反射槽波地震勘探技术在煤矿采空区探测中的应用

刘贵明，任爱国，王克明，左兆龙

(1.晋能集团太原有限公司，山西 太原 030000；2.北京中矿大地地球探测工程技术有限公司，北京 100089)

槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的地震槽波探查煤层内断层、采空区或其他地质异常的一种物探方法，是地震勘探的一个分支[1]。1955年，Evison首次在煤层中激发与记录到了煤层波，并指出这种波具有频散特征[2]；1963年，T.C克雷(T.C.Krey)发表了槽波频散关系的理论计算及试验结果[3]。随后由于艾里相的应用和井下防爆槽波仪的出现，槽波地震勘探得以突破性发展，在德、英、捷、澳、前苏联、美等国相继得以实际应用于煤田井下勘探[4]。20世纪70年代末，Mason和Buchanan等开展了将反射法槽波地震应用于探测煤层内断层的试验，并提出了一系列槽波成像方法，如动态道集叠加法[5]和自适应延迟叠加[6]等方法。20世纪80年代末，德国的Elson和Schott在多个煤矿开展了反射槽波试验，并在处理过程中引入了极化滤波与包络叠加的方法[7]。我国自20世纪80年代末期开始进行槽波地震研究以来[8]，在理论研究上取得了实质性进展，在实际应用方面也越来越成熟，目前已成为井下物探的主要手段之一[9-12]。本文通过对山西煤炭运销集团拓新煤业有限公司轨道大巷支巷采用反射槽波勘探法探测，探查巷道附近采空区边界位置及延伸情况，通过对反射槽波数据的分析和处理后得到偏移成像图，确定勘探区域内采空区的大致范围，为矿井优化设计、安全开采提供合理的指导。

1 矿井概况

山西煤炭运销集团拓新煤业有限公司为原庙湾煤矿和万胜窑矿整合而成，井田面积1.6209km2，批准开采9#煤层。矿井保有储量为2162万t，设计可采储量886万t，设计生产能力45万t/a，设计服务年限14a。矿井主采太原组9号煤，煤厚10.7～11.0m，平均煤厚10.9m，属全区可采的稳定煤层，煤层结构简单，含夹矸1～3层，顶板岩性为L1石灰岩，底板为砂质泥岩。矿井生产情况及采(古)空区资料不详。原设计将井底车场、中央变电所、中央水泵房及水仓的布置在三条下山之间。全部为岩石巷道，纵横交叉，施工难度极大。

为保证矿井主副水仓、水泵房及中央变电所规划设计位置的合理安全，同时能以较低的工程造价及较短的工期完成施工，需探明轨道大巷支巷50～60m范围内的采空区边界位置及延伸影响，并进一步查清该区域小煤窑老巷的分布情况，决定对该区域开展反射槽波地震探测方法进行采空区探测，为上述巷道及硐室的重新规划布置提供地质保障。

2 反射槽波勘探施工布置

2.1 观测系统

本次勘探范围为拓新煤业轨道大巷支巷两侧区域，勘探区域测线长135m，根据现场踏勘条件，该巷道为近乎水平巷道，煤层分布较为稳定，周围无其他因素干扰，总体条件比较适合反射槽波勘探的施工。为提高探测精度，保证槽波信号最强，所有炮孔位于煤层中间位置，且炮孔深度2m，使用单孔药量200g乳化炸药作为激发震源，炮孔用炮泥封孔来减少声波干扰，封孔长度1m。施工采用较小的道间距进行数据采集，炮间距8m，炮点编号分别为P1—P16；道间距4m，接收点编号分别为J1—J32；总炮数16炮，总接收道数32道。观测系统布置如图1所示。

图1 轨道大巷支巷观测系统布置

2.2 采集装备

此次地震槽波勘探项目使用YTC12分布式槽波地震仪采集数据，检波器采用锚杆连接的方式进行接收震源振动，分布式采集站状态正常情况下，按动采集功能按钮，开始记录数据，并存储至内部存储器。当通过爆炸产生人工地震震动时，触发记录器通过检波器的振动自动记录震源触发时间并存储。检波器采用SN4G-10Hz高灵敏度检波器，记录时长4s。

2.3 采集要求

激发点要求在煤层中间位置钻孔，孔深度为2m，误差小于0.5m；钻孔均布置于煤层中，且与煤层倾斜角度平行。接收孔深度2m，接收点检波器安置方向既平行于煤层，又平行于煤壁，且保证所有检波器方向一致。

2.4 井下环境噪音分析

经调查可知，井下无明显的较大噪声源，基本满足地震数据采集条件。所接收到的第一炮原始单炮地震记录如图2所示。由图2可知，地震波传播至最远距离的检波点时，仍然具有较强的能量，且有效波较为清晰，整体信噪比较高，即说明采集参数，观测系统布置合适。

图2 第1炮地震剖面记录

3 地震资料处理

反射槽波资料处理是利用接收到的反射槽波进行叠加，从而分析解释异常区的空间分布等。反射槽波数据处理流程主要包括数据预编辑、建立观测系统、叠前滤波处理/增益/褶积、叠后动校正和水平叠加、偏移等处理步骤。通过对槽波的频率进行分析，利用窄带滤波提取出有效反射波信号，然后对提取的反射波进行包络计算，经校正后，叠加出偏移成果图。

3.1 频谱分析

在槽波资料的处理分析中，频谱分析是将时间域信号转化为频率域信号加以分析，其目的是把复杂的时间历程波形，经过傅立叶变换分解成若干单一谐波分量来研究。不同炮、不同地震道信号的原始信号波形及其频散曲线如图3所示。分析图3可知，槽波的主要能量频率范围约50～300Hz，为后续数据处理提供滤波参数依据。

图3 频谱分析

3.2 单炮地震记录分析

在探测工作面槽波地震勘探中，共获得32张单炮地震剖面记录。P1号炮点的单炮地震记录如图4所示，经过叠前数据处理后，可以看出在地震剖面记录整体上槽波波形特征较为明显，可清晰见到各个地震道的槽波埃里相的连续情况及其振幅、频率特征。从图4中可以看到，反射槽波在1～21道较为明显，推断在此处存在地质异常。

图4 第1炮反射槽波地震记录(滤波处理后)

3.3 反射叠加剖面

经过处理后的反射槽波叠加偏移剖面如图5所示，从图5中可以看到明显的反射界面形态，说明在此处存在较明显的波阻抗界面。分析所有单炮记录对应反射槽波的位置，与叠后偏移成果剖面位置相对应。

图5 反射槽波叠后偏移成果剖面

4 地震资料解释评价

在实际地质结构中，当区域煤层结构稳定，无异常或反射界面时，槽波在传播过程中无法发生反射，即无反射槽波产生；当区域煤层存在异常构造(断层、采空区边界等)，即煤层中存在反射界面时，槽波在异常区会发生反射，形成反射槽波，通过叠加成像可以得到较明显的波阻抗反射界面。综合已有地质资料和工作面采掘资料，对槽波能量成像结果进行了合理地质解释，勘探工作面解释圈定了5个异常区，分别命名为YC-1、YC-2、YC-3、YC-4、YC-5，如图6所示。

图6 勘探工作面反射槽波勘探地质成果

1)YC-1异常区分布于巷道西北方向，侧帮对应21号检波点至25号检波点之间，距离巷道约43.7～47.3m，该反射界面走向长度约为17m，方位角约为70°～76°之间。结合地质资料和现场资料分析，该处反射界面可能为老窑采空区影响所致。

2)YC-2异常区分布巷道对应3号检波点至18号检波点之间，距离巷道约43～47.5m，该反射界面走向长度约为60m，方位角约为45°～69°之间，结合地质资料和现场资料分析，该处反射界面可能为老窑巷道或采空区影响所致。

3)YC-3异常区域分布于巷道东南方向，侧帮对应11号检波点至16号检波点之间，距离巷道约7.2～15m，该反射界面走向长度约为19m，方位角约为70°～98°之间，结合地质资料和现场资料分析，该处反射界面可能为老窑采空区影响所致。

4)YC-4异常区域存在两条较为明显的反射界面，第一条反射界面分布于巷道东南方向，侧帮对应15号检波点至30号检波点之间，距离巷道约12～13.8m，该反射界面走向长度约为60m，方位角约为67°～71°之间；第二条反射界面分布巷道东南方向侧帮对应17号检波点至27号检波点之间，距离巷道约21.2～25.4m，该反射界面走向长度约为53m，方位角约为51°～70°之间；结合地质资料和现场记录分析，该两处反射界面可能为老窑巷道或采空区影响所致。

5)YC-5异常区分布于巷道东南方向，侧帮对应2号检波点至15号检波点之间，距离巷道约18.5～27.7m，该反射界面走向长度约为60m，方位角约为48°～64°之间，结合地质资料和现场资料分析，该处反射界面可能为老窑巷道影响所致。

根据反射法处理得到的叠后地震剖面记录可知，本次反射法反射槽波地震勘探段内，存在检波器与煤岩的耦合误差，造成噪声干扰，对本次反射槽波勘探影响较大。

5 现场验证及应用

本次反射槽波勘探解释的五处异常区经现场实测验证结果如下：在巷道北侧探测的两处异常区YC-1、YC-2，已经过钻探得到验证；在巷道南侧探测的两处异常区YC-4、YC-5也已经过巷探得到验证；另有一处YC-3异常区为假异常，为老窑巷道反射激发的槽波所导致。

根据本次反射槽波勘探结果对矿井井下巷道布置的设计进行了变更，即：原主副水仓、水泵房及中央变电所设计位于采区巷道东侧，变更后位于采区巷道西侧，该区域为本次勘探结果证实不是采空区的区域，这样可大大减少了岩巷掘进工程量，为矿井合理规划开采区域提供参考。

6 结 论

1)在反射槽波地震勘探技术中，合理的布置反射观测系统、高质量的数据采集以及一系列的槽波数据处理分析都影响着探测的精度和准确率。其中，反槽波数据处理的关键是滤波处理、切除干扰波、偏移叠加以及综合地质解释。

2)反射槽波地震勘探技术在拓新煤矿的应用，可以为精确划定采空区区域及空巷提供重要资料，将二期主要硐室放在勘探已经证实不是采空区域的煤层内，为设计变更提供了合理依据，为合理规划开采范围提供了重要参考资料。