工作面复杂构造坑透及反射槽波透明化探测研究

闫国才

(中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037)

1 引 言

煤矿井下工作面内部的地质构造发育对安全回采带来的影响是巨大的。一直以来，工作面内构造的定性及发育程度精确探测是难以解决的地质问题，针对这个问题及目前流行的煤矿透明化开采趋势，文中采用坑透和反射槽波方法开展了相关研究，通过对构造复杂的工作面进行精细化探测，实现构造零遗漏和准确定性的目标。

工作面回采前必须进行工作面构造和富水性探测，尤其是构造复杂的工作面，透明化探测尤为重要。在坑透探测方面，吴燕清[1]对煤矿井下工作面电磁波探测理论进行了系统研究；肖玉林[2]进一步对无线电波透视成像技术开展了相关研究；吴荣新等[3]在前人的基础上开展了实测场强成像分析与应用；闫国才等[4]针对大透距精细探测进行了研究。在反射槽波研究领域，刘天放等[5]最早将槽波地震勘探引入国内；王季[6]针对采空巷道进行了反射槽波试验研究；姬广忠等[7]进行了三维数值模拟和频散分析；王伟等[8]将层析成像方法成功应用到河南义马矿区。为了切实提高工作面复杂构造的精细探测，文中研究了坑透和反射槽波法的相关理论及各自的优势，从而实现透明化探测的目标，为安全回采提供地质保障，应用推广价值高。

2 透明化探测理论基础

2.1 坑透探测理论基础

坑透探测是在工作面的两条顺槽分别发射和接收，达到多次覆盖的效果。电磁波从发射点出发在均匀煤层中会沿着传播路径逐渐有规律衰减，遇到地质构造衰减会增强且被反射、折射到其他地方，而其他均质体不会受到这些影响，在接收端会形成衰减强弱不同的信息，将场强衰减值和衰减系数进行计算，再经过层析成像算法得到可视化程度高的平面图，为正常煤岩层中的异常体判定提供了依据[9-15]。图1为坑透探测原理示意图，图中红色数字标记为发射点，当遇到断层、陷落柱等构造时，相应发射点所对的接收点数据会发生变化，磁场强度值和衰减系数会改变，进而判断异常区范围[16]。

图1 坑透探测原理示意图

在不考虑电磁散射现象的前提下，电磁波在工作面内部近似于直线传播，电磁波在煤岩介质中传播时任意点的磁场表达式[1]为：

(1)

式(1)中H为实测场强值，dB；H0为初始场强值，dB；β为介质吸收系数；γ为坑透的反演参数；r为收发距，m；θ为方向性因子角，rad，一般取天线轴线与观测点间的夹角为π/2，即sinθ=1。

采用衰减系数层析成像方法[17，18]，将工作面探测区域进行网格剖分，划分为若干个像元，对式(1)进行离散化处理并取对数，可得：

(2)

(3)

2.2 反射槽波探测理论基础

反射槽波[21]是由于激发的槽波在煤层中传播时，如果遇到具有波速差异的地质构造，一部分槽波就会发生反射，携带的信息就会传播到与震源同处于一条巷道中的检波器。图2为反射槽波探测原理示意图，图中红色线表示激发的弹性波传播路径，蓝色线表示遇到异常体反射后传播到检波器的弹性波传播路径。接收到的所有数据经过分析处理提取出槽波，进而去判定异常体的性质，实现透明化探测的目标[6,22]。

图2 反射槽波探测原理示意图

检波器接收到的信号成分复杂多样，单纯就槽波而言，由于反射槽波的检波器与震源在同一巷道的同一侧帮布设，因此就某一固定的检波器而言，直达槽波的传播路径明显短于反射槽波的传播路径，再加上直达槽波能量衰减小强度大，对反射槽波信号覆盖性强，噪声凸显，有用槽波信号弱，信噪比低，必须采取压制直达槽波的手段，才能达到反射槽波探测的效果[23]。在这种情况下，有针对性地压制直达槽波，增强反射槽波的能量，来提高信噪比，经过滤波、散射压制及偏移成像得到反射槽波探测成果。对平面内的任意一点P(x,y)，基于绕射偏移法来计算该点的叠加振幅[6,24-27]，计算公式如下：

(4)

式(4)中,N为总激发次数；M为检波器个数；A(tij)为第i个激发阵列中第j道接收信号在tij时刻的振幅，cm；rij为P(x，y)点到第i个激发点和第j个接收点的距离之和，m。某道数据的瞬时振幅A(t)为：

(5)

构造反射回来的槽波，在网格剖分像元点、激发点、接收点的数据关系求解过程中可得到跟反射界面相匹配的振幅权值系数，进而得到异常体的走向及其反射界面，为异常体的定性提供了理论基础，成像质量高，可视化程度高。

3 坑透磁场强度衰减规律及衰减系数分析

坑透资料划分异常区的依据一般为磁场强度衰减值和衰减系数。一般地，断层发育范围的磁场强度衰减值>10 dB，且具有断层断距越大，磁场强度衰减增大的规律；陷落柱发育范围的磁场强度衰减值>30 dB，且当柱体中充填高电阻率、密实的岩性物质时磁场强度衰减很小，当柱体中充填低电阻率、松散的岩性物质时磁场强度衰减增大甚至完全屏蔽吸收，导致接收不到场强值的规律。衰减系数是通过计算得到的相对值，跟磁场强度的衰减规律具有正相关特性，使异常区的划定更直观明了。

如图3所示为磁场强度衰减规律及衰减系数分析示意图，图3(a)表示正常衰减时的情况，计算正常衰减所用的模型为长1 000 m、宽150 m、高3 m的均匀煤层模型；图3(b)表示强衰减时的情况，计算强衰减所用的模型为长1 000 m、宽150 m、高3 m的均匀煤层中间含有长20 m、宽20 m、高3 m的高阻异常体模型。图中红色线表示理论场强值，绿色线表示实测场强值，蓝色线表示衰减系数。从曲线图中可以看出，正常衰减区域的实测场强值接近于理论值，衰减系数曲线近似于平滑水平线段；强衰减区域的实测场强值明显低于理论值，衰减系数曲线呈锯齿状。在仅有坑透探测资料的前提下，通过磁场强度衰减规律及衰减系数分析可准确判定异常区的范围，再结合现场记录情况和掘进揭露情况即可确定异常区分布范围。

图3 正常衰减与强衰减时的磁场强度、衰减系数变化示意图

4 反射槽波滤波及散射压制效果分析

反射槽波信号相对较弱，在直达槽波和其他干扰的影响下，反射槽波信号被压制得更弱，这就需要采用技术手段压制干扰从而提高信噪比。反射槽波是槽波信息中的一部分，而槽波的艾里相存在于一个很窄频带中，可以通过频率域滤波实现槽波的突显效果，通过波速滤波把高速波滤除。散射在非均质体中都会产生，对有效波的影响很大，尤其是广角散射波，对信噪比的影响严重。采用散射波成像的原理实现了信噪分离，压制了干扰散射波。

如图4所示为反射槽波滤波及散射压制前后单炮记录示意图，图4(a)为处理前的单炮记录，图4(b)为处理后的单炮记录。对比两图发现处理后的单炮记录图槽波波形特征明显，可清晰见到各地震道的反射槽波艾里相的连续发育特征。说明滤波及散射压制后反射槽波信噪比明显提高。

图4 反射槽波滤波及散射压制前后单炮记录示意图

5 探测应用及地质验证

5.1 地质概况

某矿8115工作面走向长1 200 m，倾向长150 m，地层呈波状起伏，受构造影响，向斜、背斜相间，地层倾角2°～6°，平均4°左右。5#煤层煤厚12.56～18.21 m，平均14.80 m，含有1～3层夹矸，单层夹矸最大厚度0.66 m。煤层为黑色，块煤为主，少量粉未状，亮煤为主，次为暗煤，油脂光泽，属半亮至光亮型煤。顶板为深灰色泥岩，致密，性脆，参差状断口，波状及直线型斜层理；底板为粉砂岩，浅灰色，致密，张性，平坦断口，波状层理及脉状层理。

5.2 探测布置

坑透现场采集工作是在围面完成后开展的，按照工作面实际情况，布置测点间距为10 m，发射点间距为50 m，每个发射点对应11个接收点，其中运输巷布置23个发射点、114个接收点，回风巷布置23个发射点、114个接收点。经现场试验确定发射频率选择1.5 MHz。

反射槽波现场探测的道间距为10 m，炮间距为20 m，共设计炮点数57个，测点数114个。激发炮孔位于巷道煤壁中间且垂直于煤壁，距底板1.0～1.5 m，孔深3.0 m，孔径≥42 mm，单孔药量200 g，用炮泥充满炮眼空间并捣实，瞬时无延时激发，检波器采样间隔0.25 ms。

图5为坑透和反射槽波具体探测布置图，图中红色数据标注为坑透发射点、蓝色数据标注为坑透接收点；红色实心圈表示反射槽波炮点、蓝色实心三角表示反射槽波接收点。

图5 坑透及反射槽波探测布置

5.3 坑透探测成果地质解释

图6为8115回采工作面坑透成果图，从图中可以看出，坑透对异常区的圈定范围较大，总体相对衰减系数在0.31<η<0.71范围之间，图中填充颜色自蓝色至红色对应为相对衰减系数从大到小，表示电磁波衰减程度变化。结合探测成果和已揭露地质资料，将相对衰减系数在0.62<η<0.71范围定义为相对强衰减区，将相对衰减系数在0.58<η<0.62范围定义为相对较强衰减区，其他为相对正常区域。成果图中共划定异常区6处，其中异常区YC1电磁波衰减值在10～15 dB之间，为相对强衰减区，结合巷道揭露资料，判断该异常区为断层发育所致；异常区YC2电磁波衰减值在10～13 dB之间，为相对强衰减区，结合地质资料，判断该异常区为工作面内的隐伏断层和裂隙发育所致；异常区YC3电磁波衰减值在10～18 dB之间，为相对强衰减区，结合地质资料，判断该异常区为工作面内的隐伏构造发育所致；异常区YC4电磁波衰减值在10～17 dB之间，为相对强衰减区，结合地质资料，判断该异常区为工作面内隐伏断层发育所致；异常区YC5电磁波衰减值在5～10 dB之间，为相对较强衰减区，结合揭露情况，判断该异常区为断层发育所致；异常区YC6电磁波衰减值在5～12 dB之间，为相对较强衰减区，结合地质资料，判断该异常区为工作面内断层发育所致。

图6 8115回采工作面坑透探测成果

5.4 反射槽波探测成果地质解释

图7为8115回采工作面反射槽波成果图，从图中可以看出，反射槽波对异常体的性质判定更为精确，图中红色显示范围为槽波衰减较大区域，为构造发育所致。结合反射槽波探测成果、坑透探测成果和已揭露地质资料分析，成果图中共划定异常体6处，其中异常体YC1判断为断距大于1/2煤厚的断层影响所致，断层与工作面走向夹角约50°，沿工作面内延伸长度约240 m；异常体YC2判断为断距大于1/2煤厚的断层影响所致，断层与工作面走向夹角约12°，沿工作面内延伸长度约250 m；异常体YC3判断为断距大于1/2煤厚的断层影响所致，断层与工作面走向夹角约25°，沿工作面内延伸长度约80 m；异常体YC4判断为陷落柱边界产生的绕射波所致，陷落柱沿工作面走向延伸长度约100 m，垂直于工作面走向延伸约90 m；异常体YC5判断为断距大于1/2煤厚的断层影响所致，断层与工作面走向近似平行，沿工作面内延伸长度约100 m；异常体YC6判断为断距大于1/2煤厚的断层影响所致，断层走向与工作面走向近似平行，沿工作面延伸长度约265 m。

图7 8115回采工作面反射槽波探测成果

5.5 地质验证

针对探测成果圈定的的异常体及其性质布设六个钻孔进行验证，如图8所示为验证钻孔布置及钻孔柱状图，图中钻孔柱状图中黑色区域表示煤，密集点状区域表示粉砂岩，点状区域表示细砂岩或粗砂岩，煤层直接顶板为粉砂岩或细砂岩，老顶为中粗砂岩。从图8中可以看出，钻探验证的断层均为正断层且不导水，陷落柱岩性为灰岩，钻探验证的陷落柱发育长轴约为105 m、短轴大于55.5 m(约为88 m)，与探测圈定的异常范围吻合较好。说明坑透和反射槽波两种方法相结合可以对异常体进行定性分析。

图8 验证钻孔布置及钻孔柱状图

6 结 论

1)详细分析了坑透的探测原理及其收敛成像算法，为探测结果成像提供了数学基础，对正常煤岩层和地质构造发育煤层的场强衰减和衰减系数进行计算对比，为划分异常区范围提供了判断依据，提高了探测效果，实现了异常体零遗漏。

2)研究了反射槽波探测理论及其偏移成像算法，针对滤波和散射压制方面的效果进行了分析，达到了判定异常体性质及其发育程度的目的，基本实现了工作面回采前的透明化探测。

3)结合某矿工作面复杂地质构造的精细探测结果分析，并经过钻探验证，结果表明探测效果与实际情况吻合较好，明显提高了工作面内构造探测的分辨率和精确度，实现了透明化，为地质构造复杂的工作面安全回采提供地质保障，推广适用性强。