基于HTSP技术的小型地质异常情况探究

常 安

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿，山西 晋城 048204）

1 引言

利用超前探测技术探测矿井掘进巷道前方是否存在小型地质异常是一个前沿的课题。小型地质异常的探测难度较大，而无计划开采容易引发瓦斯涌出量超限、突出等事故，对矿井的安全生产构成了极大的影响。因此，防范小型地质异常对巷道掘进的影响具有非凡的意义。寺河矿作为煤与瓦斯突出矿井，在地质异常区域的防突压力尤为巨大。地面三维地震技术对大型陷落柱、断层等灾害性地质体有较好的探测效果，但探测结果偏差较大，对于小型地质异常的探测效果不明显。鉴于此，以矿井巷道超前探测技术（以下简称为HTSP技术）为基础，对小型地质异常进行探测研究，取得了良好的成效。

2 矿井巷道超前探测技术分析

矿井巷道超前探测（HTSP）技术是一种全空间、多波多分量联合勘探技术。HTSP技术对大于1/2煤厚的断层、直径大于10m的陷落柱有明显的响应。在对异常定性定量上还需要大量的试验来总结经验，为技术改进和推广提供强大的实践支撑。

矿井巷道超前探测技术是在地面地震勘探基础上发展起来的矿井物探新技术，旨在通过巷道内的地震反射波技术提高对矿井小型地质异常的探测效果。

目前矿井超前地震技术主要存在如下3个问题：

（1）观测系统：由于矿井巷道狭长且空间有限的特点，目前多采用的是多震源少测道的观测系统。由于多次激发地震波之间能量、相位、频谱之间存在差异，实测反射波形杂乱，缺乏规律，增加了超前数据解析难度。

（2）震源：目前矿井地震产品一般采用重锤激发和炸药激发两种方式。重锤激发操作简单，但存在探测距离短（很难达到70m以上的距离）且地震波易受干扰、分辨率低的缺点；炸药激发探测距离远（最大可达200m），分辨率高，但一次超前探测施工，需要20次左右的放炮数量，由于是在井下作业，放炮措施严格，耗费时间多，推广难度极大。

（3）波形分离：探测过程主要关注超前信息，所以需要分离掉其他方向弹性波，再利用该数据进行偏移成像。而目前常用的数据解析方法对于分离弹性波波场和偏移成像存在难度。

鉴于上述3个问题，提出一种一次激发、多点多道接收的新型分布式巷道超前探测系统，可以大幅提高井下现有地震类仪器多通道接收能力，提高激发地震波原始波形相位和频谱一致性，增强实测地震反射波内在规律性，提高地质构造异常识别能力和精度。同时采用新型孔中多分量检波器，提高设备稳定性和便携性，实现更加便携的布点，降低采样施工难度，极大地提高采集的震波数据量和质量。将震源激发点数量降至最低，为使用更为有效的震源方式提供了极大的便利。此外，如果将观测系统布置在工作面一侧，对采集的数据用单边排列方法处理，可以同时完成工作面内地震探测工作，获得工作面内地质构造信息，实现单次探测成果效益最大化。

3 系统设计

3.1 工作原理

本次勘探采用HTSP技术探测迎头前方的构造发育情况，工作原理如图1所示。

图1 HTSP技术工作原理图

3.2 工作面情况

本次井下地震超前探测地点为寺河矿西井西三盘区南翼锁边三巷开口0#横川处，施工地点在距迎头退后40m范围内。寺河矿西井3#煤层位于山西组下部，煤层厚度为5.00～7.22m，平均6.21m，为全区可采煤层。3#煤层含夹矸0～5层，夹矸单层厚一般为0.02～0.69m。

西三盘区南翼锁边三巷煤厚约6.0m，黑色，条带状结构，似金属光泽，半亮型，以亮煤为主，有夹矸1层，属稳定型煤层。掘进方向上煤层约3°上坡，巷道左高右低，约3°。煤层顶底板情况详见表1。

3.3 现场布点情况

本次探测在西三盘区南翼锁边三巷同侧布置分布式三分量观测系统，检波点和激发点均布置在巷道左帮，采用炮击震源。第一个检波点距巷道迎头退后5m，共布置8个，编号为J1～J8，检波点间距1m；共布置炮击点2个，编号为P1～P2，第一个炮击点偏移检波点10m，两个炮击点间距5m。

表1 煤层顶、底板情况一览表

3.4 试验流程

试验流程包括施工传感器孔和炮孔、安装传感器、连接仪器系统、系统启动、安装炸药与雷管以及激发接收参数设置六个步骤，其中传感器孔的孔径32mm，孔深1.5～2mm，倾角上倾5～10°。炮孔的孔径48mm，孔深1.5mm，倾角下倾5°。 激发接收参数设置如表2所示。

表2 激发接收参数设置

4 实验分析

将现场采集到的物探数据经过处理转化为可利用的物性图件，对震波探测数据进行进一步的处理，具体的处理步骤包括数据预处理、频谱分析直至界面提取。现场采集到的地震波形频谱分析如图2所示，其中横坐标为地震波频率，单位为Hz，纵坐标为地震波的振幅，单位为m。从图中可以看出50～400Hz的频带范围较大，有利于目标体的分辨。

参照直达波速度，结合经验参数，基本确定本探测区域横波速度为2m/ms，并作为深度偏移时的速度背景值。本次探测前方有效反射信号如图3所示，纵坐标表示探测的时间，单位为ms，横坐标为探测的通道编号，单位为个。

图2 地震信号的频谱分析

图3 地震信号的波形-三分量

图4为震波偏移成像结果，其中X轴表示与西三盘区南翼锁边三巷开口处的距离，单位为m，Y轴表示震波的极化偏移量，单位为m。根据图3以及图4，综合分析后圈定两个界面：

（1）西三盘区南翼锁边三巷开口处前方0～25m段，在13～25m范围内有反射波能量较强的界面，界面命名为R1。

（2）西三盘区南翼锁边三巷开口处前方50～100m段，在52～65m范围内有反射波能量较强的界面，界面命名为R2。

5 结论

基于HTSP技术的寺河矿西三盘区探测结果显示，在西三盘区南翼锁边三巷开口处位置前60m范围共有2个主要反射波异常界面，分别为R1（13～25m）、R2（52～65m）；巷道掘进后实际在15m附近揭露断层，55m左右岩性发生变化、裂隙发育。巷道揭露情况很好地验证了探测结果。

图4 震波偏移成像结果