槽波地震勘探延時校正技術的研發與應用

焦 陽，衛金善，廉玉廣，竇文武，李梓毓，李 剛，譚 菁

(1.晉能控股山西科學技術研究院(晉城)技術研究院有限責任公司，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)

我國華北地區煤礦地質條件較為復雜，斷層、陷落柱等地質構造普遍發育，另外，隨著煤礦機械化程度的增高，如果無計劃揭露地質構造，不但會造成采煤機組大面積割矸，工作面冒頂、片幫及壓架，還可能通過地質構造誘發突水、瓦斯突出等地質災害，造成的人員傷亡和經濟損失巨大，極不利于煤礦智能化開采的實現[1-8]。因此，如何提前查清、查明地質構造，使得回采工作面透明化尤為重要。

近年來，隨著計算機技術與地球物理科技的不斷發展，地球物理勘探技術成為礦井地質構造探測中非常有效的方法[9-15]，其中，槽波地震勘探作為一種新型的可應用于井下的高精度探測方法，具有探測距離大(透射法探測距離為煤厚的300倍，反射法探測距離為煤厚的150倍)、震源信號強(采用放炮進行地震波激發)、抗電干擾能力強、精度高、波形特征較易識別(艾里相頻率高、能量強)、異常對比性強且探測結果直觀等特點，正在廣泛展開推廣和應用。

目前，槽波探測主要采用速度法進行數據處理和成果解析，槽波旅行時ti(i為炮點編號)的準確拾取是保證探測準確率至關重要的因素之一，槽波形成如圖1所示。在偏移距L相對固定，且槽波射線穿透正常區域的前提下，P30和P31兩個相鄰炮的理論P波初至時間T應相等，且等于地震波走時，即T30=T31=L/vP(vP為P波速度)，由此便可準確推算出逐炮的槽波到達時間ti。但是，《煤礦安全規程》明確要求，井工礦僅允許使用毫秒級延期雷管，故必然存在著0～150 ms的不確定延遲誤差Δti，所以槽波到達時間ti也不在精確，相鄰炮的實際P波初至時間對比如圖2所示，嚴重影響了后期的數據處理和成果解析，容易造成構造偏移、誤探、漏探等后果。

圖1 槽波形成示意Fig.1 The sketch map of in seam wave

圖2 相鄰炮的實際P波初至時間對比Fig.2 The first arrival time of P-wave between two adjacent boreholes

因此，從硬件研發和軟件改進2方面開展槽波地震勘探延時校正技術研發和應用，能夠實現逐炮延遲時間Δti的前期現場采集和后期軟件應用，精準校正槽波的到達時間ti，提高了探測的準確性，對礦井槽波探測的異常體位置圈定和解釋具有重要意義，是煤礦構造精細化探測的又一進步。

1 槽波地震勘探方法

當在煤層中激發一個震動時，便會產生地震波，包括P波和S波，S波又包括SH波和SV波。這些地震波向四周擴散，傳播。由于煤層的波速明顯低于頂板和底板的波速，當震源產生的地震波傳播到煤層頂板和底板界面時，將會被全部反射和折射回煤層內部，相互混響、疊加形成槽波，如圖3所示。當煤層的連續性發生變化時，槽波特征會隨之改變，槽波地震勘探便是據此原理完成地質構造的精細化探查[16-20]。

圖3 輔助道接收雷管延遲誤差ΔtiFig.3 Detonator delay error(Δti) by an auxiliary

槽波地震勘探根據探測目的的不同可以分為透射法、反射法和透射/反射聯合法探測，主要的勘探設備包括Summit Ⅱ Ex 防爆槽波地震儀、YTZ3礦井地震儀等等；主要的解析軟件包括SPW、RadEx、ISS等；主要的處理手段包括槽波速度法分析和槽波能量法分析。

本文基于槽波速度法分析，利用Summit Ⅱ Ex防爆槽波地震儀采集的槽波透射數據和SPW地震數據處理系統進行槽波速度解析，展開延時校正技術的研發與應用。

2 槽波地震勘探延時校正硬件研發

據統計，圍巖P波速度較高，為4 000～5 000 m/s，槽波透射法探測時，計劃在炮點附近10～20 m范圍內，安裝輔助道，逐炮接收雷管的延遲誤差Δti，因為小偏移距的地震波走時誤差可控制在1 ms以內，對解析結果影響微小，所以，地震波的初至時間可準確計算得出，如圖3所示。

但是，由于Summit II Ex防爆槽波地震儀所用檢波器為孔中檢波器，如果逐炮進行輔助道接收，需在炮孔附近依次打設接收孔，另外，檢波器的安裝與拆卸過程較為復雜，且歷時較長，故利用孔中檢波器進行雷管延時校正不太現實。因此，研發了一種可將錨桿中地震信號直接傳入現有檢波器的連接裝置，命名為“延時校正套筒”(圖4)，具體連接方式如圖5所示，從而實現逐炮輔助道的接收。

圖4 “延時校正套筒”實物Fig.4 The physical map of delay correction socket

采用延時校正套筒前后的原始單炮記錄如圖6所示，為采用延時校正套筒前后采集到的原始單炮記錄，可以直觀地看出，當借助延時校正套筒安裝輔助道后，能夠逐炮接收并得到雷管的延遲誤差Δti，保證了原始數據的真實性和可靠性，為后期軟件處理提供了重要的參數指標。

圖5 延時校正套筒的實際應用Fig.5 The practical application picture of delay correction socket

圖6 采用延時校正套筒前后的原始單炮記錄Fig.6 The original single shot records that before and after using delay correction socket

3 槽波地震勘探延時校正軟件優化

槽波速度法分析主要應用SPW地震數據處理系統進行分析和計算，該軟件功能強大，但包含模塊眾多，需要采用“拼積木”的方式進行模塊調用和流程編輯，以此達到不同的處理效果。而以往的速度法分析處理流程如下：依次經過數據加載、觀測系統加載、剔道—濾波—增益—早/晚切、Gabor變換、數據合并等流程，該流程中默認地震波到達時間T包含雷管延遲誤差Δti，如果要校正時間，只可應用“Apply Static Shifts”模塊進行整體數據的時間前移或后移，但是又與實際放炮過程中雷管批次不同、延遲時間不一的現狀不符，將直接影響后期的數據處理效果和異常圈定。

為了能夠將借助延時校正套筒逐炮接收得到的雷管延遲誤差Δti應用于數據分析流程，經過長時間模塊的調試和算法的改進，已成功改進速度法分析處理流程，關鍵要點為“Uphole time 和 Static time”的關系和參數設置(說明：Uphole time 在炮文件-s.txt 中進行設置，分別對應每一炮的延遲時間Δti)。

4 探測實例

綜合槽波延時校正技術硬件研發和軟件優化的完成，介紹一該技術應用前后的槽波速度CT典型對比案例——長平礦4323工作面。長平礦4323工作面走向長526.71 m，傾斜長135.7 m，主采3號煤層，煤厚平均5.84 m，穩定可采。采用槽波透射法勘探，共布置42個檢波器孔和45個炮孔，炮間距=道間距=15 m。

探測所用雷管為3—5段，延遲時間在37.5～130.0 ms，施工現場通過延時校正套筒逐炮采集到雷管的延遲時間Δti，再利用SPW軟件改進后的“延時校正”處理流程，將Δti導入炮文件-s.txt中Uphole time，最后，結合“Trace Header Cell Math”組成的相關算法，高保真地還原了數據的原始狀態。采用延時校正技術前后的槽波速度法CT成果對比如圖7所示。

圖7 采用延時校正技術前后槽波速度法CT成果對比Fig.7 Results of in-seam wave velocity analysis that before and after using delay correction technology

為采用延時校正技術前后形成的槽波速度法CT結果，目前，工作面已回采完云圖所示區域，揭露一陷落柱(SX36，56 m×62 m)，可以看出：未采用延時校正云圖中，由于地震波包含雷管的延遲誤差Δti，槽波走時較長，所以槽波速度整體較低；另外，SX36陷落柱的反演結果，范圍較大、位置偏差較遠，精準度不高，效果失真。采用延時校正云圖中，由于校正了雷管的延遲誤差Δti，地震波走時準確，槽波旅行時拾取精度大幅提高，所以，槽波速度符合實際，SX36陷落柱的反演結果，范圍、位置準確，精準度良好。

長平礦4323工作面SX36陷落柱的成功探測，提前為礦方確定了構造位置和范圍，避免了無計劃揭露構造造成的相關事故，側面證明了“延時校正”技術研發的關鍵，應用效果良好。

5 結論

(1)延時校正套筒的研發和應用，實現了Summit II Ex防爆槽波地震儀與錨桿的有效對接，可逐炮采集雷管的延遲誤差Δti，操作方便、簡單，且有效。

(2)延時校正流程的改進和應用，實現了逐炮采集到的雷管延遲誤差Δti在SPW軟件中的加載和應用，精準校正了槽波的到達時間ti，使得解析結果更加準確，從而有效干預后期的反演計算，提高對異常體探測的準確性，對異常體的位置圈定和解釋也具有重要的意義。

(3)延時校正技術的綜合應用，提高了槽波綜合探測的準確率，避免了解釋構造的偏移、誤探、漏探等后果，對礦井槽波探測的異常體位置圈定和解釋具有重要意義。