槽波地震探测在厚煤层工作面的巷道响应分析

2022-11-23贾晋

科技资讯 2022年23期

贾晋

(中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安 710077)

槽波地震探测属于地震勘探的一个分支，是煤矿井构造探查的一种地球物理方法。伴随着槽波地震数据处理[1-2]、波场模拟[3-5]和成像算法[6-7]等技术发展，槽波地震探测在矿井构造探查应用已不局限于传统的透射、反射槽波探测，利用超前槽波地震方法探测巷道掘进工作面前方的地质异常构造也开始被推广应用[2,8-9]。该项技术对地质问题的解决也已不局限于对矿井煤层中断层、陷落柱、挠曲等地质异常体的探查，采空巷道、煤层厚度[10]、瓦斯富集区、应力集中区[11]的探查也得到了应用，且对常规构造探查精度要求也变得更高。依据已有地质资料及施工条件，如何获取更多槽波数据处理解释依据变得尤为重要。该文选定陕北榆神矿区某矿简单构造厚煤层工作面开展槽波探测应用，探寻槽波对矿井工作面布设的多方位巷道响应特征，为后期复杂工况矿井的槽波探测设计提供参考，作为挖掘槽波数据处理与解释的参数依据。

1 矿井槽波地震探测

矿井槽波地震探测技术是利用在煤层中激发和传播的导波，探查煤层不连续性的—种地球物理方法，可以探查断层、陷落柱、煤层分叉与变薄、采空区及废弃巷道等地质异常，具有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征易于识别以及最终成果直观的优点，在探测精度和距离上优于坑透等煤矿井下探测方法，目前主要有透射槽波法和反射槽波法两种有效应用形式[12]。

图1 槽波透射法探测射线追踪示意

反射槽波法是将激发点与接收点布置在同一巷道内，利用槽波在煤层中传播遇到了煤层中的不连续体，即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差异）的分界面，就会产生反射槽波信号，通过识别出这些有效反射槽波信号就能判断出煤层不连续的位置，如图2所示。反射槽波偏移成像方法为当前反射槽波地震探测技术主要方法[2]，工程应用中利用同一巷道可向两侧进行探测，同时在已完成掘进工作面采用双边反射可以对平行巷道的不连续体位置精细界定，以满足矿井工作面掘进不同时期的探测需求。在实际工程应用探测中，透射槽波法与反射槽波法被同时应用，两种方法的成果在数据处理及解释相互佐证并进行处理参数优化，很大程度上提高了工作面探测精度。

图2 槽波反射法探测射线追踪示意

超前槽波地震探测是常规槽波勘探施工工艺的进步和发展，将激发点与接收点布置在独头巷道，经常结合深孔检波器和巷道两侧的检波器，形成T 字形接收面。通过独头巷道两侧放炮激发，地震波在遇到迎头侧前方的异常构造时，反射波信号被T 字形接收面接收，通过识别出这些有效反射槽波信号就能判断出独头巷道侧前方煤层异常的位置，如图3 所示。随着我国智能化矿井建设，“透明化工作面”被广泛关注，工作面隐伏构造探查将作为其重要部分[13]。槽波地震超前探测、随采、随掘探测技术在透明化工作面的地质探查中将不断发展和推广应用[9]。

图3 槽波超前探测射线追踪示意图

2 探测应用实例

2.1 概况

陕北榆神矿区某矿30109 工作面作为研究实例，该工作面主采延安组3号煤层，走向长度4 300 m，倾向宽度300 m。直接顶板为粉砂岩、泥岩，少量细-粗粒长石砂岩，平均厚度28.0 m；直接底板为粉砂岩、泥岩，少量细-粗砂岩、炭质泥岩，平均厚度25.0 m。根据矿方地质及巷道揭露资料，探测区煤层厚度8.2～9.7 m，平均8.36 m。煤层整体层位稳定，结构简单，顶底板岩性与煤层物性（密度、速度）差异明显，波阻抗差异大，探测区内回采里程323～578 m存在二维地震勘探预测断点，整体地质构造简单，非常适合槽波反演煤层采空巷道响应研究。

2.2 观测系统布置

工作面探测范围为回采里程0～1 030 m，测线总长度为2 060 m（见图4）。根据工作面巷道情况及层析成像射线均匀分布等原则设计辅运顺槽、胶运顺槽接收点道距为10 m，共布设207 个，图中三角形点（）；激发点距20 m，共布设104个，图中圆形点（）。选择采样间隔0.25 ms，记录时长2 s采集。

图4 工作面槽波探测施工布置图

2.3 数据采集与处理分析

数据采集共记录有效单炮104个，单炮信噪比高，射线均匀覆盖整个探测区域。

工作面围岩与煤层具体参数如表1所示。图5（a）为此次探测采集数据中激发点S35，接收道R11～R246记录到的共炮点原始记录数据。记录中可清晰显示3个波组，分别是顺围岩传播的折射纵波、折射横波以及顺煤层传播的槽波，可以看出槽波数据质量极高，能量明显远强于纵波与横波能量。提取记录中速度信息，可得到顺围岩传播的折射纵波、折射横波速度分别为4 300 m/s、1 800 m/s。计算槽波频散曲线见图5（b），槽波能量集中在埃里相附近，得出槽波主频率为90～200 Hz，速度为950 m/s。

表1 工作面围岩与煤层参数表

图5 槽波单炮S35记录及频散分析

2.4 反演成像与解释

对原始单炮数据进行滤波，如图6所示，实际数据中虽包含各种频率的噪声，但与槽波群速度差异较大，对槽波速度层析成像影响较小。

图6 滤波前后槽波单炮记录

基于地震波衰减层析成像理论，采用透射槽波衰减系数成像进行透射成像，设槽波品质因子为Qc，平面谐波振幅基于煤层的黏滞衰减关系为

式中，αc为频率f对应的衰减系数，αs为介质吸收、煤层、构造导致的反射和绕射等影响下的衰减系数，vc为频率f对应的槽波相速度[7]。

按照探测区大小建立一个X 方向1 030 m，Y 方向300 m 的模型，网格大小为3 m×3 m。依据透射槽波射线能量进行成像，如图7（a）所示，CT 成像显示探测区域无能量异常，透射槽波正常穿透，单炮记录如图7（b）所示。

图7 透射成像及单炮记录示意

式中，N为总炮数；M为检波器数；A（tij）为第i 个炮集中第j道信号在tij时刻的瞬时振幅；rij为P（x，y）点到第i个震源点和第j个接收点的距离的和[2]。

首先，建立辅运顺槽进行反射槽波模型，X 方向1 100 m，Y方向520 m的模型，参照公式反演成像见图8（a）；建立辅运顺槽进行反射槽波模型，X方向1 100 m，Y方向520 m 的模型，参照公式反演成像见图8（b）。图中浅灰色（暖色）区域代表槽波受到阻挡形成反射，两顺槽CDM 成像图表明反射槽波对两顺槽反映较强，工作面内无明显构造发育，成像对工作面外距离约30 m 处临近采空巷道有显示，单炮记录反射槽波如图8（c）、图8（d）所示。