矿井分布式震波探测仪在探测地质构造中的应用-中国矿井物探网—

辛磊¹，黄云²，王喜宾¹，周友俊³，韩波⁴（1.华虹科技甘肃办事处；2.华虹科技研发一部；
3.华虹科技技术支持中心；4. 靖远煤电股份有限公司）

1 地质概况与探测任务

1.1 地质概况
    靖远煤电股份有限公司宝积山矿707工作面回风巷道在掘进过程中遇到F46断层，该断层是宝积山矿与大水头矿的边界断层。由于地面三维地震勘对F46的控制不够精准，所以2014年11月5日靖远煤电股份有限公司集团生产部邀请我司技术人员对该断层进行探测。由于矿方对该断层的走向非常重视，故我司采用最新研制的矿井分布式震波探测仪对F46断层进行探测。探测测线长度375m，深度200m。
    靖远煤电股份有限公司宝积山矿707工作面上部为705工作面采空区，下部设计为709工作面，煤层倾角10°左右，煤厚15m左右，该工作面切眼预计长度为200m。707回风巷道在掘进过程中遇到F46断层，但是三维地震勘探结果与该断层的实际走向相差较大，为探明F46断层的走向，给回风巷道的布置提供更有效的科学依据，提高回采效率，采用矿井分布式震波探测仪进行探测。
1.2 探测任务
    根据现场条件及矿方要求，探查靖远煤电股份有限公司宝积山矿F46断层在测线长度400m，深度200m范围内的走向。为该掘进工作面高效生产提供科学有效的技术依据。探测范围如图1-1所示。

图1-1 探测范围图

2 矿井分布式震波探测仪简介
2.1 矿井分布式震波探测仪基本原理
矿井分布式震波探测系统，是基于反射和透射地震勘探原理，即利用人工激发的地震波在地层传播过程中，遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射和透射的原理，根据反射波或者透射波特征来分辨工作面内、巷道侧帮的断层、软弱夹层等不良地质体。地震波是由特定位置进行，由小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道侧帮平行洞底成直线排列，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时，将产生反射波。
矿井分布式震波探测系统主要由记录单元、接收单元和激发单元三部分组成。矿井分布式震波探测系统是通过巷道一帮布置多个不同距离的接收器，目的是接收不同产状的地质界面的反射波。图2-1为工作原理示意图。接收器由极灵敏的三分量地震加速度检波器（X、Y、Z分量）组成，频宽10-7000Hz，包含了所需的动态范围。确保在三维空间方向范围的全波场记录，所以能分辨不同波的类型，如P波和S波。现场用30cm长的钢钎垂直砸进巷帮，检波器吸附在钢钎上。震源采用炮震方式。工作原理图如2-1所示。

图2-1 矿井分布式震波探测系统工作原理图

2.2 仪器设备
    本次探测使用由福州华虹智能科技股份有限公司研发生产的矿井分布式震波探测系统，该仪器采用先进电子技术与嵌入式操作系统，能保证地震数据的高保真获取及智能管理。
3 现场施工
3.1 观测系统布置
    本次探测于2014年11月11日进行，在707工作面回风巷道和运输巷道进行探测，检波点和炮点均布置在巷道右帮，见观测系统示意图3-1，3-2。
    测线范围为707工作面回风巷道迎头后退5m—185m，707工作面运输巷道迎头后退5m—200m。本次地震波法探测在有限条件和空间内展开，采用多检波器多激发点观测系统，检波点和激发点均布置在巷道右帮，采用雷管震源。现场施工时，布置激发点共15个，激发点间距5m，偏移距5m；接收传感器点62个，道间距5m。传感器及锤击点空间布置见上图。

图3-1 707工作面回风巷道地震波法探测施工图

图3-2 707工作面运输巷道地震波法探测施工图

3.2 数据质量评价
    为了保证数据的采集质量，现场施工时严格按照地震勘探行业标准进行操作，本次探测得到了矿方全力配合。原始数据质量非常可靠，符合地震数据采集要求。
4 数据处理及结果解析
    将现场采集到的地震数据经过处理方能转化为可利用的物性图件，其处理流程为：数据预处理—频谱分析—直达波求取—反射波提取—速度分析—深度偏移—界面提取，最后才能就异常界面进行解释。
4.1 原始地震图
    原始地震图是未经过任何处理的地震文件，只是把地震动信号转换为电信号。如图4-1所示，其中纵坐标为地震波振幅，横坐标为采样点数，采样间隔为300μs，原始原始地震图可以大致看出反射界面，可以从原始地震图转换出地震波形图。图4-1为本次探测的原始地震文件之一，可以明显的看出在1334点处有较强反射波出现。

图4-1 原始地震文件

4.2 地震波形图
原始地震图经过换算之后，得到地震波形图，以图4-1为例，采样点数于采样间隔之积就是采样时长，这样就把横坐标转化为时间。图4-2为地震波形图，其横坐标为时间，单位为ms，纵坐标为振幅。从图中可以很明显的看出有两个反射界面，分别为FS1、FS2，其中FS1为707工作面右帮40m左右处界面，即该异常界面在工作面内；FS2为707工作面运输巷道右帮210m处界面，该异常界面是由于F46断层所致。

图4-2 地震波形图

4.3 偏移成像结果图
图4-3为707工作面回风巷道右帮偏移成像结果，图4-4为707工作面运输巷道右帮偏移成像结果图，横坐标代表测线长度，纵坐标代表探测深度。从图中可以很明显的看出，707工作面回风巷道右帮有一组很强的反射波；707工作面运输巷道右帮有两组反射波。

图4-3 707工作面回风巷道右帮偏移成像结果

图4-4 707工作面运输巷道右帮偏移成像结果图

4.4 偏移成像异常结果图
深度偏移剖面反映了巷道前方弹性差异界面在空间的位置关系。图4-5为707工作面回风巷道右帮偏移成像异常结果图；图4-6为707工作面运输巷道右帮偏移成像异常结果图。
图中红色线条为异常界面，分别命名为R1、R2、R3。

图4-5 707工作面回风巷道右帮偏移成像异常结果图

图4-6 707工作面运输巷道右帮偏移成像异常结果图

5 结论及建议
5.1 结论
    本次地震波探测探测共探测375m，深度控制在200范围之内，能够有效反映探测区域的地质构造发育情况。如图5-1所示，图中红色线条代表F46断层的走向。如图5-1所示。
    （1）707工作面回风巷道右帮偏移成像异常结果图显示，在整条测线范围内，深度在34m～100m处有一异常界面，即R1界面。此界面反射波非常明显，主要是因为F46断层距离该巷道比较近，发射波能量较大引起。该反射界面大致反映出F46断层的走向，如图中红色线条所示；
    （2）707工作面运输巷道右帮偏移成像异常结果图显示，在整条测线范围内，深度在38m～63m、177m～196m处有两处异常界面，即R2、R3界面。其中R2界面反射波能量相对小，是由于Fa断层或者是设计工作面中间地点的向斜轴引起，再加上Fa断层断距在7m左右，不能断开煤层，所以波阻抗差异小，异常界面小；R3界面反射能量相对较大，异常界面明显；R3界面非常明显，反射波能量较大，是由F46断层引起，其中异常界面如图中红色线条所示。
    （3）707工作面矿井分布式震波探测成果图中蓝色线条为三维地震勘探F46断层位置，红色线条为矿井分布式震波探测仪探测F46断层位置，绿色线条为经过打钻以及巷探之后推测得到的F46断层位置。可以很明显的看出矿井分布式震波探测系统能够相对准确的查明大断层的走向，提高煤矿生产效率，为矿井安全生产提供可靠的科学依据。

图5-1矿井分布式震波探测仪探测成果图

5.2 建议
    （1）建议生产单位在掘进过程中对异常位置进行钻探验证，并在掘进过程中应加强瓦斯与顶板管理。
    （2）建议掘进过程中加强地质编录及电子归档，并及时反馈，以便后续对探测与揭露资料的进行深入分析，及时合理速度参数等关键技术参数，通过不断的探掘对比，提高探测精度。
    （3）本报告未尽事宜，请参照《煤矿安全生产规程》等相关制度确保矿方安全生产。