槽波反射法在工作面大断层上下两盘延伸发育探测中的应用

李梓毓，焦 阳，李江华，2，3，窦文武，廉玉广，2，3，谭 菁

（1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 技术研究院，山西 晋城048006；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013 ）

近年来全国各地煤矿的地质构造情况日趋复杂，井田内煤厚变化大，断层和陷落柱等构造发育分布情况更为广泛，煤层应力集中、煤体破碎、瓦斯富集等现象也日趋常见，这些已经逐渐成为了影响矿井采掘布置和安全生产的主要因素，如果在矿井的采掘过程中无计划揭露上述这些地质构造，都有可能出现冒顶、突水、瓦斯突出等灾难事故，严重影响着矿井的安全生产和经济效益[1-6]。

以往的物探手段中，如地面三维地震勘探和井下无线电透视技术已经很难满足矿方对地质构造的探测需求，地面三维地震勘探受施工条件约束，地面地形高差大，反演成果主要服务于矿井整体煤层展布情况探测及构造发育整体分布情况探测，但在小范围的回采工作面区域的构造探测情况上会出现偏差、准确率较低，难以满足回采工作面对构造探测的需求，且施工周期长、成本较高[7]；井下无线电波透视技术无论在发展与应用上都较为成熟，但此技术传播距离受限，探测工作面纵向分辨率较低，抗电干扰能力弱，对陷落柱构造反应明显，但探测断层仍然难度较大[8]。而在物探结果可靠程度低的情况下，井下钻探的效率就会大幅度降低，若全面双向布置钻孔探测，无固定靶区，则费时费力，且成本过高[9]。

近些年槽波地震勘探技术得到了广泛的应用与发展，其探测精度高，探测距离大，抗干扰能力强，已逐渐成为煤矿构造探测方面最主流的地球物理勘探技术[10-13]。透射法应用于工作面内煤厚及构造探测，技术逐渐成熟[14-15]；反射法则应用于不同波阻抗介质的界面探测，多应用于断层探测，也能够对陷落柱边界与空巷进行探测，且可以利用单一巷道对近走向型断层进行探测，从而指导矿井工作面布置。至今槽波地震勘探技术的应用以其独特的优势已经逐渐成为了煤矿地质构造探测的主要手段，并且已为煤矿生产指导起到了至关重要的作用。

1 槽波地震勘探原理

当在煤层中放炮激发震动时，便会产生地震波，包括P 波和S 波，S 波又包括SH 波和SV 波。这些地震波会向周围传播扩散。由于煤层与其顶底板物理性质差异，其波速明显低于顶底板的波速，地震波传播到煤层顶底板界面时就会被全部反射和折射回煤层内部，相互叠加、干涉形成槽波。当煤层的连续性发生变化时，槽波特征会随之改变，而槽波地震勘探就是通过这些变化的特征分析从而完成地质构造的精细化探查[16-17]。

槽波地震勘探方法有3 种：透射法、反射法以及透射、反射联合探测法。探测原理示意图如图1。

1）槽波透射法是在工作面两侧巷道分别布置放炮激发点与检波器，利用检波器接收另1 条巷道激发传播的槽波信号，通过逐炮逐道的频散分析旅行时拾取或者槽波艾里相振幅拾取计算衰减系数来实现槽波透射速度分析法和衰减系数成像法探测工作面内部构造。

图1 槽波反射法和透射法探测原理示意图

2）槽波反射法探测是在同1 条巷道内同时布置放炮激发点与检波器，当放炮激发后槽波向四周扩散传播，遇到波阻抗不同的2 种介质的交界面后，槽波会发生反射，通过该巷道同时布置的检波器来接收这些反射槽波的信号，经过滤波，增益，包络，叠加，偏移校正等处理方式找到反射信号的艾里相同相轴，从而查明反射界面的位置和延伸长度[18-19]。

3）槽波地震勘探法研究结果表明，适用于槽波赋存特性较好的煤层，其特性主要为煤层的槽导性好、槽波艾里相频率较高，群速度较低。相较于透射法而言，槽波反射法勘探的影响因素更多，包括槽波反射信号的信噪比、槽波频散导致的分辨率降低、反射系数、反射面不平、反射体产状、断层落差、断层面倾角、大断层阻挡、多条断层叠加、探测盲区、声波干扰、煤层褶曲、检波器二次谐振等，特别是在断层探测中，如果断层走向与观测系统测线方向的角度过大（即近工作面倾向断层），检波器难以接收到有效的反射槽波信号，而如果探测区域浅部存在落差大于煤层厚度断层，其深部的反射界面信息会由于槽导性的缺失而难以探明，所以，观测系统的合理布置和反射槽波的数据处理至关重要[20-21]。

2 2313工作面概述及观测系统布置

2.1 工作面概况

2313 工作面设计走向长度1 170 m，切眼宽225 m，主采煤层为3#煤层，煤层平均厚度为5.3 m，为稳定可采煤层。该工作面在23133 巷揭露了1 条向工作面内延伸的名为SF315的正断层，该断层断距18 m，倾角30°~40°，倾向300°左右，但该断层在已圈成的工作面其他巷道中并未出现，说明该断层在工作面内部尖灭，矿方为准确掌握该断层的延伸发育位置，决定利用槽波地震勘探主要针对该断层进行探测。

2.2 槽波勘探观测系统布置

针对2313 工作面的实际情况，利用工作面2 条巷道全部布置检波器与放炮点，通过双边收发透射与双边收发反射针对SF315断层进行探测。

2313 工作面槽波反射观测系统设计图如图2。在23131 巷和23133 巷布置检波器和放炮激发点，共布置了50 道双分量检波器（图2 中●表示），检波器道间距为20 m，61 个放炮激发点（图2 中×表示），激发点炮间距为20 m，单孔药量为200 g，炮检距为10 m；测线长度（放炮激发点与检波器的横向布 置 距 离）23131 为560 m，23133 为630 m；从23131 巷开始逐炮激发接收数据。

图2 2313 工作面槽波反射观测系统设计图

3 2313工作面槽波数据处理分析

2313 工作面槽波地震勘探使用仪器为德国DMT 公司的Summit ⅡEx 防爆槽波地震仪，该仪器检波器安装在工作面钻孔之中，利用皮囊充气技术使检波器与孔壁达到较为理想的耦合状态，从而提高了原始数据的质量。通过对采集的所有的放炮激发点的原始单炮记录进行反射槽波的叠加偏移成像和槽波透射能量衰减系数层析成像处理。

3.1 槽波反射法

利用同1 条巷道布置的检波器和放炮激发点获取原始单炮记录，对槽波信号进行AGC 增益和滤波处理，收集有效的反射槽波信息。再进行CMP 包络叠加、时深转换以及相位偏移等方法对数据进行处理，最终形成槽波反射界面图，并结合实际情况找出清晰有效的同相轴界面，最终分析确定同相轴反射界面的构造类型性质。

本次槽波探测的第20 炮单炮反射记录如图3，是选取比较典型的槽波反射单炮记录。其反射槽波共同特征为：接收到的反射槽波能量强，速度低，根据透射槽波的旅行时和炮检偏移距计算槽波速度在880 m/s 左右，频率相对较高，通过主频分析反射槽波频率主要集中在140~200 Hz。从图3 可以看出，单炮记录上反射槽波信息非常丰富，说明探测区域可能存在多个反射界面。

图3 第20 炮单炮反射记录

23131 巷反射图如图4。可以清晰看到F1同相轴反射界面与SF315断层下盘巷道揭露位置极为吻合，可以推断此界面即为SF315断层下盘反射界面，且在停采线附近断层尖灭（同相轴逐渐消失）。

图4 23131 巷反射成果图

23133 巷反射图如图5。图5 中有2 条较为清晰的同相轴，命名为F2和F3，F2与23131 巷的相交位置在SF315断层下盘23131 巷揭露位置以西35 m 左右，根据SF315断层的断距，倾角和倾向等要素可以计算出理论上SF315断层上盘与23131 巷空间立交位置应在30 m，基本与F2同相轴位置相同，基本可以确定F2同相轴应为SF315断层的上盘反射界面。

图5 23133 巷反射成果图

23133 巷反射F2同相轴相对于F3同相轴为深部反射信息，槽波传播过程中会先经过F3，F3反射界面对槽波传播速度和能量产生影响，槽波在经过F3之后再遇到F2反射界面就可能会受上述影响而出现同相轴实际位置发生偏移或缺失等情况，另外结合F1同相轴的延伸位置也可以辅助分析F2与F3的同相轴延伸情况。

将2 条巷道的反射界面叠加，依上下盘断层图例标识出SF315断层的探测位置（图6）。

图6 2313 工作面槽波勘探成果图

3.2 槽波透射能量衰减系数层析成像法

利用2 条不同的巷道分别布置的检波器和放炮激发点获取原始单炮记录，对槽波信号进行主频分析和滤波处理，突显出透射槽波，并对信噪比较高的各道槽波数据进行相对振幅拾取，通过振幅比值计算其衰减系数，最终进行层析成像，衰减系数大的区域代表地质构造异常影响，衰减系数小的区域代表煤层正常[1-3]。

横向屏蔽作用射线示意图如图7。受观测系统的局限性，槽波透射法探测时，工作面内部如存在近走向型的较大断距断层，会对槽波信号的接收产生横向的类似屏蔽作用，在层析成像中就会出现大片区域的探测异常，纵向分辨率很低，但横向分辨率则不受影响。2313 工作面的SF315断层走向30°左右，倾向30°~40°，断距18 m，平均煤厚5.3 m，完全断开煤层，为工作面内的近走向断层，2313 工作面槽波透射能量衰减系数层析成像如图8。大片区域的能量衰减异常区，在纵向上几乎无法分辨，但在横向上与反射的断层探测结果互相照应，由于断层两端尖灭处，断距变小，不能完全起到屏蔽作用，所以会有部分出入，但整体横向对应效果仍然较好。

4 2313工作面钻探物探成果对比

针对2313 工作面物探成果，在2 条巷道施工了4 个钻孔进行钻探验证，在23131 巷和23133 巷分别施工了2 个钻孔，由于钻孔孔深较长，矿方为了保证探测准确性，对这4 个钻孔进行了测斜，终孔探测位置如图9。

图7 横向屏蔽作用射线示意图

图8 透射能量衰减系数CT 成像图

图9 钻探物探成果对比图

图9 中1#钻孔用以探测F1断层的赋存情况，在126 m 处揭露F1断层，与探测的F1断层赋存位置偏差为6 m；2#～4#钻孔用以探测SF315断层的赋存情况，2#钻孔在101 m 处揭露了SF315断层，与槽波探测结果位置偏差为5 m，3#钻孔在56 m 处揭露了SF315断层，位置偏差为4 m，4#钻孔在100 m 处揭露了SF315断层，位置偏差为8 m。从验证结果来看，F1断层与SF315断层槽波探测结果与实际验证结果偏差不超过10 m，断层赋存位置探测结果很精确，SF315断层在向工作面内部延伸过程中与探测结果相对比更靠近23131 巷一些。

根据最终的探测成果，矿方在进行钻探验证之后，决定将工作面整体停采线位置前移至23131 巷SF315断层探测结果上盘位置前20 m 处，并根据实际探测结果设计了SF315断层以北工作面区域的局部回采方案，此次槽波反射探测结果为矿井生产提供了关键性的指导作用。

5 结 论

1）矿井工作面内发育的大断距的断层，由于其上下盘平面间距已无法忽略，可利用两侧巷道双向探测断层的上下盘反射界面，能够达到高精度控制此类断层的要求，从而为矿井的高效生产进行精确有效的指导。

2）在槽波反射法勘探过程中，受观测系统的局限，在测线边界的CMP 叠加包络同相轴偏移较大，可靠程度较低，难以精确探测测线边界的同相轴延伸情况，可以利用槽波透射能量衰减系数CT 成像技术横向上的高分辨率对边界异常范围进行控制，综合分析断层的具体延伸位置，现今的地球物理勘探技术方法已逐渐由单一手段方法向多种手段多种方法综合探测模式发展，而这种综合探测技术也必将成为主流。

3）当存在2 条以上断层时，利用槽波反射法探测时，槽波传播过程中经过浅部断层会改变槽波的速度和能量，从而使深部断层的探测结果发生改变，如同相轴发生偏移，或无法得到清晰的同相轴。当前理论认为槽波经过断层时会发生折射和反射，折射过程中经过煤岩层交界，会使槽波速度增大，这就造成了上述探测的偏差，但定性的解释无法校正速度变化带来的偏差，槽波在经过各类构造速度的变化规律必然是槽波反射法探测研究的重点。