基于地震反射波法的巷道空间地质异常体超前探测

方 杰，徐会军，孔广亚

(1.中国矿业大学 (北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083;2.中国神华能源股份有限公司科技发展部，北京100011)

巷道超前探测技术一直是地球物理界普遍关注的热点和难题，其重点是指在观测点向前方探测尚未揭露的地质构造及其异常［1］。煤炭开采中，掘进前方事先未预测到的隐伏地质构造会严重影响巷道全局布置与掘进工作的顺利进行。目前国内外重点研究的是巷道前方富含水异常空间和断层构造面位置的探测，技术手段通常为瞬变电磁法和地震反射波法。由于巷道内存在各种电信号干扰源，且探测施工空间有限，瞬变电磁法的优势得不到发挥，以致探测结果往往难以达到技术要求。结合以往研究资料表明，地震反射波技术原理成熟，接收的信号信噪比高，是一种探测距较远，现场使用便捷且可靠的物探手段［2－5］。

利用地震反射波探测前方地质异常主要是探测强波阻抗界面，煤矿中可以在穿层巷道中探测前方含水灰岩、煤层、岩墙等界面，也可以在顺层巷道中探测前方断层、尖灭点、构造破碎带、陷落柱等的位置。

1 反射波法超前探测原理

矿井巷道反射波超前探测技术主要应用地震波在传播过程中遇到煤岩体物性界面会发生反射的原理。如图1所示，该技术充分利用巷道有限空间，设计沿巷道后方布置传感器、震源来探测巷道前方地质条件的观测系统。一般用锤击或小药量爆破作为震源，震源沿巷道左 (右)帮平行底板成直线排列。地震波在煤岩体中以球面波形式传播遇到煤岩物性界面时会发生反射，反射回来的地震信号被地震检波器接收并形成地震记录。运用地震波动力学和运动学原理，分析地震记录波形特征，以推测断层、岩石破碎带等不良地质体的位置和规模，并计算相关岩石力学参数和提取煤岩性界面。

图1 巷道空间反射波超前探测原理示意

反射波超前探测法核心技术如下:

(1)反射波提取 掘进巷道超前探测关注的是介质的水平变化情况。为了从地震记录中获得巷道前方反射波信息，在数据处理过程中需要将上下行波分离并保留下行波 (负视速度)，本质上就是压制来自测线垂向上的信息而保留来自水平方向上的反射信息。采用线性Radon变换技术进行上下行波分离，从而来提取反射波信息。当选择线性τ－p变换进行上下行波分离时，已经假设介质是水平变化的且速度界面和测线垂直。τ－p变换可以将波场从t－x域转换到τ－p域，波场参量有如下关系:

式中，t为域中的波旅行时间;x为炮检距;p为射线变量;τ为射线变量在时间轴上的截矩。

τ－p变换正变换是把τ－x域中共炮点记录或其他记录按不同的斜率p和截距τ进行迭加。正变换过程为

式中，N为t－x域中地震道数，按给定的斜率p，沿射线t=τ+pxi迭加记录的所有道，即形成τ－p域的一个地震道;按某一斜率范围，叠加起来形成τ－p域的一组完整地震道记录。

经转换后各种波的波场特征在τ－p域中发生分离，以识别在t－x域中无法识别的负速度场。图2说明了τ－p变换的过程。

图2 τ－p变换过程示意

(2)速度分析 速度分析是地震数据处理中很重要的一环，尤其当遇到大倾角地层，断层发育带等复杂构造时，准确的偏移速度就成为做好深度偏移的关键。速度分析的作用主要体现在:提供准确的叠加速度，提高并改善地震数据信噪比和多次叠加剖面的质量;为偏移叠加及时深转换提供速度依据。速度分析的偏差会给后面的处理带来遗传误差，因此各向异性介质中速度分析的研究显得越来越重要。

(3)偏移成像技术 以射线偏移为基础、使反射波自动归位到真实位置上的绕射扫描偏移方法在巷道超前探工程中越来越实用。惠更斯原理认为地下每一个反射点p都可以看做是一个子波震源，把每一个网格点看成是一个反射点进行绕射扫描偏移时，其绕射波或反射波旅行时间为:

式中，tij为扫描点p处第i炮第j个接收点的绕射波旅行时间，j=1，2，…m，且m为参加叠加的记录道;v为地震波的速度;h为p点的垂直深度。

图3为绕射扫描偏移网格，将记录道上tij时刻的振幅值aij与p点的振幅值叠加起来，即为p点的总振幅值Ai，则

图3 绕射扫描偏移网格划分

计算x－h平面上按Δx、Δh划分的网格上每一点p(x，h)，当网格划分得足够细时，就可以确定反射点的全部可能位置。如此，反射界面上的叠加扫描点p的总振幅Ai更加增大，不在反射界面上的扫描点p的总振幅Ai进一步减小，这样提高了信噪比同时，又将反射界面自动偏移到真实空间位置上去。处理时常需控制扫描范围来对每一个炮检对进行振幅叠加，以提高运算速度［6－8］。

2 现场探测实例

2.1 工程背景

某矿 (4－5)04工作面井下标高700～777m，工作面巷道沿底板掘进，4－5煤层稳定，厚度5.5～7.1m，顶板为富水性粉细砂岩，底板多为泥岩、粉砂岩。工作面为单斜构造，倾向角度19°，掘进期间揭露多条断层，落差0.9～8.8m。胶带巷 (下巷)掘进至距联络巷600m位置时，发生冲击事件，冲击造成迎头顶板冒落，巷帮炸帮，严重影响掘进作业。针对该次冲击显现情况，结合已经揭露断层，推测掘进范围内可能有不良构造的影响，为探明掘进范围内的隐伏构造，决定在胶带巷掘进头开展反射波超前探测，设计的探测范围见图4。

图4 (4－5)04胶带巷反射波超前探测位置示意

2.2 方案设计

探测在迎头有限空间内展开，采用炸药震源。受现场条件限制，布置观测系统时，激发源Si设置在巷道上帮，设计激发24炮，设计炮间距2m，S1靠近迎头，炮孔深1.5m，孔径48mm。三分量检波R1和R2分别布置左后侧，上帮最小炮检距15m，R2，R1距离 5m，检波孔深 2m，孔径65mm。选用矿用乳胶炸药，每孔药量100g，采用矿用一段瞬发雷管引爆。一炮一放，放炮顺序为S1，S2，…，S24。观测系统设计方案如图5所示。

图5 (4－5)04胶带巷超前探观测系统设计方案

2.3 数据分析及处理

数据采集每道采样点数2048，采样间隔0.16ms，系统增益均为24dB。每次激发有6道同时接收，设计24炮，其中21炮有效，共采集126道数据，数据波形饱满、同相轴较连续、起跳明显，满足后期数据处理要求。

通过FFT工具地震波形进行频率域分析。如图6，可以看出不同分量频带分布略有差异，X分量频带范围150～310Hz，主频为200Hz;Y分量频带范围200～300Hz，主频为240Hz;Z分量频率域分布较广，主频为300Hz。

图6 (4－5)04检波器R2不同分量的频谱分析

反射波超前探地震数据后处理流程包括记录解编、预处理、核心处理和结果解释4个步骤。其中核心处理有反射波提取、速度分析和深度偏移3项内容。

直达波时距曲线是一条经过坐标原点的直线，但是在采集过程中，由于雷管延时或者数据采集仪与起爆器的不同步会造成直达波时距曲线不是直线也不通过坐标原点。需要对偏离该直线的记录道进行时差矫正 (即静校正)。如图7(a)所示，根据2号检波器X分量获得探测区域拟合纵、横波速度分别为3.4m/ms和1.9m/ms，利用采样时间和直达波速度可初步确定探测区域的速度范围，同时利用其作为背景速度进行深度偏移。

基于在时距关系上巷道迎头前方反射界面与迎头后方及巷道侧向反射界面呈现不同的视速度规律，利用τ－p变换滤波、F－K滤波方法提取出巷道前方界面反射波，与此同时，声波、面波等干扰波也得到了压制。图7(b)为反射波提取图。深度偏移处理为后处理的核心内容，在给定速度模型的条件下，将来自前方介质的反射能量偏移归位至真实空间点上。

图7 检波器R2的X分量直达波波速求取及反射波提取

2.4 成果解释

根据地震勘探信号处理相关知识，煤岩体介质波阻抗差异决定地震波反射效率，波阻抗差异越大，反射回来的地震信号越强，表现在偏移后的波形亮点颜色越深，反射界面也就越明显。煤矿中的波阻抗界面主要有断层、破碎带和陷落柱等。断层面完整平滑，地震波经过时超前半个相位后反射回来，但整体上波形特征未发生变化，偏移后仍能保持波峰波谷的特征。地震波传播遇到不完整且粗糙的煤岩破碎带或陷落柱时，反射波易相互干扰，反射回来的信号不能保证其完整的波形特征，偏移后表现为波形亮点颜色浅，出现单一波峰或单一波谷情况。

图8为巷道迎头前方150m范围内X分量偏移成像反射界面提取剖面图，图中横坐标表示沿巷道走向迎头前方距检波器R1的距离。剖面反映了巷道前方波阻抗差异界面的空间位置关系，颜色深浅表征反射波能量幅值的大小，根据能量幅值的不同，提取反射能量较大的界面，超前迎头150m范围内存在4组较强反射界面，将其各自命名为P1，P2，P3和 P4。

图8 X分量偏移成像反射界面提取

反射界面P1处在迎头稍往外位置附近，影响范围较小，推断为小范围的构造异常区，可以作为实验前发生的迎头顶板垮落形成破碎带的一个验证。

反射界面P2距离迎头约30m，叠加波形呈现单一波谷特征，可以推断此处为影响范围较小的破碎构造异常区。

反射界面P3距离迎头约70m，影响范围超前迎头65～75m，综合分析反射能量和影响范围，推断其为小断层或小规模破碎带。

反射界面P4距离迎头约112m，影响范围为超前迎头105～120m，该组反射能量弱于反射界面P3，可能由小断层或者小规模破碎带控制。

2.5 探测结果验证

(4－5)04胶带巷恢复生产后，对探测结果进行追踪可知，在距探测时迎头75m处遇见煤岩体破碎带A，距离迎头117m时出现小断层带B，这与探测结果中的P3破碎带和P4小断层破碎带位置和规模几本吻合，如图9所示。

图9 掘进过后结果验证对比

3 结论

利用地震反射波超前探测技术测得的反射界面P1，P3和P4位置与事后追踪掘进过程中揭露的情况基本吻合，并在掘进时及时做出相应的应对措施后保证了生产正常进行，探测结果对巷道安全掘进能起到一定的指导作用。但是对前方隐伏异常体存在范围或者断层的落差不能精确定量给出，需要借助钻探等其他一些勘探手段进行综合判断。

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