地震槽波断层探测观测系统设计和数据解译技术

张万鹏，李松营，姚小帅，金明方，廉 洁，赵红利

（1.河南能源化工集团研究总院有限公司，河南 郑州 450046；2.贵州能发高山矿业有限公司，贵州 毕节 551500；3.义马煤业集团股份有限公司，河南 义马 472300）

断层不仅改变煤层赋存条件，使得煤层稳定性变差，影响煤矿生产效率；而且与水害、瓦斯、冲击地压、顶板事故等多种灾害密切相关，是影响煤矿安全高效生产的主要隐蔽致灾地质因素之一。断层可以形成储水构造，一旦揭露就可能导致水灾事故；断层能够破坏煤层底板隔水层的完整性，减弱隔水层的隔水性能，降低其抗水压能力，增加底板突水的风险，甚至沟通含水层，当井巷工程揭露断层时易发生突水事故[1-2]；断层带往往导致瓦斯异常分布，封闭性的断层易造成瓦斯积聚，是瓦斯治理的重点区段[3-5]；断层破坏了煤层顶板的完整性，给顶板管理和巷道支护带来困难，易造成顶板事故，也是矿压和地应力的集中区，和冲击地压密切相关[6-7]。

目前，煤矿常用的断层探测物探方法主要有地面三维地震勘探、井下无线电波坑透和地震槽波勘探等。其中，地面三维地震勘探由于距探测目标远，受地形影响大，对小型断层探测分辨率有限，特别是在丘陵、山区等地形条件复杂区域的探测效果欠佳；井下无线电波坑透易受电磁干扰、探测距离较小、仅能采取透射法探测工作面内部断层，无法探测工作面相邻外部区域断层等，在实际应用中探测效果也不够理想。

井下地震槽波探测技术主要利用在煤层中激发、形成和传播的地震槽波探测煤层厚度、构造、陷落柱、采空区等矿井隐蔽致灾地质因素，槽波具有只在煤层中传播、能量强、波形特征易于识别、携带信息丰富、探测距离长，分辨精度高、受外界因素干扰小等优点，既能探测工作面内部的断层也能探测外部的断层，是用于井下断层探测的较理想、近10 年来发展较快的矿井物探手段[8-11]。

近10 年来，国内许多高校、科研院所、煤炭企业等开展了大量井下地震槽波断层探测的理论和实践研究，取得了许多有价值的科研成果，为开展井下断层探测奠定了理论基础、积累了实践经验[12-14]。地震槽波勘探是个系统工程，其中，观测系统设计和数据解译方法的选择对勘探成果的好坏起着关键作用。科学的观测系统设计不仅需要根据目标体特点选择合适的探测方法，还应充分考虑测区地质条件和施工条件，合理确定炮间距、道间距和炮检距，布置炮检点位置，以便获取更多有效探测数据，突出工作重点，提高工作效率等。因此，开展根据断层位置、产状及探测目的的观测系统设计和适宜数据解译方法选择的研究对提升断层探测效果意义重大。为此，总结断层探测实际情况，分工作面内部断层、外部断层和其他情况概化建立了10 种典型观测系统模型，阐述了对应的数据解译方法，并挑选2 个典型断层探测实例围绕观测系统设计和数据解译进行了具体说明，为地震槽波探测断层观测系统设计和数据解译方法的选择提供参考。

1 观测系统和数据解译方法概述

地震槽波勘探观测系统包括探测方法、炮检点的相对位置、以及炮间距、炮检距和道间距等。常用的探测方法有透射法、反射法和透、反射法相结合的探测方法等3 种。在地震槽波勘探中，不仅要根据断层位置和产状的不同，选择合适的探测方法，科学布置炮检点位置，还要结合实际工作需要，选择合理的道间距、炮检距、炮间距等。

常用的地震槽波断层探测数据解译方法有共中心点叠加法、偏移成像法、槽波速度分析法和射线质量评价法等。

1）共中心点叠加法。通过滤波、包络计算、动校正、静校正和共中心点叠加等数据处理手段，绘制共中心点叠加剖面图，追踪图中埃里相同相轴，预测断层位置。

2）偏移成像法。通过分析原始数据，确定反射槽波到达时间和速度，计算反射槽波的旅行距离，可以确定1 个以震源和检波点为2 个焦点的唯一椭圆。对所有道数据均采用偏移成像法后，可以绘制很多个椭圆，这些椭圆包络轨迹的切线位置即为反射界面位置。与共中心点叠加法相比，偏移成像法的优势在于适用于解译与测线大角度相交的断层，且偏移成像法利用原始反射槽波，操作简单直观，易于理解。

3）槽波速度分析法。槽波速度变化与煤厚密切相关，煤层越厚槽波速度越低，主频越向低频方向偏移。断层是造成煤厚快速变化的主要因素之一，也常是应力集中区域，在槽波速度分布图上往往表现为高速。对采集的每道槽波数据进行频散分析后，便可获得选定频率下槽波速度，再对其进行层析成像便可获得工作面槽波波速分布图，结合地质分析，便可以能够预测断层位置。

4）射线质量评价法。当煤层中存在落差小于煤厚的断层，透射槽波埃里震相较清晰、频散曲线连续、质量较好；当煤层中存在落差大于煤厚的断层时，所采集数据不存在埃里震相清晰的透射槽波或透射槽波及频散曲线被干扰、难以辨认、槽波质量较差。在数据分析过程中，通过观察原始数据和频散分析等，逐道辨析采集数据的槽波数据质量，依据槽波数据质量的好坏将槽波射线以不同颜色分别用射线交汇的方法绘制在平面图上，综合已揭露的断层信息、煤层厚度以及槽波质量等，即可预测断层位置和落差变化情况。

2 观测系统模型与数据解译方法

总结常见的地震槽波断层探测情况，根据断层位置、产状和探测目的等，将观测系统分为工作面内部断层探测、外部断层探测和其他情况3 大类，概化建立了10 种观测系统模型。这些观测系统模型是在总结典型实际勘探案例并经高度概化后所建立，实际情况往往较为复杂，在应用过程中应综合分析断层位置、产状和探测目的，并结合工作面巷道布置、煤厚、煤层赋存和构造发育情况等，对照选取1 种或综合多种观测系统模型进行观测系统设计，并选取适宜的数据解译方法。

2.1 工作面内部断层

2.1.1 位置差异

基于断层位置差异的观测系统设计如图1。

图1 基于断层位置差异的观测系统设计Fig.1 Observation system design based on fault location

1）图1（a）中工作面内部靠近运输巷区域沿工作面走向发育1 条断层，与运输巷距离较近，位于探测盲区内。勘探采用反射法，选择轨道巷作为施工区域，在轨道巷内侧帮间隔布置炮点和检波点。数据解译采用共中心点叠加法。

2）图1（b）中工作面内部靠近中间位置沿工作面走向发育1 条断层，与两巷距离相当，位于勘探盲区以外，轨道巷和运输巷均可作为施工巷道。勘探采用反射法，综合分析地质条件和施工条件，选择在轨道巷或运输巷其中1 条巷道内侧帮间隔布置炮点和检波点。数据解译采用共中心点叠加法。

2.1.2 与施工巷道夹角

基于断层走向与施工巷道夹角差异的观测系统设计如图2。

图2 基于断层走向与施工巷道夹角差异的观测系统设计Fig.2 Observation system design based on angle differences of fault strike and roadway direction

1）图2（a）中工作面内部发育1 条走向与施工巷道成小角度相交的断层（0°～45°）。勘探采用反射法探测方法，在运输巷内侧帮间隔布置炮点和检波点。数据解译采用共中心点叠加法。

2）图2（b）中工作面内部发育1 条走向与施工巷道成大角度相交的断层（45°～90°），勘探采用反射法，在轨道巷内侧帮布置炮点，在运输巷内侧帮间隔布置炮点和检波点，运输巷布置的检波器分别接收两巷震源激发产生的直达槽波，和遇到断层界面产生的反射槽波。数据解译采用偏移成像法。

2.1.3 断层落差

基于断层落差的观测系统设计如图3。

1）图3（a）中工作面内部发育1 条断层，落差大于煤厚。勘探采用反射法，在轨道巷内侧帮间隔布置炮点和检波点。由于断层落差大于煤厚，煤层波导被完全阻断，炮点激发产生的槽波经断层界面反射后到达检波点，能够采集到能量较强的反射槽波数据。数据解译采用共中心点叠加法。

图3 基于断层落差的观测系统设计Fig.3 Observation system design based on fault throw differences

2）图3（b）中工作面内部发育1 条断层，落差小于煤厚。勘探采用反射法和透射法相结合的探测方法，在轨道巷内侧帮间隔布置炮点和检波点，在运输巷内侧帮布置炮点。由于断层落差小于煤厚，运输巷炮点激发产生的槽波到达断层界面后，仅有部分被反射到达检波点，所采集的反射槽波能量较弱。轨道巷炮点激发产生的槽波能够穿过断层区域被运输巷检波器接收，但槽波在经过断层区域时波速和槽波质量将发生变化。数据解译方法采用共中心点叠加法、槽波速度分析法和射线质量评价法。

3）图3（c）中工作面切眼实际揭露1 条落差远大于煤厚的断层，经地质分析，预测该断层向工作面内部延伸，且落差不断减小，A 点位置断层落差与煤厚相等。A 点附近区域往往是煤矿生产中重点关注区域。勘探采用透射法与反射法相结合的探测方法，在轨道巷内侧帮布置炮点，在运输巷内侧帮间隔布置炮点和检波点，并在A 点附近对应两巷区域加密炮点和检波点数量。数据解译采用共中心点叠加法、槽波速度分析法和射线质量评价法。

2.2 外部断层

工作面外部断层探测观测系统设计如图4。图4工作面运输巷外部发育1 条断层。勘探采用反射法，在运输巷外侧帮间隔布置炮点和检波点。数据解译采用共中心点叠加剖面法。

图4 工作面外部断层探测观测系统设计Fig.4 Observation system of external fault exploration

2.3 其他情况

特殊情况下的观测系统设计如图5。

图5 特殊情况下的观测系统设计Fig.5 Observation system design in particular case

1）图5（a）中工作面轨道巷掘进前方发育1 条断层，向工作面内部延伸，此时应停止掘进轨道巷，继续掘进下巷至适宜位置后，在运输巷内侧帮间隔布置炮点和检波点，向轨道巷方向开展反射法勘探。数据解译采用共中心点叠加法。待上部断层情况查清，采取超前措施后，轨道巷方可继续掘进。

2）图5（b）中工作面运输巷在掘进过程中，揭露1 条断层，预测向工作面内外部均有所延伸。勘探采用反射法，在断层上盘侧巷道外侧帮间隔布置炮点和检波点，探测断层向工作面外部延伸情况，在断层下盘侧巷道内侧帮间隔布置炮点和检波点，探测断层向工作面内部延伸情况。数据解译根据断层与施工巷道走向夹角大小采用共中心点叠加或偏移成像法。

3 勘探实例

3.1 云顶煤矿观测

云顶煤矿11160 工作面煤层厚度平均4.0 m，工作面下方存在1 条地面三维地震勘探预测断层DFh，预测落差6.5 m、倾角87°。由于断层DFh落差大于煤厚，断层位于工作面外部，走向与运输巷走向基本一致，勘探采用反射法，在运输巷外侧帮间隔布置炮点和检波点。勘探测区长约370 m，共设计炮点19 个，间距20 m；检波器点19 个，间距20 m。现场施工了19 个炮孔、19 个检波器孔。11160 工作面反射法观测系统布置图如图6。本次数据处理采用了共中心点叠加法。11160 工作面反射法叠加剖面及断层预测图如图7。

图6 11160 工作面反射法观测系统布置图Fig.6 Observation system of ISS by reflection method in 11160 working face

图7 11160 工作面反射法叠加剖面及断层预测图Fig.7 Stack section and fault prediction of 11160 working face

图7 为按槽波速度950 m/s 校正深度后的共中心点叠加剖面，紧靠运输巷的强震相是直达震相，随后到达的强震相是反射震相。图7 中右侧，沿强反射槽波震相绘制的黑色实线为预测断层位置；左侧反射槽波震相不明显，绘制黑色虚线作为推测断层位置。后经矿方打钻验证，地震槽波勘探预测断层与实揭断层的走向基本一致，位置偏差仅3～6 m。

3.2 观音堂煤矿观测

观音堂煤矿25050 工作面，煤层厚度平均3 m，煤层赋存不稳定，构造发育。上巷里段存在120 m煤厚小于1.5 m 的薄煤区，切眼发育2 条落差大于4 m 的正断层，2 条断层形成地垒构造，造成采场中部60 m 范围煤层被抬升至顶部。介于该测区煤层赋存不稳定和构造发育等情况，本次勘探采用透射法与反射法相结合的探测方法，探测切眼揭露断层向工作面内部的延伸情况。由于切眼所揭露的2 条断层中，上方断层距离上巷不足20 m，为上巷探测盲区，因此，反射法勘探时将炮检点间隔布置在下巷，共设计炮孔27 个，孔距10 m，检波器孔28 个，孔距10 m。透射法勘探在工作面上巷及切眼设计炮孔共36 个，孔距10 m，与反射法共用检波器孔。本次勘探实际施工炮点63 个，检波点27 个。25050 工作面槽波勘探观测系统如图8。

图8 25050 工作面槽波勘探观测系统Fig.8 Observation system of channel wave survey in25050 working face

1）反射法数据解译。反射法数据处理采用了共中心点叠加法，25050 工作面反射槽波共中心点叠加图如图9。图9 为按槽波速度1 050 m/s 校正深度后的共中心点叠加剖面，距上巷20～30 m，沿工作面走向，存在1 条反射震相（红线），向工作面内部延伸约130 m，结合地质资料推测此反射界面为切眼揭露断层向工作面内部的延伸；切眼中部发育的落差4 m 的正断层，在叠加剖面中未见明显同相轴。

图9 25050 工作面反射槽波共中心点叠加图Fig.9 Stack section of reflection channel wave in 25050 working face

2）透射法数据解译。透射法数据处理采用了槽波速度成像法，25050 工作面透射槽波速度分布图如图10。选取185 Hz 拾取槽波旅行时，经速度层析成像，绘制槽波速度分布图。将波速大于1 300 m/s的区域作为槽波高速区（红色区域），高速区位于测区里段的中上部，综合分析巷道实际揭露的煤厚、构造等资料，预测此高速区为断层影响区域，或为煤层薄化区。

图10 25050 工作面透射槽波速度分布图Fig.10 Distribution of channel wave velocity in 25050 working face

综合分析反射法和透射法成果认为，切眼上部揭露断层向工作面内部延伸距离约为130 m，切眼中部揭露断层向工作面内部延伸距离有限，落差逐渐变小。经回采验证，靠近上巷断层向工作面内部延伸距离约为146 m，与预测结果基本一致；切眼中部断层未向工作面内部延伸，槽波高速区由煤厚变薄所致。勘探成果与实际情况较为吻合。

4 结 语

总结了常见的断层探测情况，根据断层位置、产状差异和探测目的等，分工作面内部断层、工作面外部断层和其他情况，概化建立了10 种典型观测系统模型，阐述了对应的数据解译方法，并挑选2 个典型断层探测实例，围绕观测系统设计和数据解译进行了具体说明，为地震槽波探测断层观测系统设计和数据解译方法的选择提供参考。

在开展地震槽波断层探测时，科学合理的观测系统设计和数据解译方法的选择能够有效提升探测效果；在勘探过程中应充分结合实际情况，选择一种或综合多种观测系统模型设计观测系统和选择数据解译方法。