周恒心，杨焱钧，程继东，姜希印，刘高强

(1.兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿，山东 济宁 272071；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.山东煤矿安全监察局鲁西监察分局，山东 济宁 272000)

0 引言

兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿是年产量4 Mt/a的特大型矿井，采用综采和综采放顶煤工艺生产。矿井地质条件较复杂，冲刷带、断层较发育，是制约安全生产的主要地质因素[1-2]。目前探查井下构造应用最多的是槽波地震探测技术，可对断层、陷落柱、煤层变薄区等地质异常体进行准确探查，具有探查精度大、距离长、波形特征易于识别等优点，经过近些年的发展，槽波地震探查技术日趋成熟[3-5]。针对济宁二号煤矿复杂的地质构造特征，根据槽波探测应用实例，分析槽波响应特征，总结探测参数及规律，解释冲刷带的分布范围及断层延展长度，以期实现工作面地质构造的精准预测与预报。

1 槽波透射探测原理

1.1 槽波透射法

透射法是槽波探查的基本方法，是在一条顺槽的炮孔中激发，另一条顺槽利用检波器接收槽波信号，通过遇到地质异常体产生的槽波能量及速度变化来探查地质构造的方法[6]，如图1所示。透射槽波的探测距离理论可达煤厚的200～300倍。在以往的槽波探测中，实际探测距离可达1 600 m。透射槽波探测是槽波探测的重要方法之一[7]。

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

1.2 包络叠加层析成像

通常情况下槽波地震信号频率较高，这种特征在埃里震相附近尤为明显，且透射槽波具备频散特征、其波列的相位范围较宽。在常规叠加处理时会因为相位的相互抵消而加大处理的难度。为解决上述问题，先对槽波波列开展包络处理，再进行速度分析将进一步提升数据处理质量。包络叠加是将波形序列(有正有负)改变成能量序列(只有正值)，变换后的信号在外观上仍然保持与原来信号一致，因为只存在正相位，变换后的槽波信号频率显著衰减，有利于后续的处理与成像。

地震波的包络又叫瞬时振幅，它把地震道的概念向复数域扩展。实测的地震道可看成一个复地震道在实平面上的投影，称为实地震道；复地震道在虚平面上的投影称为虚地震道，它与实地震道互为正交地震道，则有

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

(1)

式中，c(t)为复地震道；x(t)为地震道；xi(t)为虚地震道。

故，地震道的包络E(t)可按式(2)计算

(2)

炮孔震源激发，井下检波器接收，根据接收到的初至旅行时数据来反演该剖面的速度分布v(x,y)或慢度S(x,y)=1/v(x,y)。假设第i个地震波的传播路径为Li，其旅行时为Ti，则

(3)

如图2所示，假如离散化后的单元个数目为N。每个单元个慢度为一对应常数记为S1,S2,…,Sn。

这样，第i个射线的旅行时表示为

(4)

根据(2)式就可以得到关于未知量Sj(j=1,2,…,N)的M个方程(i=1,2,…,M)，M个方程组合成一线性方程组为

(5)

写成矩阵形式见式(6)

AS=T

(6)

通过求解式(6)方程组就可以得到离散慢度分布，从而实现目标区域的速度场反演成像[8]。反演离散区域示意如图2所示。

图2 反演离散区域示意Fig.2 Schematic diagram of inversion discrete region

2 应用实例

2.1 工作面地质概况

123上02工作面整体为一背斜构造，中部较高，两顺槽相对较低。煤层结构复杂，局部受煤层冲刷带、断层影响，煤层厚度变化较大，约1.08～2.5 m，平均厚度1.81 m。煤层走向为近NE向。工作面回采范围内最大断层落差超过10 m，在两顺槽中部均揭露煤层冲刷区，轨顺揭露无煤区长度75 m，运输顺槽揭露无煤区长度145 m。

煤层的顶底板岩性均为粉砂岩，煤层与顶底板岩性的波阻抗差异较明显，工作面槽波地震地质条件较好。

2.2 槽波探测布置

123上02工作面槽波探测沿轨道顺槽布设炮点，炮间距10 m，共激发72个炮点，检波点间距10 m，共72个检波点。施工布置如图3所示，工作面围岩、煤层地质参数见表1。

表1 工作面围岩、煤层地质参数Table 1 Geological parameters of surrounding rock and coal seam of working face

图3 施工布置Fig.3 Construction layout

2.3 波场特征分析

2.3.1 单炮分析

共采集72炮槽波记录。图4(a)为S54原始单炮记录，P波发育，S波也较为发育。图4(b)为滤波150～300 Hz的单炮记录，低频段槽波不发育。图4(c)为滤波400～500 Hz的单炮记录，槽波高频段发育。对比揭露情况，高频的槽波对煤层冲刷带的反应较好，对构造反应较为明显。

图4 单炮记录分析Fig.4 Analysis of single shot record

2.3.2 频散分析

工作面煤层平均厚度1.81 m，煤层和围岩的相关地质参数见表2。依据槽波频散公式，计算槽波频散曲线理论值，如图5所示，煤层埃里相的频段在400 Hz以上，群速度为1 000～1 100 m/s，由于工作面内煤厚变化较大，埃里相频率受到煤厚变化的影响很难定量分析，埃里相频率随煤厚的变化而变化。通过滤波去掉高频段的干扰，而槽波的有效频段在400 Hz以上，经过400～600 Hz的带通滤波就可以滤除干扰波，从而获得高质量的槽波数据[9]。

图5 频散分析Fig.5 Dispersion Analysis

表2 工作面围岩、煤层地质参数Table 2 Geological parameters of surrounding rock and coal seam in working face

2.3.3 波场速度

根据经150～300 Hz滤波后的单炮记录，对其进行速度分析，结果如图6所示。由于工作面煤厚变化大，且构造复杂，速度分析受到槽波信号强弱的影响较大，图中仅能区分出P波、S波的速度，S波速度大约在2 000 m/s。

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

经400～500 Hz滤波后，显示出2组波型同相轴，对其进行速度分析，如图7所示。图中仅能区分出P波、槽波的速度，槽波速度大约在1 000 m/s。

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

2.3.4 频谱分析

选取预处理后典型记录，进行频谱分析，如图8所示。图中显示槽波主频在400 Hz以上，因此可以利用频率分离，把槽波和纵横波分离后再进行成像。

图8 工作面典型单炮记录频谱分析Fig.8 Spectrum analysis of typical single shot recording in working face

2.4 层析成像及解释

运用联合代数重建技术(SIRT)对工作面中的煤层进行层析成像，槽波能量成像处理主要经过以下几步[10-11]。首先对数据进行能量均衡和补偿，计算槽波能量，接着对槽波数据进行能量矫正，最后进行层析成像处理。按照层析成像的原理，首先将工作面划分为若干面元，在将槽波能量衰减系数分配到具体坐标对应的面元中，并进行SIRT迭代求解，最终得到模型上每个面元的槽波能量衰减分布值，将面元能量衰减系数值转化为相对应的等值线图。图9为槽波能量层析成像，可以清楚地解释冲刷带的范围。图10为断层在滑行波能量成像图中的反应。

图9 煤层变薄区在槽波能量成像图中的反应Fig.9 Response of coal seam thinning area in slot wave energy imaging

图10 断层在滑行波能量成像图中的反应Fig.10 Response of fault in the gliding wave energy image

依据滑行波能量成像图，CF1断层与滑行波能量异常分布相对应，推测CF1断层走向NW，断距大于煤厚，延伸长度为220 m。根据工作面回采验证，槽波解释的冲刷带与断层跟实际揭露比较吻合。

3 结论

(1)济宁二号煤矿煤层低频槽波不发育，高频槽波发育较好，可通过滤高频槽波对冲刷带范围进行能量成像，滤低频突出滑行波进行层析成像并解释断层延展方向。

(2)1.81 m厚煤层槽波埃里相频段在400 Hz以上，群速度为1 000～1 100 m/s，滑行波速度为2 000 m/s，对数据进行400～600 Hz的带限滤波，高频槽波速度为1 000 m/s。

(3)通过回采验证，济宁二号煤矿宜采用槽波地震探测技术查清地质构造，为安全开采提供地质保障。