回采工作面底板隐伏构造滑行波探测技术研究

孙文斌，祝玉函，牛云飞，杜雯莉

(北京探创资源科技有限公司，山东 济宁 273500)

近年来，我国华北地区矿井出现了多起三煤开采底板奥灰突水事故，造成了重大人员伤亡和财产损失，这些事故多为回采工作面底板存在隐伏的导水构造所致。底板高承压岩溶地下水的通道探测,一直是矿山物探所面临的重点任务之一[1]。槽波地震勘探方法具备了探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征较易识别等优点，是目前煤矿井下构造探测最先进技术[2-3]。我国大多数薄-中厚煤层具有较好的槽波赋存条件[2]，在小构造探测方面也具有一定优势[4-7]。整体来看槽波勘探技术应用较多，在多个矿井均取得了较好的探测效果[8-11]。但这些成果主要针对回采工作面内部构造进行探测，对底板隐伏构造探测方面的研究较少，成果也较少。本文通过对槽波波列中的滑行波进行专门处理，对其传播规律、采集方法、资料处理解释技术进行系统研究，实现了对煤层底板隐伏构造探测。

1 滑行波探测原理

1.1 滑行波的形成

在煤系地层中，煤层较其顶底板相比是一个低速地震槽，具有低速度、低密度、波阻抗低等特性，而煤层与巷道围岩间的界面结构，通常提供了较好的发射面。在煤层中激发地震波，其所激发的纵波(P波)和横波(S波)以震源为中心，以球面体波向四周传播，而以不同的角度入射到顶底板界面，地震波入射至各种岩性的岩层界面时，不仅能形成反射波，而且还能形成透射波，它们之间应满足折射定律。当下层介质波速高于上层介质波速时，随着入射角增大，折射角也随之增大，当入射角逐渐增至到90°，即发生全反射现象，则地震波成为沿界面滑行波。

图1 水平二层介质折射波时距曲线示意图

(1)

1.2 滑行波观测系统设计

滑行波探测观测系统与槽波透射法探测相近，可在一条巷道激发，在其它巷道内接收，从而实现地震波传播的射线对工作面的全部覆盖。只是槽波的能量分布与滑行波能量的分布有所不同，因此炮点激发的位置以及检波器的布设位置，尤其是检波器使用的分量类型与槽波探测有所不同。

在槽波地震观测系统中，由于受煤矿开采技术条件的限制，接收点的布置方式只能是沿巷道呈线状排列。对于反射法，激发点与接收点布置在同一条巷道内；而对于透射法，激发点与接收点则分别布置在不同的巷道内。

对滑行波来说，尽量采用透射法，同时道间距、炮检距、偏移距、最远炮检距等参数要合理选用，合适的观测系统，可以有效压制部分干扰。在生产施工过程中通过试验最终确定观测系统参数的选择。

建立如图2所示的正演模型模拟滑行波在煤层中的传播方式，在煤层底板以下5 m的位置布置半径为20 m的陷落柱，共设置有3个模型进行对比，陷落柱长度分别为30 m、50 m 和70 m。在模型上，z=100 m、x=50 m，y=0 m处布置一炮点，接收点位于z=105 m、y=200 m的平面和xoz平面的交线上，道距为1 m，共布置800道检波点，岩性参数见表1所示。

图2 正演模型示意图

表1 模型围岩、煤层参数表

通过正演模拟可见，当底板存在陷落柱时，陷落柱右侧的检波器接收的滑行波能量发生了显著的改变。将滑行波进行波场分离以后，研究滑行S波和滑行P波的变化，滑行波在经过破碎带后，地震记录上出现反射波，最大绝对值振幅明显衰减，滑行S波衰减严重，经过破碎带后不会重新趋于背景场，但滑行P波衰减要弱于滑行S波，且在越过陷落柱后会重新趋于背景场。滑行P波和滑行S波表现出了不同响应特征，从而证实了构造对于滑行波具有较大的影响如图3—图5所示。

图3 正演模拟单炮记录

图4 不同陷落柱x、y、z三分量滑行横波最大绝对值振幅

图5 不同陷落柱x、y、z三分量滑行纵波最大绝对值振幅

2 滑行波数据采集处理

2.1 滑行波激发与接收

在井下煤层中激发槽波的震源方式通常有两类：一类为机械震源，如锤击、可控机电一体化激发的机械震源；另一类为爆炸震源。由于煤矿井下槽波探测距离相对较大，目前主要使用爆炸震源来激发槽波，通常选用微秒雷管(也称瞬发雷管)以获取地质信息的准确记录时间。

接受滑行波时通常采用三分量检波器，检波器的布置位置一般固定在锚杆上。相对于在地面的地震勘探来说井下槽波地震勘探对检波器的要求更高，槽波勘探要求检波器的辐射特性至少在<1 000 Hz的频响范围内具有良好的线性响应及一致性。

2.2 滑行波数据处理

在煤层中激发炮点时，煤层顶底板中形成的折射纵波与横波将沿着煤层顶底板传播，此外低频段的槽波也有一部分能量将沿着煤层顶底板传播。地质条件发生变化时，底板中槽波及折射波的能量、频率、速度等参数将随之发生变化。当底板存在断层或破碎带时，槽波和折射波的能量将发生显著的改变。因此，提出针对底板中槽波和折射波能量处理的一系列措施，从而反演出底板中的断层或破碎带等构造异常体。

由于低频成分受到底板深部构造影响，因此可以用来反演底板深部构造情况；同理，高频成分受到底板浅部构造影响，可以用来反演底板浅部构造情况，即可以反演出底板不同深度的构造情况。数据处理方案如图6所示。

图6 针对底板不同深度构造的槽波透射数据处理设计方案

3 工程实例

为验证滑行波探测底板构造有效性，本文选择山东某矿进行工作面滑行波底板探测试验。

3.1 工程概况

该工作面主采煤层为3#煤层，工作面走向长1 795 m，倾向长270 m，面积338 390 m2；煤层厚度6.15～9.05 m，平均8.15 m，煤层结构复杂，煤层倾角0～12°，平均5°。

工作面褶曲主要以C9背斜、C8-2向斜为主，受其影响断层尤为发育。C9背斜位于工作面西部,煤层产状变化较大，对掘进及回采有较大影响；C8-2向斜位于工作面东部,煤层坡度相对较为平缓。

根据三维物探资料和相邻工作面揭露，工作面范围内发育断层15条，FS45、FS41、SF18等3条断层贯穿工作面，对掘进及开采影响较大。

工作面底板岩性为泥岩和砂岩，底板与煤层形成了良好的反射界面层，为滑行波的形成创造了有利条件。由于工作面内断层发育，该工作面地震地质条件总体评为良好。

3.2 施工设计及工作量

本次探测沿运输顺槽布设检波器，道间距10 m，共150道，R1-R150；沿轨道顺槽布设炮点，炮间距10 m，共122炮，S1-S122。如表2所示。

表2 滑行波探测工作量

本次滑行波地震探测共采集透射槽波记录122炮，实际采集110炮，有效数据110炮。仪器记录采样间隔0.1 ms，记录长度2 s，所采集数据的原始数据质量较高，所得数据全部合格。

3.3 数据分析处理

3.3.1预处理

由于矿井内施工空间小，工频电干扰大，地震数据也经常受到较大的影响，需要建立观测系统，初至校正，剔除空道、坏道、不正常道，滤波等预处理。

3.3.2数据矫正

1)几何扩散矫正。槽波扩散局限在煤层及围岩中的一个薄层，在一个近似二维空间内由振动源向外传播，槽波波前近似圆柱状。随着槽波传播距离增大，柱状波前也随之不断扩大，能量密度随之不断减小。通过研究数据可知它的振幅与传播距离的平方根成反比，并且比球面波波前扩散速度慢。

由于槽波频散的特性，使槽波传播距离增大波列不断散开，槽波振幅也伴随着按x-1/2衰减频率不断衰减；对埃里相来说，按x-1/3的衰减频率衰减。综合前文这两种衰减的几何因素，对于槽波振幅来说仍将按x-1的规律进行衰减，总的传播效应与球面体波传播类似。值得注意的是，埃里震相按照x-5/6的衰减速率进行衰减，相比于槽波来说其余部分衰减速率要慢。

2)吸收衰减矫正。介质的吸收衰减通常使用吸收系数α来表示。随着介质吸收作用的影响，槽波振幅也按e-ax衰减率衰减。槽波几何频散的特性形成了具有高频、强振幅特性的埃里震相，埃里震相随着距离x增大成为了频散槽波波列中的优势震相。但由于介质具有的吸收效应，又使得高频的埃里震相随着x增大面临强烈衰减，当x很大时，在现场操作中又很难测量出。所以，由于介质的吸收作用的影响给研究、利用埃里震相造成很多麻烦，也限制了槽波测量范围的进一步拓展。根据以上讨论，槽波双程lT衰减可按下式计算：

(2)

式中：l为从震源到目标的单程距离，m；λA为基阶振型L波埃里相波长，m；δ为吸收衰减速率，dB/m。

3.3.3单炮记录及速度分析

本次地震探测共采集透射记录122炮，实际采集110炮，有效数据110炮。图7为运顺S102炮记录，可以看出单炮记录中槽波波列清晰，P波、S波也较清晰，总体数据质量较好，除少量的异常道外，其余数据均可用于成像。该记录槽波和滑行波发育，为典型的高质量单炮记录。

图7 典型原始单炮记录数据(S102炮)

3.3.4透射成像

滑行波在工作面中是沿煤层顶板和底板进行传播的，当传播通道中出现障碍物或当传播通道遭到破坏时，就会导致通过这部分区域的滑行波在能量上出现一定范围内的偏差。基于滑行波能量的CT成像技术正是利用这一原理，通过每条射线接受到的能量差异，反演出勘探工作面内目标煤层的物性参数。同时借鉴在医学中获得成功运用的联合代数重建技术(SART)对勘探工作面中的目标煤层进行成像，槽波能量成像处理大致可分为以下几步：

1)对数据进行能量均衡和补偿，消除各炮能量不均匀以及检波器安置的影响。

2)计算滑行波能量。

3)对滑行波能量数据进行按炮检距影响因素的能量矫正。

4)CT成像处理。

针对该工作面，首先根据工作面施工区域建立一个沿着X方向和Y方向分布的模型，网格尺寸大小约为5 m×5 m。即在X方向271个，在Y方向44个格点。按照CT成像的基本原理，把能量分配到各个网格，进行迭代求解，最终获取此模型上每个网格点的能量分布数值，最后将网格数据绘制成等值线图如图8所示。

图8 滑行波能量衰减系数CT成像结果图

3.3.5地质解释

断层对槽波的影响表现在速度、频率、波形、能量等多个参数的变化，而其中的能量参数最为敏感。当槽波传播过程中遇到断层时，槽波能量将发生一定程度的改变，当断层的断距超过0.5倍煤厚，通常槽波埃里相位的能量将发生明显的变化。以槽波能量CT图为主要依据，并参考了该工作面巷道、邻近工作面开采情况以及岩巷已揭露的信息等进行对比综合解释。本次槽波探测共解释7条断层。

1)CH-F1断层在运顺和切眼均有揭露，与巷道揭露的3F102、FS3断层大致对应，为实际揭露断层。依据揭露情况，该断层走向NNW，落差0.5～1倍煤厚。由于这两条断层距离较小，且位于工作面的边界部位，槽波探测射线有限，难以区分出两条断层，因此综合解释为一条断层。

2)CH-F2断层在运顺和轨顺均有揭露，与巷道揭露的FS45断层大致对应，为实际揭露断层。依据揭露情况，该断层走向NNW，落差h=9.5～15.5 m。受断层影响，在单炮记录中有较为明显的反应，表现为槽波能量明显减弱，在CT图中有清晰的断层形态，因此，主要依据槽波CT能量图中的异常形态与巷道揭露情况进行解释。

3)CH-F3断层在轨顺有揭露，与巷道揭露的3FS45断层大致对应，为实际揭露断层。依据揭露情况，该断层走向NNW，落差约0.5倍煤厚。受断层影响，在单炮记录中有较为明显的反应，表现为槽波能量明显减弱，在CT图中有清晰的断层形态，因此，主要依据槽波CT能量图中的异常形态与巷道揭露情况划定该断层。

4)CH-F4断层在轨顺有揭露，与巷道揭露的3F100断层大致对应，为实际揭露断层。依据揭露情况，该断层走向NWW，落差0.5倍煤厚。在单炮记录中断层对槽波的影响有较为明显的反应，表现为槽波能量明显减弱，在CT图中有清晰的断层形态，因此，主要依据槽波CT能量图中的异常形态与巷道揭露情况划定该断层。

5)CH-F5断层在轨顺、运顺均有揭露，与巷道揭露的FS41、FS42断层大致对应，为实际揭露断层。依据揭露情况，该断层走向近SN，落差约1倍煤厚。在单炮记录中有非常明显的反应，表现为槽波能量减弱，在CT图中有清晰的断层形态，因此，主要依据槽波CT能量图中的异常形态与巷道揭露情况进行解释。

6)CH-F6断层在运顺有揭露，与巷道揭露的FS29断层大致对应，为实际揭露断层。依据揭露情况，该断层走向NNE，落差0.5倍煤厚。在单炮记录中断层对槽波的影响有较为明显的反应，表现为槽波能量明显减弱，在CT图中有清晰的断层形态，因此，主要依据槽波CT能量图中的异常形态与巷道揭露情况划定该断层。

7)CH-F7断层位于32y5导线点附近，与巷道揭露的FS27断层大致对应，为实际揭露断层。依据揭露情况，该断层走向NNW，落差0.5倍煤厚。由于该断层位于工作面边界区域，槽波探测射线有限，CT成像时难以成像出断层的形态，容易形成异常区。

4 结论

本文以煤矿的安全生产需求为基础，在调研国内外该领域相关研究成果的基础上，利用矿井槽波探测技术和滑行波探测技术对山东某矿回采工作面展开槽波探测及滑行波探测的数据采集、处理、分析等相关研究工作，本文取得如下初步成果：

1)理论研究成果。通过煤矿煤层结构、物性为条件的槽波的频散特性、衰减特征、速度分布等研究可知，矿区槽波发育，槽波、滑行波特征明显，适合开展矿井地震勘探工作。但部分工作面内小断层等构造非常发育，对采集数据的质量有一定的影响。

2)槽波探测、滑行波探测施工方法与参数。初步形成了一套槽波探测、滑行波探测的施工方法和施工参数。

3)槽波探测数据处理方法。初步形成了一套槽波探测、滑行波探测的数据处理方案，由于煤层内小断层的影响，单炮记录中的槽波、滑行波信噪比较低，因此，适合采用带通滤波、直达波切除、道间插值等方法处理。

4)探测实例。在理论研究和现场试验的基础上，对山东某矿工作面实施槽波、滑行波透射法探测，取得了较为理想的效果，探测成果与地质资料较为吻合，可为工作面开采提供地质依据。

5)槽波探测技术和滑行波探测技术在煤矿的应用前景。通过本研究表明，在工作面开展槽波探测和滑行波探测是可行的，可为煤矿生产与安全保障提供一条可行的技术途径，具有广阔的应用前景。