M)，M個方程組合成一線性方程組為

(5)

寫成矩陣形式見式(6)

AS=T

(6)

通過求解式(6)方程組就可以得到離散慢度分布，從而實現目標區域的速度場反演成像[8]。反演離散區域示意如圖2所示。

圖2 反演離散區域示意Fig.2 Schematic diagram of inversion discrete region

2 應用實例

2.1 工作面地質概況

123上02工作面整體為一背斜構造，中部較高，兩順槽相對較低。煤層結構復雜，局部受煤層沖刷帶、斷層影響，煤層厚度變化較大，約1.08～2.5 m，平均厚度1.81 m。煤層走向為近NE向。工作面回采范圍內最大斷層落差超過10 m，在兩順槽中部均揭露煤層沖刷區，軌順揭露無煤區長度75 m，運輸順槽揭露無煤區長度145 m。

煤層的頂底板巖性均為粉砂巖，煤層與頂底板巖性的波阻抗差異較明顯，工作面槽波地震地質條件較好。

2.2 槽波探測布置

123上02工作面槽波探測沿軌道順槽布設炮點，炮間距10 m，共激發72個炮點，檢波點間距10 m，共72個檢波點。施工布置如圖3所示，工作面圍巖、煤層地質參數見表1。

表1 工作面圍巖、煤層地質參數Table 1 Geological parameters of surrounding rock and coal seam of working face

圖3 施工布置Fig.3 Construction layout

2.3 波場特征分析

2.3.1 單炮分析

共采集72炮槽波記錄。圖4(a)為S54原始單炮記錄，P波發育，S波也較為發育。圖4(b)為濾波150～300 Hz的單炮記錄，低頻段槽波不發育。圖4(c)為濾波400～500 Hz的單炮記錄，槽波高頻段發育。對比揭露情況，高頻的槽波對煤層沖刷帶的反應較好，對構造反應較為明顯。

圖4 單炮記錄分析Fig.4 Analysis of single shot record

2.3.2 頻散分析

工作面煤層平均厚度1.81 m，煤層和圍巖的相關地質參數見表2。依據槽波頻散公式，計算槽波頻散曲線理論值，如圖5所示，煤層埃里相的頻段在400 Hz以上，群速度為1 000～1 100 m/s，由于工作面內煤厚變化較大，埃里相頻率受到煤厚變化的影響很難定量分析，埃里相頻率隨煤厚的變化而變化。通過濾波去掉高頻段的干擾，而槽波的有效頻段在400 Hz以上，經過400～600 Hz的帶通濾波就可以濾除干擾波，從而獲得高質量的槽波數據[9]。

圖5 頻散分析Fig.5 Dispersion Analysis

表2 工作面圍巖、煤層地質參數Table 2 Geological parameters of surrounding rock and coal seam in working face

2.3.3 波場速度

根據經150～300 Hz濾波后的單炮記錄，對其進行速度分析，結果如圖6所示。由于工作面煤厚變化大，且構造復雜，速度分析受到槽波信號強弱的影響較大，圖中僅能區分出P波、S波的速度，S波速度大約在2 000 m/s。

圖6 S波速度分析Fig.6 S-wave velocity analysis

經400～500 Hz濾波后，顯示出2組波型同相軸，對其進行速度分析，如圖7所示。圖中僅能區分出P波、槽波的速度，槽波速度大約在1 000 m/s。

圖7 槽波速度分析Fig.7 Trough wave velocity analysis

2.3.4 頻譜分析

選取預處理后典型記錄，進行頻譜分析，如圖8所示。圖中顯示槽波主頻在400 Hz以上，因此可以利用頻率分離，把槽波和縱橫波分離后再進行成像。

圖8 工作面典型單炮記錄頻譜分析Fig.8 Spectrum analysis of typical single shot recording in working face

2.4 層析成像及解釋

運用聯合代數重建技術(SIRT)對工作面中的煤層進行層析成像，槽波能量成像處理主要經過以下幾步[10-11]。首先對數據進行能量均衡和補償，計算槽波能量，接著對槽波數據進行能量矯正，最后進行層析成像處理。按照層析成像的原理，首先將工作面劃分為若干面元，在將槽波能量衰減系數分配到具體坐標對應的面元中，并進行SIRT迭代求解，最終得到模型上每個面元的槽波能量衰減分布值，將面元能量衰減系數值轉化為相對應的等值線圖。圖9為槽波能量層析成像，可以清楚地解釋沖刷帶的范圍。圖10為斷層在滑行波能量成像圖中的反應。

圖9 煤層變薄區在槽波能量成像圖中的反應Fig.9 Response of coal seam thinning area in slot wave energy imaging

圖10 斷層在滑行波能量成像圖中的反應Fig.10 Response of fault in the gliding wave energy image

依據滑行波能量成像圖，CF1斷層與滑行波能量異常分布相對應，推測CF1斷層走向NW，斷距大于煤厚，延伸長度為220 m。根據工作面回采驗證，槽波解釋的沖刷帶與斷層跟實際揭露比較吻合。

3 結論

(1)濟寧二號煤礦煤層低頻槽波不發育，高頻槽波發育較好，可通過濾高頻槽波對沖刷帶范圍進行能量成像，濾低頻突出滑行波進行層析成像并解釋斷層延展方向。

(2)1.81 m厚煤層槽波埃里相頻段在400 Hz以上，群速度為1 000～1 100 m/s，滑行波速度為2 000 m/s，對數據進行400～600 Hz的帶限濾波，高頻槽波速度為1 000 m/s。

(3)通過回采驗證，濟寧二號煤礦宜采用槽波地震探測技術查清地質構造，為安全開采提供地質保障。