礦井地震在隱伏構(gòu)造探測中的應(yīng)用

秦道霞 郭玉成 王立棟

（1.肥城集團(tuán)單縣能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274300；2.山東科技大學(xué)資源學(xué)院，山東 泰安 271000）

陳蠻莊煤礦3402 工作面在巷道掘進(jìn)時(shí)，揭露了落差在1.0～5.0 m 范圍內(nèi)的正斷層9 條，預(yù)計(jì)回采時(shí)，還可能受到未揭露斷層的影響。確保工作面安全高效回采，則需查明3402 工作面隱伏斷層位置及范圍。

1 工程實(shí)例

3402 工作面走向長為884.8 m，切眼傾斜長為180 m。地面大部分為農(nóng)田，礦井上方存在2 條村級公路，并且存在低壓線1 條、高壓線2 條。該工作面作為3400 采區(qū)的首采工作面，正在回采的3206 工作面在其東南方向，周圍再無其他回采或掘進(jìn)活動(dòng)。工作面3 煤為焦煤，根據(jù)實(shí)際揭露的煤層資料，3 煤厚度0.7～4.6 m，平均為3.1 m 厚，傾角在25°～39°之間，平均32°，3 煤層整體結(jié)構(gòu)相對簡單。

2 地震反射共偏移探測

2.1 探測方法

地震勘探利用地層中的介質(zhì)彈性及密度具有差異，分為反射法、折射法及地震測井[1-2]。在3402工作面勘察過程中，通過采用地震反射共偏移探測技術(shù)對地層進(jìn)行勘探，依據(jù)反射波勘探原理[3-4]，在實(shí)際探測過程中如果需要采用單側(cè)排列觀測系統(tǒng)，在接收點(diǎn)布置的時(shí)候只需要將接收點(diǎn)布置在巷道同一側(cè)，再進(jìn)行地震激發(fā)與數(shù)據(jù)采集的過程，觀測形式如圖1。實(shí)際探測過程中為了保證反射段出現(xiàn)多次覆蓋減少因?yàn)閿?shù)據(jù)測量引起的誤差，通常需要滿足反射段的長度L大于步距P。地震反射共偏移法對構(gòu)造的探測效果是十分有效的。

圖1 單邊排列多次覆蓋示意圖

針對煤礦特殊環(huán)境，震源一般是選用錘擊或者放炮的方式。本次探勘選用放炮的激發(fā)方式。

2.2 施工設(shè)計(jì)

勘探設(shè)備：KDZ1114-6A30 型便攜式礦井地震儀、TZBS 系列傳感器（主頻為60 Hz）。

現(xiàn)場采集所設(shè)置的參數(shù)見表1。

表1 儀器采集參數(shù)

在3402 工作面探測現(xiàn)場，采用10 道共偏移連續(xù)探測追蹤，在完成激發(fā)點(diǎn)單邊排列后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選定最佳偏移距以及檢波器的間距進(jìn)行探測。在3402 軌道順槽和膠帶順槽內(nèi)幫采用放炮的方式激發(fā)，現(xiàn)場共放94 炮，其中軌道順槽44 炮、膠帶順槽50 炮。軌道順槽第1 炮位于W13 測點(diǎn)向里13.5 m，采用順移前進(jìn)式觀測方式，選用6 m 激發(fā)間距，偏移距30 m，道間距2 m，步長6 m?，F(xiàn)場探測測線布置如圖2。為了確保數(shù)據(jù)精度，實(shí)際計(jì)算時(shí)不能用設(shè)計(jì)點(diǎn)距來計(jì)算，應(yīng)該按實(shí)測點(diǎn)距來進(jìn)行運(yùn)算。圖3 為現(xiàn)場采集第20 炮～第38 炮數(shù)據(jù)原始波形圖。

圖2 現(xiàn)場探測測線布置

圖3 第20 炮～第38 炮數(shù)據(jù)原始波形圖

3 偏移成像數(shù)據(jù)處理

從時(shí)間域及深度域兩方面來對通過現(xiàn)場探測采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)時(shí)深轉(zhuǎn)化，再通過已知地質(zhì)資料分析，經(jīng)過深度域反射相位同相軸追蹤對比分析后，最終形成地質(zhì)剖面[5-6]。具體流程圖如圖4。

圖4 偏移成像數(shù)據(jù)處理流程圖

將現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間域數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為深度域數(shù)據(jù)信息，需對數(shù)據(jù)完成速度分析和偏移成像處理，其中包括定義射線平均速度及確定偏移距、偏移范圍、偏移道數(shù)等。經(jīng)過大量現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所得，當(dāng)勘探現(xiàn)場的炮檢距變化范圍不大時(shí)，由于時(shí)間足夠短，精確偏移速度可采用采樣均方根速度替代；偏移范圍是以道數(shù)為單位的偏移道數(shù)，并且要得到正確的偏移歸位，使所得出剖面與實(shí)際情況更加貼合，反射點(diǎn)的偏移距離應(yīng)該被包括在偏移范圍以內(nèi)。偏移距離OO'是反射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的水平距離，可以通過OO'=1/2·V·t0·sinφ公式算出。其中t0為垂直反射時(shí)間，ms；φ為反射界面的傾角（°）；V為地震速度，m/ms；偏移道數(shù)等于偏移范圍除以道間距一半。對于成像參數(shù)，本次現(xiàn)場探測所選用的參數(shù)見表2。

表2 偏移成像參數(shù)表

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，得到直達(dá)縱波的平均速度為3.0 m/ms，選擇3.0 m/ms 為偏移初始平均速度。本次現(xiàn)場探測利用發(fā)射點(diǎn)單邊排列多次覆蓋數(shù)據(jù)的方法采集數(shù)據(jù)，現(xiàn)場探測過程中應(yīng)該盡可能保證每次發(fā)射震源信號時(shí)各參數(shù)相同，減少數(shù)據(jù)采集中的誤差。

本次現(xiàn)場地震勘探選取軌道順槽W13 測點(diǎn)向里13.5 m 位置處為坐標(biāo)零點(diǎn)，建立三維立體坐標(biāo)系，確定接收點(diǎn)及激發(fā)點(diǎn)相對位置坐標(biāo)。將所探測范圍以單元格的形式進(jìn)行離散處理，其中由實(shí)際的勘探精度要求決定網(wǎng)格密度，用（X0，Z0）來表示反射點(diǎn)的位置坐標(biāo)，用V0來表示反射點(diǎn)周圍介質(zhì)的速度。這樣使圖中每個(gè)單元格都作為波場中反射點(diǎn)，而一個(gè)點(diǎn)受到每個(gè)震源影響所形成的道集就是共像點(diǎn)地震道集。

4 偏移成像數(shù)據(jù)分析及其結(jié)果

本次探測區(qū)域信號主頻在50～450 Hz，主頻信號豐富，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量很好。成果解釋圖如圖5，具體分析解釋如下：探測解釋2 個(gè)構(gòu)造異常區(qū)YC1、YC2。其中YC1 構(gòu)造異常區(qū)呈帶狀分布，長度略長，其位置位于W10 測點(diǎn)左側(cè)26 m 至W12 測點(diǎn)左側(cè)27 m 處，長度大約115 m，軌道順槽以里83～91 m 范圍內(nèi)，該異常區(qū)內(nèi)可能含有隱伏斷層或煤層破碎帶。YC2 構(gòu)造異常區(qū)呈帶狀分布，長度較長，其位置位于C37 測點(diǎn)左側(cè)38 m 至C34 測點(diǎn)左側(cè)33 m 處，長度大約256 m，膠運(yùn)順槽以里35～50 m 范圍內(nèi)，推斷該異常區(qū)內(nèi)有可能含有隱伏斷層或煤層破碎帶。結(jié)合已經(jīng)揭露的斷層情況可知，以上兩個(gè)異常區(qū)中YC1 有可能是已經(jīng)揭露的f8 斷層向面內(nèi)發(fā)育的隱伏斷層構(gòu)造，YC2 可能是受到已經(jīng)揭露的f5 斷層影響下形成的異常響應(yīng)。經(jīng)過后期回采揭露情況，YC1異常區(qū)附近存在發(fā)育的隱伏小斷層構(gòu)造使得該處呈現(xiàn)異常響應(yīng)。異常區(qū)YC2 主要是受到f5 斷層影響下使得該區(qū)域出現(xiàn)煤層破碎帶呈現(xiàn)異常響應(yīng)。結(jié)合前期三維地震勘探結(jié)果與后期現(xiàn)場揭露情況對比后，發(fā)現(xiàn)反射共偏移地震勘探方法很好地彌補(bǔ)了地面三維地震方法對礦井某些小地質(zhì)構(gòu)造定義不準(zhǔn)的局限，有效地保障后期回采工作安全進(jìn)行。

圖5 工作面地震構(gòu)造探測成果解釋圖

5 結(jié)論

（1）3402 工作面在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)9 條揭露斷層，其面內(nèi)還存在其他隱伏結(jié)構(gòu)的可能性較大，使用地震反射共偏移探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3402 工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造的探測。

（2）通過數(shù)據(jù)處理后，探測成果中出現(xiàn)2 處高振幅的地震記錄，有很強(qiáng)的能量被反射回來。利用地震反射共偏移探測技術(shù)圈定了2 處構(gòu)造異常區(qū)，為工作面安全高效回采提供可靠依據(jù)。

（3）實(shí)踐證明，利用地震反射共偏移探測技術(shù)在探測工作面內(nèi)所存在的隱伏構(gòu)造時(shí)，總體效果較好，并且能夠進(jìn)一步改善地面三維地震勘探技術(shù)對于工作面內(nèi)存在的小型地質(zhì)構(gòu)造探測不準(zhǔn)的缺點(diǎn)，提高探測的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步促進(jìn)了施工效率。該探測技術(shù)具有探測準(zhǔn)、操作簡便、成本低等特點(diǎn)，在地質(zhì)構(gòu)造勘探領(lǐng)域具有重要意義。