槽波地震技術(shù)在晉城礦區(qū)中的應(yīng)用研究

高國芹，馬玉龍，李鵬飛

(1.中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊，河北邯鄲 056000；2.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西晉中 030600)

0 引言

槽波地震勘探法是一種礦井地球物理方法，其在煤層中激發(fā)，通過研究地震波在煤層中的傳播規(guī)律，分析煤層中構(gòu)造的一種地球物理方法。Evison在煤層中激發(fā)和記錄到了槽波[1]。Krey從理論和實踐上證明了煤層中槽波的存在，并指出了其應(yīng)用價值[2]。20世紀(jì)80年代起，德、英等國先后把槽波地震技術(shù)投入煤礦實際勘探，在構(gòu)造探測等方面取得了較好的應(yīng)用效果。我國在1977年就引進(jìn)了槽波地震技術(shù)，并做了大量的科研和實踐工作，如重慶煤炭科學(xué)研究所開展了礦井地震槽波試驗[3]，許振楠利用槽波地震法開展了探測煤礦井下小構(gòu)造的研究[4]，潘冬明利用有限差分合成了love型槽波[5]，王德文研究了槽波反射法探測效果的影響因素和改進(jìn)措施[6-7]。近年來隨著煤礦安全規(guī)程的修訂和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，國內(nèi)槽波技術(shù)迎來爆發(fā)式發(fā)展，姬廣忠、崔偉雄等開展了槽波三維數(shù)值模擬、高精度反演[8-9]，任亞平、王保利、錢建偉等對槽波的波場特征、頻散特征、速度特征進(jìn)行了深度分析研究[10-12]，胡國澤、白永利、王偉等利用槽波地震技術(shù)在煤礦開展了小構(gòu)造的實測研究[13-20]。

本文以山西晉城礦區(qū)某工作面為例，對同一工作面采用透射和反射兩種槽波地震勘探施工方法聯(lián)合探測，有效利用透射信息和反射信息，使透射、反射信息相互補(bǔ)充，交互驗證和修正，增加了解釋的可靠性，并通過揭露的地質(zhì)信息驗證了該方法的優(yōu)越性，效果顯著。

1 槽波地震勘探原理與分類

1.1 槽波原理

槽波地震勘探是以地質(zhì)異常體與圍巖的波阻抗差異為基礎(chǔ)，通過觀測和分析在煤層中人工建立地震波場特征尋找地質(zhì)異常體的一種物理勘探方法。與傳統(tǒng)地面地震勘探不同的是，槽波在煤層中激發(fā)，由于煤層上下圍巖往往是砂巖或灰?guī)r，其密度一般是煤層的兩倍，因此煤層中激發(fā)得到的地震子波在速度為高—低—高的層狀模型中傳播。根據(jù)斯奈爾定律，波又低速介質(zhì)向告訴介質(zhì)中傳播時，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時，地震波在波阻抗界面發(fā)生全反射，進(jìn)而產(chǎn)生折射地震波，與反射波相互干涉、疊加形成強(qiáng)干涉波，即槽波[16-17]。由于槽波僅在煤層中傳播，因此，地震波的能量在傳播過程中衰減少，傳播距離遠(yuǎn)，而且槽波的波形容易被拾取和辨別，攜帶的地質(zhì)信息豐富且真實。

1.2 槽波地震勘探方法

根據(jù)炮、檢在煤層的空間位置關(guān)系，槽波地震勘探可被劃分為炮、檢對側(cè)的透射槽波勘探法、炮、檢同側(cè)的反射槽波勘探法。

1)透射槽波勘探。透射槽波勘探法，需要至少兩條巷道。數(shù)據(jù)采集時，炮點和檢波點分別布置在工作面的兩側(cè)巷道。根據(jù)分析透射槽波的有無、強(qiáng)弱及有關(guān)參數(shù)，來判斷煤層中的構(gòu)造異常[16]。透射槽波勘探法通常用于探測煤層內(nèi)的中小型隱伏地質(zhì)構(gòu)造和煤層厚度變化。透射槽波數(shù)據(jù)采集簡單、資料處理和解釋比較便捷，同時，透射槽波能量較強(qiáng)，探測深度大、解釋準(zhǔn)確率高，因而應(yīng)用最為廣泛

2)反射槽波勘探。反射槽波勘探法，炮點與檢波器布置在工作面同一側(cè)巷道內(nèi)，炮點激發(fā)的地震子波在煤層中傳播，當(dāng)遇到構(gòu)造等波阻抗界面時，形成反射信號，被檢波器接收。根據(jù)檢波器接收到的反射槽波能量的強(qiáng)弱，來判斷煤層中是否存在斷裂構(gòu)造等異常體。反射槽波勘探主要用于探測煤層內(nèi)的隱伏斷裂構(gòu)造，但是，由于槽波反射信息能量較弱，信噪比較低，探測距離往往較為有限，相較透射槽波勘探，反射槽波勘探單獨應(yīng)用并不廣泛。

3)透射—反射聯(lián)合勘探法。將檢波點分別布設(shè)于工作面的兩側(cè)巷道的煤層中，在任意一側(cè)布設(shè)炮點并激發(fā)地震波，兩側(cè)巷道的檢波器分別可以接收到透射信號和反射信號。這樣利用同一震源可以同時獲取到透射和反射信息，將兩種信號進(jìn)行聯(lián)合處理、綜合解釋從而可以提高探測的準(zhǔn)確性。

2 工作面概況與槽波觀測系統(tǒng)布置

2.1 工作面概況

山西晉城礦區(qū)某工作面走向長度為1 260m，切眼寬度為195m。工作面共揭露11條斷層，其中軌道順槽6條，皮帶順槽5條，落差最大為2.8m，最小為0.7m，切眼未揭露斷層，工作面面內(nèi)可能存在其他隱伏的斷層。該工作面煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層厚度最大為3.1m，最小為2.2m，平均2.6m，工作面煤層基本為全煤。

2.2 地質(zhì)與地球物理特征

晉城礦區(qū)含煤地層是典型的層狀結(jié)構(gòu)，煤層與巖層相互交替，各層位之間由于巖性不同存在明顯的密度差異。本次研究區(qū)工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂?shù)装逯饕獮樯百|(zhì)泥巖和泥巖，工作面內(nèi)煤層與圍巖的物性(密度、速度)存在明顯差異，因此工作面地震地質(zhì)條件基本具備槽波探測的要求。本次槽波地震法主要解決的地質(zhì)問題為：探查該工作面內(nèi)落差大于1/2煤厚(即>1.3m)隱伏斷層的延展情況。

2.3 槽波勘探工程布置

本次采用槽波透射法和槽波反射法對工作面內(nèi)中小構(gòu)造進(jìn)行探測，分別在工作面皮帶順槽和軌道順槽布置炮點和檢波點。

槽波勘探布置示意圖如圖1所示，圖中品紫色叉號代表炮點位置，并用以P作為炮點標(biāo)志，藍(lán)色原點表示檢波點布置位置；用J作為檢波點的標(biāo)志。檢波點間距為10m，炮點間距為20m，現(xiàn)場布置完成后，分別在皮帶順槽和軌道順槽，逐個放炮激發(fā)并采集地震信號。

圖1 槽波勘探工程布置Figure 1 In-seam seismic prospecting engineering layout

3 槽波數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)

本次槽波勘探研究采用“KDZ3114礦井分布式震波勘探儀系統(tǒng)”，數(shù)據(jù)處理采用了“KDZ3114礦井分布式震波勘探儀(解析軟件)”軟件平臺。數(shù)據(jù)采集完成后，主要開展以下數(shù)據(jù)處理過程。

1)數(shù)據(jù)加載與預(yù)處理：將采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)入處理軟件，將明顯的壞道、空點等進(jìn)行剔除。

2)觀測系統(tǒng)建立：根據(jù)炮點與檢波點的測量信息，建立炮-檢對應(yīng)關(guān)系。

3)零漂校正：消除數(shù)據(jù)采集時可能產(chǎn)生的電信號偏移。通過“零漂校正”，將數(shù)據(jù)平均線回歸零直線上下。

4)數(shù)據(jù)編輯：數(shù)據(jù)編輯主要包含剔除不正常炮、道的道編輯；消除儀器系統(tǒng)延時和數(shù)據(jù)采樣延時所做的波形移動編輯；消除松動圈厚度不一致和雷管延時不一致所引起的初至校正。

5)頻譜分析：地震子波是脈沖信號經(jīng)過大地濾波作用形成的在時間域具有時間延展，在頻率域具有一定頻帶寬度的信號。頻譜分析的目的是把時間域信號，經(jīng)過傅里葉變換轉(zhuǎn)換成頻率域來研究，分析信號的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波相位信息。

圖2為本次槽波透射勘探頻譜分析得到的頻率-能量曲線圖。頻率-能量曲線圖展示了經(jīng)過傅里葉變換之后的結(jié)果值。通過分析可知工作面主頻在60～420Hz，從而為一維濾波提供依據(jù)。

圖2 頻譜分析窗口Figure 2 Frequency spectrum analysis windows

6)時頻分析：時頻分析可對某一道地震信號分析其頻率成分隨時間的變換規(guī)律，以識別槽波出現(xiàn)的時間段。圖3為研究區(qū)工作面槽波時頻分析圖，時間在80～400ms，頻率在70～420Hz能量比較集中，結(jié)合頻譜分析及時頻分析從而為一維濾波(帶通濾波)提供參考依據(jù)。

圖3 研究區(qū)地震資料時頻分析Figure 3 Study area seismic data time-frequency analysis

7)頻散分析：頻散即速度隨頻率的改變而變化的現(xiàn)象，是槽波最明顯的特征?；趩蝹€記錄道、也有基于多個記錄道的方法。研究區(qū)槽波頻散分析譜如圖4所示，勘查區(qū)槽波埃里相為130～190Hz，且主要在160Hz附近，埃里相速度約為1000m/s。本次勘探噪聲成分主要在0～60Hz，對數(shù)據(jù)處理影響不大。

圖4 研究區(qū)地震勘探頻散分析Figure 4 Study area seismic prospecting frequency dispersion analysis chart study area

4 槽波探測成果分析

4.1 透射法探測斷層

圖5為研究區(qū)工作面槽波能量衰減系數(shù)成像圖，圖中顏色由藍(lán)—黃—紅色過渡，表示衰減系數(shù)逐漸增大。衰減系數(shù)的變化反映了槽波在煤層傳播時能量衰減分布規(guī)律，藍(lán)色區(qū)域表示能量衰減小，構(gòu)造簡單或煤層正常；紅/黃色區(qū)域表示能量衰減相對較大，代表該區(qū)域構(gòu)造發(fā)育。

根據(jù)能量衰減系數(shù)分布圖和巷道揭露斷層的落差等特征，以及槽波傳播及能量阻擋路徑組合來解釋面內(nèi)隱伏地質(zhì)異常體；異常帶衰減值越大(越紅)，地質(zhì)異常體阻擋能量能力強(qiáng)，斷層落差或者陷落柱范圍越大。

結(jié)合巷道實測地質(zhì)剖面，根據(jù)槽波能量衰減成像成果，如圖5所示，研究區(qū)工作面槽波探測共圈定9個透射異常區(qū)，分別命名為DZ-1、DZ-2、DZ-3、DZ-4、DZ-5、DZ-6、DZ-7、DZ-8和DZ-9，其中8處為巷道揭露斷層或斷層組的響應(yīng)，1處推斷為工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造引起，具體位置詳見圖5。圖中藍(lán)色-綠色-黃色-紅色代表槽波衰減逐漸增強(qiáng)，藍(lán)色為煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定區(qū)域，綠色-黃色-紅色區(qū)域代表煤層破碎或者斷層發(fā)育。

圖5 槽波能量衰減系數(shù)成像Figure 5 In-seam wave energy attenuation coefficient imaging

4.2 反射法探測斷層

由于槽波反射地震的有效探測深度略小于研究區(qū)工作面寬度，因此在工作面兩側(cè)的軌道順槽和皮帶順槽分別采集，圖6為工作面槽軌道順槽及皮帶順槽波反射成果圖。圖中橫坐標(biāo)代表共中心點號(與測線位置一一對應(yīng))，縱坐標(biāo)代表地震波的時間軸。槽波埃里相速度根據(jù)本次頻散分析獲得，埃里相速度約為1 000m/s，結(jié)合反射槽波在時間軸上的位置，可以計算出異常體距探測巷幫的距離。

如圖6所示藍(lán)色虛線圈出的槽波反射能量異常區(qū)，即槽波反射能量相對較強(qiáng)，綠色虛線為推斷斷層的延展情況，共圈定6個異常區(qū)域，分別命名為FS-1、FS-2、FS-3、FS-4、FS-5和FS-6。

圖6 槽波反射地震勘探成果Figure 6 In-seam reflection seismic prospecting results

4.3 透射與反射對比

將研究區(qū)工作面槽波透射探測能量衰減成像成果以及槽波反射探測成果進(jìn)行疊加對比(圖7)，并結(jié)合該礦井地質(zhì)構(gòu)造分布規(guī)律及研究區(qū)工作面采掘工程揭露的地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋，綜合分析得出以下結(jié)論，具體詳見表1所示。

圖7 研究區(qū)槽波透射及反射探測異常疊加Figure 7 Study area in-seam transmission and reflection prospected anomalies superposition

表1 工作面槽波探測異常區(qū)特征分析Table 1 Working face in-seam prospecting abnormal place characteristic analysis results

4.4 探采對比分析

經(jīng)槽波數(shù)據(jù)處理，獲得了研究區(qū)工作面槽波能量衰減系數(shù)圖和槽波反射成果圖，通過對比本次兩種探測方法下的對地質(zhì)構(gòu)造解釋程度，研究區(qū)工作面槽波探測選擇槽波透射成果作為基礎(chǔ)，槽波反射成果作為輔助分析資料，并結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料對解釋異常區(qū)進(jìn)行分析。根據(jù)對槽波透射、反射異常區(qū)的分析，并結(jié)合相鄰回采工作面順槽掘進(jìn)的實際情況，得到了槽波探測解釋成果平面圖，共解釋了10條斷層(圖8)，包括了4條逆斷層和6條正斷層，并對可靠性進(jìn)行說明，其中2條較可靠斷層，其余8條為可靠斷層(表2)。

表2 工作面槽波探測解釋成果表Table 2 Working face in-seam prospecting interpreted results

圖8 槽波解釋斷層與相鄰工作面已知斷層的位置關(guān)系Figure 8 Positional relationship between in-seam interpreted faults and neighboring working face known faults

5 結(jié)論

1)在晉城礦區(qū)，單一的槽波方法具有一定的局限性，影響其探測的精確性。槽波透射勘探探測深度大，槽波反射勘探反射信息較弱，受施工條件影響，采用透射-反射聯(lián)合探測，綜合解釋則能夠相互補(bǔ)充、驗證，提升解釋精度。

2)通過聯(lián)合探測，綜合解釋，本次槽波探測研究工作解釋了落差小于1.5m的10條斷層，并根據(jù)揭露的地質(zhì)信息對解釋成果進(jìn)行了可靠性評價，其中可靠斷層8條，較可靠斷層2條。