反射槽波法在探测煤田地质构造中的应用

马彦龙，刘 斌

(中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

槽波探测技术已经广泛应用于煤矿井下工作面内小断层、陷落柱、采空区等地质异常体的探测[1-3]. 槽波探测技术分为透射法与发射法两种，其中，反射槽波法具有在单条巷道掘进完成或者利用工作面一侧巷道向另一侧探测异常信息、探测距离长的优点，给预先工作面布置提供地质依据[4-5].

1 反射槽波原理

这种方法的有效波是反射槽波信号。如果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。因此，识别出这些反射槽波信号就能直接判断出煤层不连续体的位置，见图1，激发点与接收点布置在同一巷道内[6-9].

当震源在煤层中激发时，由于煤层相对于顶底板围岩是一个低速层，大部分弹性波将由于顶底板界面间的多次反射被禁锢在煤层中，相互叠加干涉，形成槽波。槽波在巷道内被激发时将沿煤层传播，当遭遇到断层等具有波阻差异的构造时，一部分的槽波会发生反射，形成反射槽波，被震源所在巷道内的检波器接收到。反射槽波法主要利用形成的反射槽波来探测异常地质构造。

反射槽波成像采用绕射波成像算法。由于槽波仅在煤层中传播，因此槽波的绕射偏移成像一般在煤层所近似的平面内完成。设P(x,y)为平面内一点，则该点上的叠加振幅为：

式中：

N—总炮数；

M—检波器数；

A(tij)—第i个炮集中第j道信号在tij时刻的瞬时振幅；

vg—槽波群速度；

rij—P(x,y)点到第i个震源点和第j个接收点的距离的和[7-11].

2 工程实例

2.1 地质概况

某矿1224工作面往东煤层未采动，属稳定结构煤层，厚度在1.2～1.6 m，平均厚度1.4 m，伪顶在0.7～2.9 m，运输顺槽掘进过程中，巷道内揭露断层3条(F161、F164、F165)，断距为0.7～4.0 m. 在勘探范围内，三维地震解释较可靠陷落柱DX1，可靠陷落柱DX2、异常区DY1，探测区域为1224运输顺槽往东150 m区域，见图2.

图2 探测区域图(灰色区域)

2.2 观测系统设计

1224工作面运输顺槽外侧帮炮点与接收点布置：炮眼设置在煤层中间，垂直于煤壁，深度3.0 m，d42 mm，每个炮眼300 g乳化炸药，检波点道距5 m，炮点道距10 m. 采集槽波一般用SN4-60 HZ纵波检波器，数据采集的采样间隔为0.25 ms，记录长度2 s，布置图见图3.

图3 观测系统布置图(炮点，接收点)

2.3 数据处理

1) 波场类型与速度分析。

以S38炮为例进行初步分析，见图4，S38单张记录中显示4组波，最先到达的是来自围岩的折射纵波，随后是来自围岩的折射横波，最后到达的能量团是直达槽波与反射槽波，实际采集数据中包含较高的噪声，经频谱分析，噪声成分主要分布在80 HZ以下。为了压制围岩折射纵波、折射横波，提高槽波的信噪比，对该工作面采集的槽波数据进行了带通滤波，然后进行CT成像等处理作业。

图4 S38炮滤波后数据图

2) 频散分析。

槽波是典型的频散波，即槽波的速度随频率的改变而变化，通过软件计算出的Love型槽波的频散特征见图5. 从图5可以看出，煤厚1.4 m的埃里相在350 HZ附近，槽波大部分能量分布均集中在埃里相附近。实际数据中包含各种频率的噪声，但其噪声成分大于槽波速度，对本次数据处理影响不大。

图5 Love型槽波频散特征图

3) 处理成果。

槽波具有能量强、速度低、频散等特点。直达槽波对反射槽波的影响很大，频散特性使槽波具有较长的波列，致使反射槽波淹没在直达槽波的续至波列中。因此，在资料处理过程中需要压缩槽波波列以增强反射槽波；其次，槽波没有明显的同相轴，无法直接叠加成像，处理时根据巷道揭露断层情况将成像区域分为3段，每段划分若干个网格单元，依据反射槽波成像方法，将接收信号的能量按照反射槽波的传播路径进行偏移归位，就可以得到探测区域的反射槽波CT成像结果(图6). 成像结果中的条带状异常区域一般与断层或陷落柱等异常构造相对应，结合地质资料进行解释如下：

CX1：西侧边界约30 m，位于1224工作面运输顺槽东侧Y3导线点东侧约40 m处，三维地震解释为较可靠陷落柱，与原解释相比较，西侧边界往西偏移16 m；CX2：西侧边界约65 m，位于1224工作面运输顺槽靠近切眼以东约40 m处，三维地震解释异常区DY1内，为可靠陷落住，与原解释相比较西侧边界偏移了100 m；CX3：西侧边界约120 m，位于1224工作面运输顺槽东侧Y4导线点东侧约42 m处，为槽波新发现陷落住。

4) 钻探验证。

经过打钻验证，解释3个陷落柱位置准确率达到80%以上(图7).

图6 数据处理解释结果图

图7 钻探与探测结果对比图

3 结 论

1) 反射槽波可以利用单条巷道有效探测工作面一侧的地质构造，为工作面布置提供地质依据。

2) 为了更多的形成反射槽波信号，应该针对性的加密道距和炮距。

3) 反射槽波探测1224工作面结果得出3个陷落柱、2条断层，经钻探验证与探测结果相吻合，反映了反射槽波在工作面布置及回采过程中的重要作用。