地震槽波探測(cè)法在晉華宮礦8712 工作面地質(zhì)勘探中的應(yīng)用研究

曹 偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

1 概述

晉華宮礦8712 工作面東部、西部均尚未開(kāi)拓，南部與盤(pán)區(qū)運(yùn)輸大巷相接，北部鄰近塔山礦礦界。該工作面走向長(zhǎng)度950 m，傾斜長(zhǎng)184 m，主采5號(hào)煤，煤層總厚度為9.65～14.11 m，平均煤厚11.98 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度變化穩(wěn)定，中部含泥巖及火成巖。晉華宮礦對(duì)該工作面采用槽波方法進(jìn)行探測(cè)，主要對(duì)工作面內(nèi)斷距大于1/2 煤厚的斷層發(fā)育情況。工作面內(nèi)長(zhǎng)軸直徑大于20 m 以上陷落柱的發(fā)育情況以及可能存在的其他適合于槽波探測(cè)的地質(zhì)異常體進(jìn)行探明，實(shí)現(xiàn)井下煤層賦存的準(zhǔn)確測(cè)定，為煤層開(kāi)采方式和工藝的選擇以及安全開(kāi)采作業(yè)提供詳實(shí)的資料依據(jù)。

2 槽波地震勘探原理

槽波地震勘探在地質(zhì)勘探中應(yīng)用較廣，相較于其他物探手段，具有地質(zhì)特征勘探簡(jiǎn)單、識(shí)別度高、物探波形解釋性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[1]。其原理為通過(guò)設(shè)備在煤層中產(chǎn)生槽波，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同的煤層對(duì)槽波的吸收能力和吸收特征不同[2]，槽波經(jīng)過(guò)煤層頂?shù)装鍘r層的反復(fù)反射，最終表現(xiàn)出具有明顯特征的波形，通過(guò)對(duì)接收到槽波的特征分析，即可探明探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。該方法主要用于對(duì)煤層斷層、陷落柱以及煤層厚度變化探測(cè)[3]。槽波形成原理示意圖如圖1。

圖1 槽波形成原理示意圖

槽波地震勘探本質(zhì)上是反射槽波與透射槽波組合測(cè)量的方法[4]。反射槽波測(cè)量方法需要將槽波發(fā)生裝置與槽波接收裝置布置在相同的巷道，通過(guò)接收裝置中的檢波器能否接收到震源產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)煤層反射后的反射槽波來(lái)判斷被探測(cè)區(qū)域的煤層連續(xù)性[5]；透射槽波測(cè)量方法需要將槽波發(fā)生裝置與槽波接收裝置布置在不同的巷道，探測(cè)時(shí)震源產(chǎn)生的震波被另一巷道中的檢波器接收到，通過(guò)對(duì)比不同位置檢波器波形，確定探測(cè)扇形區(qū)域內(nèi)煤層的地質(zhì)特點(diǎn)[6]。在槽波地震勘探中，震源炮點(diǎn)只需布置在一側(cè)巷道內(nèi)，則數(shù)據(jù)采集站需要布置在巷道的兩側(cè)道內(nèi)，與炮點(diǎn)同一巷道的檢波器接收反射槽波，不同巷道的檢波器接收透射槽波[7]。

3 8712 工作面數(shù)據(jù)采集

（1）激發(fā)接收參數(shù)確定

井下環(huán)境噪聲比較大，會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)探測(cè)結(jié)果造成嚴(yán)重干擾。完成儀器檢測(cè)，確認(rèn)地震采集系統(tǒng)正常工作后，從單炮記錄上可以看出，井下無(wú)明顯的較大噪聲源，基本滿足地震數(shù)據(jù)采集條件。圖2 為此次施工采集的槽波單炮記錄，可知槽波發(fā)育清晰，噪聲相對(duì)較小，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量基本滿足技術(shù)要求。

圖2 單炮地震剖面記錄

（2）觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8712 工作面槽波地震勘探距離950 m，切眼寬度184 m。煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用透射加反射槽波地震勘探法觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與炮點(diǎn)同巷道的檢波器接收到的是反射槽波，與炮點(diǎn)不同巷道布置的檢波器接收到的是透射槽波。通過(guò)數(shù)據(jù)采集站，分析檢波器信號(hào)后，形成清晰、穩(wěn)定的槽波圖形，解釋槽波圖形后確定探測(cè)區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)。選擇在21517 巷、51517 巷同時(shí)布置炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)度1900 m。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 觀測(cè)系統(tǒng)炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)參數(shù)表

4 數(shù)據(jù)處理與解釋

（1）透射槽波單炮記錄分析

在8712 工作面內(nèi)槽波地震勘探中，檢波器共接收到84 個(gè)炮眼產(chǎn)生的地震剖面記錄，經(jīng)校核全部有效。分析地震剖面記錄篩選出了檢波器接收到的多種地震波形，其中明顯的有直達(dá)P 波、S 波以及槽波，布置在不同位置的檢波器都是最先接收到P 波信號(hào)，最晚完成槽波的接收。由于槽波是地震波在煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中經(jīng)過(guò)不斷的反射透射后形成的，其攜帶的煤層地質(zhì)信息最為全面，將槽波作為分析重點(diǎn)。

相較于直達(dá)P 波和S 波，槽波具有明顯的區(qū)別特征，即其傳播速度是頻率的函數(shù)。槽波的頻散特征在單炮地震記錄中表現(xiàn)為較長(zhǎng)的波列，且隨著炮檢距越大，波列越長(zhǎng)，整個(gè)波列呈扇形狀。在理論上，勒夫型槽波的群速度頻散曲線中的極小值點(diǎn)（即曲線的駐點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的震相叫做埃里震相，其一般具有振幅強(qiáng)、頻率高和速度低的特點(diǎn)。如圖3 所示，其分別是8712 工作面第23、36 炮的單炮透射地震槽波記錄，圖中分別標(biāo)注了槽波及槽波能量缺失的位置。

從圖3 可以看出，在0～34、65～90 道槽波出現(xiàn)能量斷裂或不同程度的能量降低現(xiàn)象，表明該處的檢波器接收到的槽波被吸收的程度較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在明顯異常；在0～50 道槽波同樣出現(xiàn)能量斷裂或不同程度的能量降低現(xiàn)象，表明該處的檢波器接收到的槽波被吸收的程度較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在明顯異常。

圖3 8712 工作面透射槽波單炮記錄圖（處理后）

（2）透射槽波能量CT 成像成果分析

透射槽波能量CT 成像是2D 視衰減系數(shù)模型圖，衰減系數(shù)大會(huì)導(dǎo)致成像顏色變淺，即煤層對(duì)地震波的吸收強(qiáng)度較大，表明該探測(cè)區(qū)域存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常點(diǎn)；衰減系數(shù)小則在CT 成像圖上表現(xiàn)出顏色深，對(duì)地震波的吸收強(qiáng)度不大，表明該探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)均勻，煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定。在煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)中，一般煤層成分均勻，地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，地震波在煤層中傳播的過(guò)程，損失程度很??；但當(dāng)煤層組分復(fù)雜或者存在明顯斷層時(shí)，地震波在煤層中的傳播會(huì)受到很大阻力，導(dǎo)致檢波器接收到的槽波能力降低，會(huì)出現(xiàn)明顯的色域不同現(xiàn)象。

圖4 是槽波能量CT 成像圖。利用數(shù)據(jù)的振幅特性，建立衰減系數(shù)模型。深色表示槽波在煤層中衰減很弱；淺色表示槽波遇到構(gòu)造異常體，能量有較大的衰減。在圖中存在3 個(gè)明顯異常區(qū)域。

圖4 8712 工作面透射槽波能量CT 成像圖

（3）反射槽波頻譜分析

頻譜分析反映的是地震信號(hào)中包含的頻率成分及其能量大小。通過(guò)快速傅里葉變換方法，可以快速計(jì)算得到各個(gè)地震道的頻譜曲線，該頻譜曲線特征反映了地震波能量分布的頻帶范圍。槽波的頻率與煤層厚度相關(guān)，如果槽波的頻率大部分保持在低頻區(qū)域，則反映出探測(cè)區(qū)域的煤層較厚；反之，槽波頻率大部分保持在高頻區(qū)域，則表明探測(cè)區(qū)域煤層厚度不大。一般情況下，槽波的頻率高于體波的頻率。如圖5 為第7 炮第45 道、第9 炮第62 道的原始炮集地震記錄及其各地震道信號(hào)的頻譜分析圖。

圖5 一維頻譜記錄分析

由一維頻譜分析可知，地震波能量的主要頻帶范圍在100～150 Hz 之間，結(jié)合槽波煤厚與頻率的頻散曲線，確定本次勘探中接收到的槽波的主要頻段為100～200 Hz 頻段之間，為本次反射槽波濾波處理和疊后偏移的主要參數(shù)依據(jù)。

5 8712 工作面透射槽波成果解釋

透射法槽波地質(zhì)解釋時(shí)，采用如下方法：（1）分析槽波特征。對(duì)96 張地震記錄中槽波的波形、振幅、頻率變化及其頻散特征進(jìn)行對(duì)比分析和總結(jié)。（2）槽波能量層析成像。經(jīng)過(guò)處理分析后，拾取每一個(gè)地震道記錄中的槽波埃里相振幅值，得出2D 視衰減系數(shù)圖。通過(guò)對(duì)成像圖的解釋?zhuān)_定探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常位置和地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型。槽波地震勘探綜合地質(zhì)成果，與揭露斷層區(qū)域重合，可視為同一異常。成果解釋圖見(jiàn)圖6 所示，對(duì)比分析見(jiàn)表2。

圖6 8712 工作面槽波地震勘探成果解釋圖

表2 8712 工作面槽波地震勘探成果綜合對(duì)比表

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)晉華宮礦8712 工作面使用YTC12 槽波地震儀，采用透射法、反射進(jìn)行地質(zhì)勘探，形成以下結(jié)論：

（1）8712 工作面槽波地震勘探工作量950 m，設(shè)計(jì)炮點(diǎn)84 個(gè)，檢波點(diǎn)176 個(gè)，測(cè)線總長(zhǎng)1900 m；

（2）8712 工作面槽波地震勘探結(jié)果顯示該工作面具有三處斷層；

（3）本次地震槽波探查除以上異常外未發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)軸直徑大于20 m 的陷落柱及其他適合于槽波探測(cè)的地質(zhì)異常體。