地震槽波探測法在晉華宮礦8712 工作面地質勘探中的應用研究

曹 偉

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

1 概述

晉華宮礦8712 工作面東部、西部均尚未開拓，南部與盤區運輸大巷相接，北部鄰近塔山礦礦界。該工作面走向長度950 m，傾斜長184 m，主采5號煤，煤層總厚度為9.65～14.11 m，平均煤厚11.98 m。煤層結構復雜，厚度變化穩定，中部含泥巖及火成巖。晉華宮礦對該工作面采用槽波方法進行探測，主要對工作面內斷距大于1/2 煤厚的斷層發育情況。工作面內長軸直徑大于20 m 以上陷落柱的發育情況以及可能存在的其他適合于槽波探測的地質異常體進行探明，實現井下煤層賦存的準確測定，為煤層開采方式和工藝的選擇以及安全開采作業提供詳實的資料依據。

2 槽波地震勘探原理

槽波地震勘探在地質勘探中應用較廣，相較于其他物探手段，具有地質特征勘探簡單、識別度高、物探波形解釋性強等優勢[1]。其原理為通過設備在煤層中產生槽波，地質結構不同的煤層對槽波的吸收能力和吸收特征不同[2]，槽波經過煤層頂底板巖層的反復反射，最終表現出具有明顯特征的波形，通過對接收到槽波的特征分析，即可探明探測區域的地質結構。該方法主要用于對煤層斷層、陷落柱以及煤層厚度變化探測[3]。槽波形成原理示意圖如圖1。

圖1 槽波形成原理示意圖

槽波地震勘探本質上是反射槽波與透射槽波組合測量的方法[4]。反射槽波測量方法需要將槽波發生裝置與槽波接收裝置布置在相同的巷道，通過接收裝置中的檢波器能否接收到震源產生并經過煤層反射后的反射槽波來判斷被探測區域的煤層連續性[5]；透射槽波測量方法需要將槽波發生裝置與槽波接收裝置布置在不同的巷道，探測時震源產生的震波被另一巷道中的檢波器接收到，通過對比不同位置檢波器波形，確定探測扇形區域內煤層的地質特點[6]。在槽波地震勘探中，震源炮點只需布置在一側巷道內，則數據采集站需要布置在巷道的兩側道內，與炮點同一巷道的檢波器接收反射槽波，不同巷道的檢波器接收透射槽波[7]。

3 8712 工作面數據采集

（1）激發接收參數確定

井下環境噪聲比較大，會嚴重影響數據質量，對探測結果造成嚴重干擾。完成儀器檢測，確認地震采集系統正常工作后，從單炮記錄上可以看出，井下無明顯的較大噪聲源，基本滿足地震數據采集條件。圖2 為此次施工采集的槽波單炮記錄，可知槽波發育清晰，噪聲相對較小，數據采集質量基本滿足技術要求。

圖2 單炮地震剖面記錄

（2）觀測系統設計

8712 工作面槽波地震勘探距離950 m，切眼寬度184 m。煤層內部結構較為復雜，采用透射加反射槽波地震勘探法觀測系統設計。與炮點同巷道的檢波器接收到的是反射槽波，與炮點不同巷道布置的檢波器接收到的是透射槽波。通過數據采集站，分析檢波器信號后，形成清晰、穩定的槽波圖形，解釋槽波圖形后確定探測區域地質結構。選擇在21517 巷、51517 巷同時布置炮點、檢波點，測線長度1900 m。具體參數見表1。

表1 觀測系統炮點、檢波點參數表

4 數據處理與解釋

（1）透射槽波單炮記錄分析

在8712 工作面內槽波地震勘探中，檢波器共接收到84 個炮眼產生的地震剖面記錄，經校核全部有效。分析地震剖面記錄篩選出了檢波器接收到的多種地震波形，其中明顯的有直達P 波、S 波以及槽波，布置在不同位置的檢波器都是最先接收到P 波信號，最晚完成槽波的接收。由于槽波是地震波在煤層地質結構中經過不斷的反射透射后形成的，其攜帶的煤層地質信息最為全面，將槽波作為分析重點。

相較于直達P 波和S 波，槽波具有明顯的區別特征，即其傳播速度是頻率的函數。槽波的頻散特征在單炮地震記錄中表現為較長的波列，且隨著炮檢距越大，波列越長，整個波列呈扇形狀。在理論上，勒夫型槽波的群速度頻散曲線中的極小值點（即曲線的駐點）對應的震相叫做埃里震相，其一般具有振幅強、頻率高和速度低的特點。如圖3 所示，其分別是8712 工作面第23、36 炮的單炮透射地震槽波記錄，圖中分別標注了槽波及槽波能量缺失的位置。

從圖3 可以看出，在0～34、65～90 道槽波出現能量斷裂或不同程度的能量降低現象，表明該處的檢波器接收到的槽波被吸收的程度較大，地質結構存在明顯異常；在0～50 道槽波同樣出現能量斷裂或不同程度的能量降低現象，表明該處的檢波器接收到的槽波被吸收的程度較大，地質結構存在明顯異常。

圖3 8712 工作面透射槽波單炮記錄圖（處理后）

（2）透射槽波能量CT 成像成果分析

透射槽波能量CT 成像是2D 視衰減系數模型圖，衰減系數大會導致成像顏色變淺，即煤層對地震波的吸收強度較大，表明該探測區域存在地質結構異常點；衰減系數小則在CT 成像圖上表現出顏色深，對地震波的吸收強度不大，表明該探測區域的地質結構均勻，煤層賦存相對穩定。在煤礦地質結構探測中，一般煤層成分均勻，地質結構穩定，地震波在煤層中傳播的過程，損失程度很小；但當煤層組分復雜或者存在明顯斷層時，地震波在煤層中的傳播會受到很大阻力，導致檢波器接收到的槽波能力降低，會出現明顯的色域不同現象。

圖4 是槽波能量CT 成像圖。利用數據的振幅特性，建立衰減系數模型。深色表示槽波在煤層中衰減很弱；淺色表示槽波遇到構造異常體，能量有較大的衰減。在圖中存在3 個明顯異常區域。

圖4 8712 工作面透射槽波能量CT 成像圖

（3）反射槽波頻譜分析

頻譜分析反映的是地震信號中包含的頻率成分及其能量大小。通過快速傅里葉變換方法，可以快速計算得到各個地震道的頻譜曲線，該頻譜曲線特征反映了地震波能量分布的頻帶范圍。槽波的頻率與煤層厚度相關，如果槽波的頻率大部分保持在低頻區域，則反映出探測區域的煤層較厚；反之，槽波頻率大部分保持在高頻區域，則表明探測區域煤層厚度不大。一般情況下，槽波的頻率高于體波的頻率。如圖5 為第7 炮第45 道、第9 炮第62 道的原始炮集地震記錄及其各地震道信號的頻譜分析圖。

圖5 一維頻譜記錄分析

由一維頻譜分析可知，地震波能量的主要頻帶范圍在100～150 Hz 之間，結合槽波煤厚與頻率的頻散曲線，確定本次勘探中接收到的槽波的主要頻段為100～200 Hz 頻段之間，為本次反射槽波濾波處理和疊后偏移的主要參數依據。

5 8712 工作面透射槽波成果解釋

透射法槽波地質解釋時，采用如下方法：（1）分析槽波特征。對96 張地震記錄中槽波的波形、振幅、頻率變化及其頻散特征進行對比分析和總結。（2）槽波能量層析成像。經過處理分析后，拾取每一個地震道記錄中的槽波埃里相振幅值，得出2D 視衰減系數圖。通過對成像圖的解釋，確定探測區域的地質結構異常位置和地質結構類型。槽波地震勘探綜合地質成果，與揭露斷層區域重合，可視為同一異常。成果解釋圖見圖6 所示，對比分析見表2。

圖6 8712 工作面槽波地震勘探成果解釋圖

表2 8712 工作面槽波地震勘探成果綜合對比表

6 結論

通過對晉華宮礦8712 工作面使用YTC12 槽波地震儀，采用透射法、反射進行地質勘探，形成以下結論：

（1）8712 工作面槽波地震勘探工作量950 m，設計炮點84 個，檢波點176 個，測線總長1900 m；

（2）8712 工作面槽波地震勘探結果顯示該工作面具有三處斷層；

（3）本次地震槽波探查除以上異常外未發現長軸直徑大于20 m 的陷落柱及其他適合于槽波探測的地質異常體。