煤矿巷道地震超前探查构造中的速度参数选取

戴世鑫，王旭东，谢 强

（1.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭411201；2.济宁矿业集团霄云井田资源开发有限公司，山东济宁272213；3.中矿龙科能源科技 （北京）有限公司，北京 100085）

煤矿巷道地震超前探查构造中的速度参数选取

戴世鑫1，王旭东2，谢 强3

（1.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭411201；2.济宁矿业集团霄云井田资源开发有限公司，山东济宁272213；3.中矿龙科能源科技 （北京）有限公司，北京 100085）

地震波超前探查是目前较为先进的超前地质预报技术，但准确度一直备受质疑，通过实际研究表明：地震超前探查的准确度取决于速度的选取，实际处理中由于初次采取的速度是建立在以往地面三维地震勘探的基础上，其速度选取有一定误差，造成断层解释的不准确性。而扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法，对初选取的速度参数进行修正，重新处理得到的结果与实际揭露结果吻合。结果表明：通过扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法选取速度参数，对于提高煤矿巷道地震超前探查构造的准确性具有重要意义。

超前探查；地震波；断层；速度

地震波超前探测是运用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体（存在波阻抗差异）时会发生反射的原理，结合巷道的特点，设计研制的沿巷道后方布置震源和检波器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。图1为地震超前探测模型及合成记录示意图，图1中（a）为测线前方存在的三层介质速度模型，采用一点接收，多个激发点排列依次激发。图1（b）图中共有三个波组，自左向右分别为直达波组、一、二层波阻抗界面的反射波组、二、三层波阻抗界面的反射波组［1－2］。

图1 地震超前勘探原理示意图

从图1中可以看出地震波速度是地震勘探中一个重要而又复杂的参数，在地震勘探数据处理与解释中占有重要地位，地震勘探从某种意义上讲就是速度勘探［3－5］。

本文拟结合矿井巷道地层特点和波场发育规律，采用扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法，对选取速度参数进行修正，获取相应结果，并与断层实际揭露情况进行对比，验证不同地震波速度参数是否会对超前探查构造造成影响。

1 扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法

扫描速度谱的基本原理是通过确定零偏距时间t0，速度v和偏移距xi，计算出反射波的到达时间ti，并将ti所对应的振幅相加，最终得到对应于速度v的叠加振幅。由此可知，选择的速度与叠加振幅的大小密切相关。如果选取的速度值正确，则通过计算得出的反射波到达时间与实际记录同相轴的时间一致，叠加振幅最大，因此可得到准确的速度值［6］。

利用扫描速度谱获得的速度值，通过偏移速度建模的方法，最终得到反射界面的实际位置。偏移速度建模是建立在射线偏移的基础上使反射波自动归位到其空间的真实位置。根据惠更斯原理，地下任意反射点p都可看作子波震源，进行扫描偏移时，将每个网格点看作一个反射点，则它的反射波旅行时见式（1）。式中：v为地震波的速度，m/ms；h为点p的垂直深度，m；ti，j为扫描点p处第i炮第j个接收点的旅行时，ms；j＝1，2，3，...，m（m为参与叠加的记录道）。图2为扫描偏移网格图。这样将记录道上ti，j时刻的振幅值ai，j与点p的振幅值相叠加，作为点p的总振幅值Ai，见式（2）。

对x－h平面按Δx，Δh划分的方格网上每一点px，（h）进行计算，只要划分得够细，总能在所要求的精度上反映反射点的全部可能位置。这样使反射界面上的叠加扫描点p的总振幅Ai得到较大数值，而不在反射界面上的扫描点p的总振幅Ai数值则较少。因此进行扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法，不仅能实现真正反射点叠加，同时也能准确的确定反射界面的真实位置。

图2 扫描偏移网格图

2 实验地点与数据处理与解释

本实验地点为山东济宁矿业集团霄云煤矿1302工作面，位于主井口西南953m，距离副井口西南992m。岩性以砂质泥岩和粉砂、细砂为主，岩石硬度一般，个别地段岩石较破碎，三煤顶板岩性为细砂岩，岩石较硬，煤层底板以泥岩和粉砂岩为主，三煤为黑色，条痕色为灰黑色，以亮煤为主，暗煤丝炭次之，上部为硬质煤，块状结构，中部为泥岩夹矸，下部为碎煤，底部煤质较差，为半亮型煤。现场采作矿井巷道地震波超前探测方法，力求提高探测的准确率。

将现场采集到的物探数据经过处理方能转化为可利用的物性图件，地震波探测数据在自行研制开发的MSP2.0软件平台上进行，其处理流程为：数据预处理→频谱分析→直达波求取→反射波提取→速度分析→深度偏移→界面提取。

深度偏移处理为MSP处理的核心部分，在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上，以此成果图件为基础提取取巷道前方反射界面，根据速度谱同时结合现场岩性情况，进一步根据以往探测的验证结果，根据以往地面地震资料，取综合速度为3.15m/ms进行偏移处理速度。

3 初次处理与重新处理解释对比

对于霄云矿的地震数据进行了两次处理，初次处理是由于霄云矿复杂的地质条件，在地震波速度不准确的前提下进行的处理，其地震波速选取对断层界面位置的解释产生了较大的影响，重新处理是在井下实测，通过扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法对速度进行校正，重新处理得到的结果与实际揭露情况基本吻合。

3.1 霄云矿1302工作面皮带顺槽处理解释对比

初次解释由于是根据以往地面地震资料，取综合速度为3.15m/ms进行偏移处理速度。所以解释的成果见图3。

我们可以看出解释的霄云矿1302工作面皮带顺槽有4个构造，而根据现场巷道掘进发现的断层见图4。

图3 纵波超前探测界面提取图

图4 实际揭露断层与预测断层显示图

图3中的R1、R2、R3、R4为解释的构造，图4中的A1为实际掘进发现的断层。可以看出，解释多了三个，解释的R4即为实际掘进发现的断层A1，在其范围内，这是霄云矿1302工作面皮带顺槽初次解释成果。

重新解释成果进行了多次有针对性的实验，对霄云煤矿1302工作面皮带顺槽进行了综合的速度分析，通过扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法对速度进行校正，得出对于1302工作面皮带顺槽取综合速度为2.8m/ms进行偏移处理速度最为合理，解释成果见图5。

可以看出采取正确的煤层速度后，经过处理和解释，与实际揭露状况吻合。

3.2 霄云矿1302工作面轨道顺槽处理解释对比

初次解释根据以往地面地震资料，取综合速度为3.15m/ms进行偏移处理速度，解释的成果见图6。

我们可以看出解释的霄云矿1302工作面皮带顺槽有4个构造，而根据现场巷道掘进发现的断层见图7。

图5 超前探测重新解释成果图

图6 纵波超前探测界面提取图

图7 实际揭露断层与预测断层显示图

图6中的R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7为解释的构造，图7中的B1为实际掘进发现的断层。可以看出，解释的R4即为实际掘进发现的断层B1，在其范围内，这是霄云矿1302工作面轨道顺槽初次解释成果。

重新解释成果进行了多次有针对性的实验，对霄云煤矿1302工作面皮带顺槽进行扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法选取速度，得出对于1302工作面皮带顺槽取综合速度为2.9m/ms进行偏移处理速度最为合理，解释成果见图8。

图8 超前探测重新解释成果图

通过以上两个例子可以看出采取准确的煤层速度对超前探测的处理与解释的重要性，能够为我们的安全生产更好的服务。

4 结 论

1）通过霄云矿的两个具体实例表明速度参数的选取对断层界面位置的解释极为重要，速度的准确性决定着超前探的正确性。霄云矿1302工作面皮带顺槽与霄云矿1302工作面轨道顺槽根据扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法对先前选取的速度参数进行了修正，分别由3.15m/ms修正为2.8m/ms和由3.15m/ms修正为2.9m/ms，根据修正后的速度参数进行后续处理，得到的结果与实际揭露结果吻合，说明利用扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法选取的速度参数具有较高的准确性，是可行的。

2）通过扫描速度谱与偏移速度建模相结合的方法选取速度参数能够有效地提高巷道前方复杂地质构造的探查能力，但同时也要意识到煤矿巷道超前探查涉及的技术原理较多，相对复杂，只有结合实际情况，长期研究总结才能不断完善。

［1］赵永贵，刘浩，孙宇，等.隧道地质超前预报研究进展［J］.地球物理学进展，2003，18（3）：460－464.

［2］刘志刚，刘秀峰.TSP（隧道地震勘探）在隧道隧洞超前预报中的应用与发展［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（8）：1 399－1402.

［3］李振春.共中心点道集偏移速度分析［J］.石油物探［J］.39（1）：20－26.

［4］Maekay S，Abrna R.Imaging and velocity estimation with depth focusing analysis［J］.Geophysics，1992，57（12）：1608－1622.

［5］AI Yahya K.Velocity analysis by iterative profile migration［J］.Geophysics，1989，54（6）：718－729.

［6］张平松，刘盛东，吴健生.坑道掘进空间反射波超前探测技术［J］.煤炭学报，2010，35（8）：1331－1335.

Voltage factors of seismic advanced exploration structure of coal roadway

DAI Shi－xin1，WANG Xun－dong2，XIE Qiang3
（1.Hunan Province Key Laboratory of Coal Resources Clean－Utilization and Mine Environment Protection，Hunan Science and technology University，Xiangtan 411201，China；2.Jining Mining Group Xiaoyun Resources Development Co.，Ltd.，Jining 272213，China；3.Zhong Kuang Long Ke Energy Technology（Beijing）Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

Advanced detection of seismic waves is more advanced geologic prediction technique at present，however，the accuracy is a controversial issue，the research results show that the accuracy of advanced detection of seismic waves depends on the speed selection，because the first time to adopt speed is built on three－dimensional seismic survey，speed selection has certain error，lead to inaccurate interpretation of the fault.Through the combination of scanning speed spectrum and migration velocity modeling，the second processing corrects the parameters of the speed according to the first processing，the results coincide with the actual results.Therefore，adopting the correction parameters of the speed becomes particularly important for improving the accuracy of seismic exploration according to the combination of scanning speed spectrum and migration velocity modeling.

advanced detection；seismic wave；fault；speed

戴世鑫（1983－），男，山东青岛人，讲师，从事煤田勘探方面研究。Email：hnkjdsx＠126.com。

P631.4

A

1004－4051（2015）09－098－04

2014－11－27

湖南教育厅科研项目资助（编号：B31322）；湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室开放基金资助（编号：E21421）；湖南科技大学科研启动基金资助（编号：E51390）；湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目资助（编号：201410534003）