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矿井震波勘探技术在寻找地质构造异常体中的应用

信息来源：《应用快讯》添加日期：2013-11-13 浏览次数：6641

高树林¹ 王明耀² 祝云飞² 周凯²

1.山东省枣庄矿业集团新安煤矿，山东济宁

2.福建华虹智能科技开发有限公司，福建福州

摘要：断层构造一直是影响矿井巷道安全掘进及资源回收率的重要因素。为了保证安全高效的掘进和煤炭资源的回收，必须对构造地质异常进行超前探测与预报，优化工作面设计，提高采区资源回收率。目前应用于断层构造探测的技术方法主要有地震波法及无线电波坑透法等。论文阐述了矿井震波勘探的工作原理、工作方法及资料解释等内容，并通过新安煤矿3208工作面的工程实例，进一步说明了该方法对于寻找异常地质构造体的准确性及可行性。

关键词：矿井巷道；断层构造；超前探测；地震波法；

0 引言

煤层开采过程中，地质构造及其异常体位置对安全生产及资源回收影响极大。目前通过地面三维地震勘探可以相对准确地预测落差大于5m以上的断层构造，但对于采区来说，真正影响工作面安全高效生产的却是落差在2-5m之间的中小断层。随煤炭开采的机械化程度提高，地质构造的控制程度和精度直接影响煤炭资源的回收率。如何做到提前预报和及时防治，关键在于有效的超前探测。地震勘探对大的地质界面非常敏感，如断层破碎带、陷落柱和岩溶空洞等。所以利用地震波法能对岩体的构造特性、围岩的完整程度、破碎状态等做出合理的推测，并提高超前预报的科学性。

1 地震波法探测原理

1.1 地震波的基础理论

地震勘探是根据介质弹性和密度的差异，通过观测和分析地层对人工激发地震波的响应来获得地层形态和性质的一种地球物理勘探方法。

地震反射波形成的条件是界面两侧存在波阻抗差异或反射系数不为零。

图1-1 地震波在介质中传播分配

图1-2 水平二层构造与时距曲线

波阻抗Z=r×v

反射系数=(r₁×V₁-r₂×V₂)/(r₁×V₁+r₂×V₂)

两层水平介质直达波时距曲线方程t=X/V₁

两层水平介质反射波时距方程

其中：t为旅行时，x为源检距，V₁为第一层介质波速，h为反射界面深度。

1.2 单点探测技术原理

单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式（图1-3），即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号，来解析计算目的层距离或厚度的。由反射波时距曲线方程：4h²+x²=v²t²，令x=0，则h=vt/2。式中时间t

可由波形记录上判读，波速v须是一已知数，其取值准确与否，直接影响到目的层距离或厚度探测的精度。一般来说，在一定的探测区域内，岩、煤层的垂向波速都较稳定，探测时可作波速调查，弄清各层波速分布状况，为探测解析提供依据。

图1-3 单道观测系统波路图

需要说明的是：由于井下震波数据采集现场煤岩介质较为破碎，裂隙和松动圈较为发育，所以一般源检距控制在0.5-1m的范围内，震源和检波器均布置在较为完整的介质上。

1.2 反射共偏移探测技术原理

图1-4 共偏移多次覆盖示意图

反射共偏移探测技术是依据反射波勘探原理，在单边排列分析基础上选定最佳偏移距，采用多次覆盖观测系统进行数据采集。探测时首先针对测试区域地震地质条件利用单边排列方法进行现场噪声调查，对排列记录分析对比，确定最佳共偏移接收窗口，并按一定的步距同步前移完成探测任务。只要地质体中存在波阻抗差异，就会产生反射回波，且反射能量受界面特性控制，这是进行地质体分辨的前提。通常在现场实际工作中，常用密集型双道共偏移数据解决实际问题。它在对地质体的连续追踪中发挥着重要的作用。

现场探测时是在最佳窗口内选择一个公共偏移距，采用单道小步长，保持炮点和接收点距离不变，同步移动震源和检波器。每激发一次接收一组波形，最后得到一张多道记录，各道具有相同的偏移距。图1-5为共偏移法现场施工示意图。另一种方法是通过对共炮点记录进行自动排列，也可以获得各种偏移距的共偏移剖面。利用这种共偏移地震剖面，可正确识别反射波同相轴，由于偏移距相同，数据处理时不需作正常时差校正。工程中常用来对反射波同相轴位置及特征进行了解，由于这种方法施工较为简单，特别适用于矿井煤岩巷道或工作面构造及异常地质体的调查工作。

图1-5 共偏移法现场施工示意图

根据反射波勘探原理，以水平反射界面为例，则单道观测系统有相应波路图（图1-6），且它的时距曲线方程为：

图1-6 单道观测系统有相应波路图

式中x即为偏移距，v为探测介质的地震波波速，t为地震波旅行时间，而h是目标体的界面深度，是需要求解的。因此根据测试所获得的地震波记录，进行反射波相位追踪，确定各个界面的反射波组并求取反射相位时间，即可求解探测目标体的深度，并进行地质解释。对于倾斜界面则根据反射波组特征进行相应的深度校正，获得该界面的实际深度位置。

为了识别有效反射波，必须选择最佳地段接收的“最佳窗口技术”。通常现场噪声调查时检波器接收到的弹性波有来自震源激发所产生的反射波、折射波、面波、空气声波、多次反射波等，也有测试空间的常时微动和测线附件的人为干扰等，因此必须从调查记录中考虑避开各种干扰波，突出有效反射波，准确有效地确定最佳偏移距，保证测试时反射波同相轴的清晰易辨，同时还要考虑激发能量的有效性。而移动步距决定横向分辨率，因此不宜太大。

2 工程实例

2.1 地质概况

枣庄矿业集团新安煤矿3208工作面是32采区南翼一综放工作面，开采山西组3层煤。工作面走向长778m，倾斜长217m，煤层厚度8.0m～9.7m,平均厚度8.5m,可采储量155.0万吨，开采煤层底板标高-412.1m～-465.9m。

本工作面总体呈一单斜构造，倾向西南,煤层倾角5°～12°,平均倾角7°。地质构造较复杂，材巷靠近F34断层和F34支断层，落差分别为15m和9m，F34支断层在材巷外段掘进时已揭露，为优化工作面合理布置和开采，材巷进行调向后，沿F34支断层施工；切眼靠近孟口断层，落差32～90m，在切眼揭露落差9m的f3208-3断层后，切眼进行了优化设计，沿f3208-1断层施工了斜切眼。两巷及切眼共揭露断层9条，断层处煤（岩）层破碎，对工作面开采有影响。在回采过程中材巷与F34支断层间的煤柱大小直接影响采区资源回收率，因此，查明F34支断层的准确位置至关重要。

图2-1 3208工作面平面图

2.2 现场布置与数据采集

2.2.1 仪器设备

本次单点及反射共偏移探测都采用KDZ1114-6A30型便携式矿井地质探测仪和TZBS系列(主频为100Hz)传感器进行数据采集。探测工作主要使用的仪器设备有：

1) KDZ1114-6A30型矿井地质探测仪一台。

2) 信号采集线一根，HDQS系列(主频为100Hz)高阻尼传感器2组。

3) 启动线一根，启动芯片若干。

4）5kg重的铁锤一只。

2.2.2 单点探测现场布置

在实测过程中采用两道单点接收的方式进行采集数据，锤击反射采用两道检波器接收，试验时采用与仪器配套的100HZ的HDQS-100动圈振动速度检波器。在使用检波器时需要检波器与原始巷帮（岩层）接触，探测迎头仰角40°和俯角10°范围前方的地质异常体。（见2-2布置示意图）

图2-2 巷道单点探测布置示意图

2.2.3 反射共偏移探测现场布置

根据现场情况，把现场的布置做了适当的调整，偏移距设为2m，移动步距2m和道间距定为1m；本次探测使用锤子作为激发震源，两个检波器进行接收，采用反射共偏移的方法进行探测前方80m范围内的异常体位置；具体现场布置示意图如下所示：

图2-3 共偏移布置示意图

2.3 数据处理与结果分析

2.3.1 获取综合波速

为获得准确的震波波速，在3208运巷左帮进行了一次波速实验。利用单点探测的方法，对一条已知位置的断层进行探测。采集数据的时候我们采用双检波器进行采集数据，每次采集多组数据，根据已知异常体的位置，使检波器的顺着煤层的倾角方向探测异常体的位置，根据震波信号变化选择异常界面，并算出煤的波速。具体结果如下图所示：

图2-4 速度分析结果图

通过上述结果的分析，根据现场探测出该探测点煤层的综合波速为3.42m/ms。

2.3.2 3208材巷右帮探测结果

3208材巷右帮采用反射共偏移的方法进行探测，采集数据时采用双检波器进行。结合现场情况和相关的地质资料，探测材巷右侧的地质异常体，分析采集到的数据得到的异常界面的时间计算出异常界面距探测巷帮的距离。在探测范围内共有两个异常位置，具体位置如下图所示。第一个异常界面距巷帮得距离为18.6-29.3m，第二个异常界面距巷帮得距离为48-56.6m。

图2-5 3208材巷右帮共偏移探测结果分析图

2.4 探掘情况对比

探测结束后，开始在3208材料巷右帮布置钻孔，整条巷道共布置六个钻孔，其中，2号钻孔在当日探测位置附近，经2号钻孔资料显示，分别在20.8m及52.8m见到断层，分析这两条断层分别为F43支断层及F43断层。实际位置与探测结果基本吻合。其对地质异常体地探测精度达到90％以上，为巷道的安全掘进及工作面的优化设计提供了准确的地质资料。通过优化工作面设计，多回收煤炭资源10.39万吨。