震波反射共偏移法探测工作面内小构造应用研究-中国矿井物探网—

桂建华¹，李朝阳¹，李松²

(1. 平煤股份六矿，河南平顶山 ;2. 福州华虹智能科技开发有限公司，福建福州)

　　摘要：震波反射共偏移法是通过对采集数据进行时间域和频率域分析，可有效地确定各种地质异常带工作面内的影响范围及展布情况。在煤矿生产过程中将反射共偏移探测结果与采面风、机巷实际资料综合对比分析，可指导采面的安全高效回采，通过采面的回采资料与探测结果再次对比分析，可逐渐提高探测精度，更有效地指导煤矿安全、高效生产，创造时间和经济效益。
　　关键词：反射共偏移，工作面，地质构造，便携式地质探测仪
　　0 引言
　　在煤矿生产过程中，工作面内的各种地质构造和异常带范围对煤矿的安全生产有很大影响。因此预先查明工作面内对生产带来严重影响的中小地质构造及其变化范围，对保证煤矿层开采特别是综合机械化采煤的顺利进行可起到很好的帮助作用。随着采煤机械化程度不断提高，查清巷道已揭露断层在采面内的展布情况以及面内的隐伏构造的发育情况变得越来越重要。
　　为了掌握断层在回采工作面内的展布情况及隐伏构造发育情况，我矿采用地震波勘探中的反射共偏移探测技术，在2011年7月至10月间分别对丁_5-6-22220回采工作面，戊₈-23010回采工作面、戊_9-10-22150回采工作面三个工作面进行了探测。本文通过对探测资料与实际揭露资料进行比对分析，证实该方法可相对准确地提供技术资料，节约大量的钻探时间和费用，对煤矿安全高效的生产具有较大的指导意义。
　　1、应用概述
　　2011年7月至10月间，平煤六矿采用震波反射共偏移探测技术方法分别对丁_5-6-22220回采工作面，戊₈-22310回采工作面、戊_9-10-22150回采工作面进行了探测。
　　1.1测区地质概况
　　(1)丁_5-6-22220回采工作面走向长2730米，倾向长180米，该采面位于二水平丁二采区西翼中下部，采面下部为丁_5-6-22240未采实体，上部为丁_5-6-22200采空区，西部为五、六矿井边界锅底山断层，东部为六矿保护煤柱。该工作面呈缓倾斜单斜构造,煤厚3.3--4.6米，夹矸在0.5-1.1米，煤层倾角一般为8-13度，平均9度。该区段，在掘进期间共揭露19条断层，落差在0.2-6.0米，落差大于1米的12条。其中风巷揭露Fa7、Fa8、Fa9，机巷揭露Fa10、Fa11、FA12断层，形成断层密集带，造成二切眼以里153米范围内煤层变薄或缺失，采取了跳眼进行回采。
　　(2)戊_9-10-22150回采工作面，位于矿井二水平戊二采区东翼，工作面东部为四六矿边界，西部为戊二上下山保护煤柱，南部为戊_9-10-22130采空区，北部为未采动煤体，上部为戊₈-22090采空区和戊8-22110采空区。工作面呈缓倾斜单斜构造，煤层倾向0-38°，煤层倾角3-8°，走向长1420m，倾斜长170m。回采过程中预计将会遇到约27条正断层，落差0.2-12m之间，其中落差大于1.0m的10条，影响较大的2条，分别Fb5、Fb10断层。
　　(3)戊₈-22310回采工作面走向长1796米，倾向长180米，该采面位于二水平下延下部东翼，采面上部、下部、西部均为未开采实体，西部为下延保护煤柱。该工作面呈缓倾斜单斜构造,煤厚1.5-3.0米，平均煤厚2.2米，中间有不稳定夹矸，一般为0.5-0.6米。该区段，在掘进期间共揭露52条断层，落差在0.2-3.8米，落差大于1米的9条。其巷中Fc3、Fc4、Fc5、Fc7、Fc8断层，影响较大。
　　2 技术原理及施工方法
　　2.1反射共偏移探测原理
　　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以及窗口内的检波器间距，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，如地质界面，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，常用密集型单道共偏移数据解决实际问题，能满足现场的需要。它在对地质体连续追踪与调查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，保持激发点和接收点距离不变，同步移动震源和接收传感器。每激发一次接收一道波形，最后得到一张多道记录，各道具有相同的偏移距。图1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 共偏移距记录野外施工示意图

　　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2)，且它的时距曲线方程为：

　　 (1)

图2单道观测系统波路图

　　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。
　　2.2 仪器简介
　　对整个采面进行反射共偏移探测面内断层等构造和地质异常体，测线布置长，工作量大，需要一款携带轻便，智能化程度高的仪器设备。为此我矿选择了KDZ1114-3的便携式矿井地质探测仪。其主要的工作原理是通过人工激发地震波在介质中传播，并接受各种回波进行数据处理和分析。该仪器为4通道12位A/D数据采集，所获得的地震波信号记录精度能够满足矿井安全生产需要，操作方便简单，通常3-4人即可完成现场的数据采集任务。
　　2.3 探测方法及技术参数
　　探测采用反射共偏移方法，采用技术参数为：采样间隔120μs，采样点数1024，偏移距3m，移动步距3m，道间距3m，开通道数2道。
　　3 探测结果分析
　　反射共偏移法可分别对采集数据分别进行时间域和频率域分析，并以时域波组相位追踪对比为主进行地质解释。在时间域里，主要处理包括：信号录入、格式转换、预处理、数字滤波、修饰处理和偏移剖面形成与显示等内容。其中预处理包括道集重排、振幅平衡、静校正、二次采样等;修饰处理包括空间混波、三瞬处理、平滑处理等。数据处理的结果是由共偏移地震记录获得偏移时间剖面，根据剖面中反射相位同相轴的连续追踪对比，结合已知地质资料及地质体的各种特征进行解释，最终形成地质剖面。表1、2、3分别为丁_5-6-22220回采工作面、戊_9-10-22150回采工作面、戊₈-22310回采工作面异常区与实际揭露断层一览表。

表1

表2

表3

4 实例分析

　　震波反射共偏移法在资料解释时主要根据不同介质的速度差异和频谱差异以及异常界面反射相位起跳等方法来进行分析。地震波在岩石中传播速度远大于在煤层中传播速度，其频谱特征为在岩石中表现相对高频，在煤层中表现相对低频。以丁_5-6-22220回采工作面探测结果与实揭结果为例对比分析方法在断层控制中的应用。

　　如图3为追踪反射相位法分析断层，在丁_5-6-22220回采工作面机巷+32点西17m位置处揭露Fc6断层，即探测结果显示A2异常位置处。Fc6为正断层，走向4°，倾向94°，倾角30°，落差2.1m。在A2异常所圈区域震波表现出一组较明显且连续的反射波阻特征，为断层面特征。

图3 追踪反射相位法分析断层

　　图4为根据频率变化判断断层，在风巷-25点西38m左右位置揭露Fa16断层，即探测结果显示A10异常位置处。Fa16为正断层，走向40°,倾向130°，倾角48°，落差2m。如图所示在A10右侧地震波能量衰减比较慢，频率比较低，为煤层的低频反应，而在其左侧一段区域内地震波能量衰减较快，为断层带高频反应，频率差异明显，为断层使煤层顶板断下所致。

图4 震波频率差异法分析断层

　　如图5为依据地震波速度变化来分析断层，在风巷-21点至-24点之间分别揭露断层Fa18和Fa19，即探测结果显示A11和A12异常位置。Fa18为正断层，走向152°，倾向242°，倾角38°，落差2.4m;Fa19为正断层，走向125°，倾向35°，倾角80°，落差2.6m。在Fa18和 Fa19，即异常位置A11和A12之间地震波初至时间相对较短，震波速度相对较高，是断层导致的震波相对高速区，为断层导致煤层底板上抬所致。

图5 震波速度差异法分析断层

　　4、结论
　　(1)通过探测结果与巷道实际揭露结果对比分析，震波反射共偏移法控制回采工作面断层展布情况具有可行性，对采面的安全高效回采具有一定的指导意义。
　　(2)在断层落差较小及断层走向与巷道走向夹角较大时，震波反射共偏移法探测效果不显著，控制断层展布情况具有一定的难度。
　　(3)在实际生产中仍需根据巷道实际揭露资料及采面的回采资料结合探测资料进行再次解释以不断提高该方法探测结果的准确率，更好地指导生产。
　　参考文献：
　　[1]刘天放，李志聃.矿井地球物理勘探[M].北京：煤炭工业出版社，1993。
　　[2]刘盛东，吴军，张平松.地下工程震波技术与应用[J].中国煤田地质，2011(3)。
　　[3]张平松，刘盛东.断层构造在矿井工作面震波CT反演中的特征显现[J].煤炭学报，2006,31(1)：35-40。