反射共偏移探测技术在掘进工作面地质异常探测中的应用

蓝 航

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013；2.中国煤炭学会 岩石力学与支护专业委员会，北京 100013)

反射共偏移探测技术在掘进工作面地质异常探测中的应用

蓝 航1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013；2.中国煤炭学会 岩石力学与支护专业委员会，北京 100013)

针对某矿专用回风巷在掘进过程中接近三维地震勘探划定的陷落柱区域，采用反射共偏移探测技术在胶带巷进行了侧向探测，确定了探测范围内的专用回风巷掘进不会受到该陷落柱的影响，但会受到破碎带和煤厚变化的影响。实际揭露情况证实了探测结论，表明该技术对于指导巷道安全掘进具有实用价值。

反射共偏移；掘进巷道；地质异常探测；陷落柱；煤厚变化

1 反射共偏移探测技术

基于反射波勘探原理的反射共偏移探测技术近年来在煤矿井下的煤层厚度变化、陷落柱、构造延展和采空区积水探测等方面获得了成功应用[1-4]。反射共偏移探测技术可通过锤击激发方式进行密集型多道共偏移探测，施工简便易行，适用于矿井煤岩巷道或工作面构造及异常地质体的调查，可为巷道掘进及支护提供参考，同时也节省了钻探成本。

反射共偏移探测技术在单边排列分析的基础上采用多次覆盖观测系统进行数据采集。如图1所示的单边激发、两道接收的观测系统，采用锤击方式激发产生震源和地震波，当球面地震波在煤岩中传播遇到不同物性界面(即波阻抗明显差异界面，如断层、采空区、岩石破碎带和岩性变化等)时，除了一部分信号透射进入前方介质，其余地震信号反射回来。反射地震信号检波器接收形成地震记录。现场探测时保持激发点和接收点的相对位置不变，采用小步长同步移动震源点和检波器。每激发1次接收1组波形，通过多次偏移后最后得到1张多道地震记录。对采集回来的数据运用滤波、叠加和偏移等技术进行深度处理，处理后得到偏移地震剖面，从中识别反射波同相轴。工程中通过分析反射波同相轴位置及特征，并结合探区周围地质构造等地质环境来对断层、陷落柱、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状进行探测。

图1 反射共偏移多次覆盖示意

2 工程背景

如图2所示，某矿75-5号胶带巷北侧35m为75-5号专用回风巷(以下简称专回巷)，75-5号专回巷掘进头至75-5号区段3号联络巷口130m。根据前期三维地震勘探结果，专回巷正处于三维地震勘探推测出的陷落柱区域附近。专回巷掘进迎头后方15～25m范围内顶板及两帮较为破碎，需架棚加强支护。为探明掘进范围内可能遇到的隐伏陷落柱、伴生断层或其他地质异常的赋存状况，决定在75-5号胶带巷开展反射共偏移探测，以确定专回巷周围地质异常情况，确保掘进安全。本次探测在距离75-5号专回巷35m的75-5号胶带巷内展开，探测范围为图2矩形框所示。

图2 75-5号胶带巷反射共偏移探测位置示意

3 煤层波速测定

在一定探测区域内，煤层的垂向波速一般都较稳定。发射共偏移探测应先做煤层波速测试，为探测解析提供基础参数。煤层波速也是利用震波反射原理采用单点探测方法确定。本次探测测试点位于胶带巷右帮(以掘进方向为基准)结实且完整区域，现场测试时采用锤击震源，3个检波器均匀分布在以锤击点为中心，0.75m为半径的圆上，试验时采用与仪器配套的动圈振动速度检波器，观测系统如图3所示。

图3 75-5号胶带巷左帮单点速度测试观测系统设计方案

75-5号胶带巷与75-5号专回巷中间是宽度为35m的煤柱，即该单点探测介质厚度为35m。对采集的单点数据进行波形移动、一维滤波等预处理后，选择一道接收效果良好的波形进行速度测试。根据地震波信号变化选择异常界面(即75-5号专回巷左帮与空气组成的强波阻抗界面)测得速度为v=2.315m/ms，计算方法如图4所示。

由于探测介质宽度较小，反射波路径主要通过煤层传播，因此，可认为测得的速度近似为煤层速度。而由于本次发射共偏移重点探测范围与煤柱宽度相当，若该范围内存在波阻抗界面，其反射波传播路径类似于煤柱内震波传播路径，因此，两者速度可近似替代。

4 反射共偏移探测及结果

4.1 探测方案

现场观测系统设计方案如图5所示。采用单边激发、3道接收的观测系统设计，1锤3道沿着平行底板齐腰位置组成一个直线排列，每激发1锤，排列向右移动1个步长。共设计激发69锤，步长2m，巷道走向探测范围共144m，单分量检波器R1，R2和R3布置在锤击激发点右侧，偏移距4m，道间距2m。

4.2 数据处理

本次数据采集每道采样点数1024，采样间隔0.096ms，系统延时0ms，每道采样时间98.21ms，系统增益均为24dB。每次激发有3道同时接收，实际激发69锤，有效69锤，共采集207道有效数据。覆盖次数n=1.5，满足后期数据处理要求。通过抽道处理，将全部数据按不同偏移距进行抽道集，图6为波形数据和对应的频谱分析结果，图中各种反射波组特征明显，反射相位清晰，为解释和判别提供依据。

图6 检波器R1接收波形及其频谱分析

4.3 结果解释

在地震深度剖面上反射层位表现为同相轴的形式，所以在地震剖面上对反射波的追踪实际上就变为同相轴的对比。一般而言，具有较强振幅的同相轴是有效反射同相轴的特征；有平滑、足够长和平行的同相轴通常是同一界面反射波的标志；在位置接近的道上振动形状的主要特点基本不变应当是属于同一个波的标志。图7为75-5号胶带巷反射共偏移探测结果。

图7 75-5号胶带巷反射共偏移探测结果

依据以上地震资料解释基本原则，结合现场情况和相关的地质条件，对探测数据进行分析。如图7所示，AC段测试波形与CD段测试波形差异很大，AC段反射波组繁多且特征紊乱，反射同相轴摆动剧烈且存在多处断点，且波尾延续较长，尤其BC段为甚。而CD段存在多条相邻的平行同相轴，且连续性较好。

根据反射波组特征对有效探测深度(约50m)内的异常做出如下推断：CD段(走向约70m)反射波同相轴粗壮、连续且平直，推断其为已掘巷道的表面反射所致，该反射面距离75-5号胶带巷约30m。该同相轴延续至C点后突然中断，纵向摆动幅度较大，在BC段(走向约15m)总体呈倾斜分布，此外，该范围内探测波形振幅相对较小，且波尾延续长度明显加大，推断其为一条与巷道横向呈小幅度夹角的断层或破碎带。AB段(走向约63m)纵向范围内存在多组发射波，正负相位频繁错位，显然该响应非单一断层面引起，结合现场资料，推断其为煤厚变化带，该异常带前边界距离75-5号胶带巷13～21m，而后边界距离75-5号胶带巷40～45m，可见巷道未掘段均位于该异常带内。有效探测范围内未见X34陷落柱引起的异常。

4.4 探测结果验证

现场探测完毕后，75-5号专回巷在后续掘进过程中揭露出各种地质现象情况，与探测结果对比如图8所示。

图8 75-5号胶带巷反射共偏移探测结果论证

专回巷内自探测当日迎头后方15m往掘进方向，煤层厚度逐渐变薄，巷道挑顶最大厚度约1.3m，这说明煤岩界面的变化是反射波组紊乱的主要原因。迎头后方15～30m为一破碎带，顶板及两帮完整性均较差。专回巷后续掘进及结束，始终未揭露X34陷落柱。

综合得出，此次反射共偏移探测效果较好，结论可靠，对巷道的安全、高效掘进起到了较好的指导作用。

5 结论

(1)采用反射共偏移探测技术有效探测了长144m，深约50m的范围，探测出了专回巷已揭露的破碎带区，推断出专回巷迎头前方50m范围全部处于煤厚变化带，排除了X34陷落柱对专回巷掘进的影响。现场揭露情况证实了本次探测结果。

(2)可在邻近巷道采用反射共偏移探测技术为本巷道掘进进行超前探测，技术实施简单方便，具有良好的实用价值。

[1]杨希瑞，刘志文，王 萍，等. 反射共偏移探测技术在提高煤炭采出率中的应用[J]. 煤炭科学技术，2007，35(4).

[2]杨春林，武书泉. 老采空区积水立体综合集成探放水技术[J]. 煤矿开采，2010，15(2)：90-94.

[3]张平松，刘盛东，李培根. 井巷煤岩体内构造特征反射波探测技术与应用[J]. 矿业安全与环保，2006，33(6).

[4]刘志文，杨希瑞，王友斌，等. 高精度震波技术在矿井煤层厚度探测中的应用[J]. 煤炭科学技术，2006，34(12).

[5]刘晓宇.监控量测技术在永龙隧道进口不良地质中的应用[J].浙江建筑，2010，27(2)：21-24.

[6]仲 辉.TSP203在某隧道地质超前预报中的应用[J].采矿技术，2007(3)：167-168.

[7]蓝 航，杜涛涛，彭永伟，等.浅埋深回采工作面冲击地压发生机理及防治[J].煤炭学报，2012，37(10).

[8]张子君.地震勘探反射共偏移探测技术在里彦煤矿的应用[J].山东煤炭科技，2012(3)：21-22.

[责任编辑：施红霞]

ApplicationofReflectionCommon-offsetExplorationTechnologyinGeologicalTectonicDetectioninDrivingFace

LAN Hang1,2

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.Rock Mechanics & Supporting Professional Committee, China Coal Science Association, Beijing 100013, China)

In order to further detecting collapse column explored by 3-d seismic exploration in driving roadway, applying reflection common-offset technology, it was believed that air-return roadway driving would not be influenced by this collapse column, but be influenced by broken zone and coal-seam thickness variation zone.Actual driving proved this conclusion, which showed this technology had practical value for referring roadway's safe driving.

reflection common-offset; driving roadway; tectonic anomaly exploration; collapse column; thickness variation

2014-02-13

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.006

国家自然科学基金资助项目(51104086)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAK09B01)

蓝 航(1978-)，男，湖北利川人，高级工程师，博士研究生，主要研究方向为岩石力学和冲击地压。

蓝 航.反射共偏移探测技术在掘进工作面地质异常探测中的应用[J].煤矿开采，2014，19(4)：22-24.

TD15；P631.4 25

A

1006-6225(2014)04-0022-03