苏晓云

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

0 引言

震动波在煤层中传播遇到地质构造时，会发生波动变化，槽波地震探测就是利用这一原理来探测隐伏地质构造的矿井物探方法。根据观测系统布置的不同，又分为透射法、反射槽波探测法，还有在反射法基础上发展起来的槽波超前探测[1]。

透射法是在已经形成的工作面两条巷道进行激发接收震动波，通过震动波传播的能量及速度变化进行探查断层、陷落柱等各种地质体或异常。

反射法是在单条巷道内激发并接收震动波，通过接收地质异常体的反射槽波探查巷道侧帮煤层内的构造发育情况。

槽波超前探测是在反射槽波法的基础上通过改变常规的施工工艺，利用钻孔及现有的单条巷道，实现对独头巷道前方构造的探测方法，能够探查独头巷道前方的地质构造情况[2]。

1 超前槽波探测原理

通过在独头巷道侧后方打深孔放置深孔孔中检波器，联合独头巷道两侧的浅孔检波器，形成T字形接收面，在独头巷道两侧放炮激发，震动波传播遇到前方的构造异常时，返回被T字形接收面接收，根据震动波传播的时间及速度，即可得出异常的位置（见图1）。

图1 槽波超前探测示意图

2 应用实例

2.1 工作面概况

中煤华晋集团有限公司王家岭井田位于山西省河津市乡宁县境内，井田面积约120 km2，储量超过10亿吨，是极好的炼焦配煤。该井田总体构造发育较简单，煤层倾角较宽缓[3]。

12321工作面位于123盘区北部，所采煤层为2号煤层，煤层平均厚度约6 m。根据三维地震解释结果，1231工作面胶带巷受DF43断层影响，该断层由HJK18导线点起，沿SW走向延展，长度超过1 000 m，断层落差0~15 m，将会对该工作面两巷掘进及回采造成影响。

2.2 观测系统设计

本次DF43断层槽波超前探测，测线布置在12321工作面胶带巷迎头后方240 m范围内。为探查DF43断层的走向及断层可能的揭露位置，确定了槽波超前探测的方案（见图2）。

图2 工程布置图

（1）激发点：从迎头开始，采用10 m炮间距，巷道两侧各24个激发点，共布设48个。

（2）深孔接收：迎头两侧，孔深60 m，接收点距10 m，共布设深孔接收12道。

（3）浅孔接收：从迎头开始，采用20 m间距，孔深2 m，巷道两侧各12个激发点，共布设24个。

2.3 数据分析

在数据分析时，采用了绕射偏移成像方法，通过该方法对原始槽波记录进行成像。绕射偏移处理是将杂乱的反射波偏移归位到真实位置上的一种方法。自激自收的叠加剖面一般在界面水平无倾斜时，可以成像。而当遇到构造时，界面发生倾斜，此时通过绕射偏移，可以归为界面，反应出真实异常形态[4]。得到S15炮的原始单炮记录如图3，其中可以看到明显的反射槽波。

图3 S15炮槽波记录

2.4 频散分析

槽波最主要的特性就是其频散，意味着槽波波速受频率影响较大。通过波场分析，可以计算出槽波的频散曲线如图4所示。从频散曲线图中可以看出，槽波主频在100~200 Hz之间。

图4 槽波频散曲线

2.5 成果解释

槽波超前探测成像采用绕射波成像算法，而偏移成像以槽波发育的煤层平面为基准进行。设P（x，y）为煤层内一点（即成像点），则该点叠加的振幅值为：

其中N为总激发点数，M为接收点数，A（tij）代表瞬时振幅，vg是槽波群速度。rij是该点与激发点，接收点的距离之和。通过这三点之间的关系即可求出反射方位角，再对瞬时振幅进行加权求和，就可减少不相干波场等的影响，从而使成像结果更符合实际情况[5]。

实际成像时，按照观测系统范围大小建立一个X方向500 m，Y方向300 m的模型，网格大小为5m×5m。即X方向100个，Y方向60个点，每个点都是煤层平面中的一个成像点，即该点的振幅。每一个激发点对应一个接收点都会形成一条射线，将所有激发点对应所有接收点得到的全部射线进行50次迭代计算，即可得到该煤层平面的能量分布情况。

最终的DF43断层槽波超前探测构造解释图中（见图5），右侧异常对应的两条大巷，中间为DF43断层异常边界。通过大巷固定的位置可以标定反射槽波的速度，从而得出中间的异常即准确的构造异常位置，即DF43断层的反射界面，将该界面进行延伸，即可得出该断层与巷道的交点。最终，经过掘进验证，断层揭露位置偏差≤5 m。

图5 DF43断层槽波超前探测构造解释图

3 结论

（1）独头巷道槽波超前探测能够有效地接收掘进前方断层的反射槽波，且探采结果对比表明，探测误差可以控制在10 m以内。

（2）独头巷道的槽波超前探测具有探测距离远，精度高的优点，根据槽波超前探测成果，可以提前调整巷道掘进角度，减少巷道割岩，以及避免冒顶风险，为煤矿安全快速掘进提供保障。