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关键词：震波；断层
1 地质概况与任务
1.1 地质概况
河东煤业地处山西省灵石县两渡镇，为汾西矿业集团主体生产矿井，地质构造复杂，断层、陷落柱发育，尤其在构造发育或煤层产状变化大的区域，发育断距大小不一的大断层。20110工作面位于二采区，现在两巷和切眼已经全部贯通，现在矿方准备在20110工作面运输顺槽外帮布置一个新的工作面。根据上部煤层工作面的掘进和回采资料分析推测得知，在20110工作面运输顺槽外帮存在一条断距为21m左右的断层。为了保证新工作面的规划顺利，巷道布置位置正确，防止出现废巷，需要测得断层的具体位置，因此本次先用矿井震波探测技术进行探测，然后再根据物探结果用钻探技术进行验证。
1.2 探测任务
断层是煤矿开采过程中经常遇到的一种灾害性地质异常体，它直接影响煤矿工作面的布置，是影响煤矿生产建设的特殊地质条件之一。为了探查20110回采工作面运输巷外帮750m范围内地质构造和断层的赋存情况，为该新工作面的规划提供有效的技术依据，本次探测采用反射波法进行探测。
2 矿井震波震波单点法技术基本原理
反射波法是利用人工激发的地震波，利用专业的仪器设备和一定的工作装置接收地震波，根据地震波在地下介质中传播时遇到波阻抗差异界面时会产生反射波，通过分析反射波的规律特征来解决相应的地质问题的一种物探技术方法。基于KDZ1114-6A30矿井地质探测仪的反射波法主要有震波单点法和反射共偏移法两种常用方法。
图2-1 迎头超前单点探测示意图
震波单点法探测是利用地震波在波阻抗不同的介质界面会产生反射波的原理来探测介质的速度和厚度的。其采用单个检波器来接收单次锤击所反射回来的声波，并对此数据进行解析得到相应的结果，因此称之为单点探测，见示意图2-1。单点探测要求检波器和震源尽量的靠近，但不要接触震源。单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式，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。公式中时间t可由波形记录上判读，波速须是一已知数，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，为探测解单点探测接收的反射波是震源在界面的垂点反射回来的反射波，所以解析的距离总是等于或者小于实际位置。探测目的层与探测方向的夹角大于等于60°，可以满足误差要求。
震波单点法探测，以自激自收方式进行数据采集和处理，其现场布置简单、灵活，基本不受测试环境限制，是一种抗干扰能力强、探测精度高、适用性好、工作方法简单的测试技术。该系统主要有以下特点：①整套仪器轻便，两到三人使用即可高效地完成现场测试任务，工作方法简单有效。②可进行现场实时解释，便于工作效率提高。也可将数据记录在机器内，通过丰富的后台处理手段，改善信噪比。③记录精确度、灵敏度较高，动态范围大，抗干扰能力强，失真度小。它可适用于狭小工作范围或空间受限的探测环境，对煤矿井下巷道前方断层及其异常探测、顶煤厚度探测以及工作面内小构造探查等具有较为独特的优势，能够充分发挥其技术特点。
2.2 仪器设备简介
本次探测仪器采用福州华虹智能科技股份有限公司生产的KDZ1114-6A30矿井地质探测仪。该仪器为基于矿井震波运动学和动力学特征理论研究基础上，通过数学建模、反演算法、图像处理、地质解析等专项技术开发形成井下地震的各种探测技术方法，用于解决井下采掘工作面前方及周围未探明的地质构造和影响范围及巷道余煤(岩)厚度等预测预报的一款物探仪器。其采用先进电子技术与嵌入式操作系统，保证了地震数据信号的高保真采集及高分辨信号解析处理。2008年，本产品被列入福建省科技计划重点项目和福建省促进项目成果转化扶持项目，并获得国家实用新型专利证书，专利号为：ZL20072000 7483.3，见图2-2KDZ1114-6A30矿井地质探测仪系统示意图。
震波单点法探测，以自激自收方式进行数据采集和处理，其现场布置简单、灵活，基本不受测试环境限制，是一种抗干扰能力强、探测精度高、适用性好、工作方法简单的测试技术。该系统主要有以下特点：①整套仪器轻便，两到三人使用即可高效地完成现场测试任务，工作方法简单有效。②可进行现场实时解释，便于工作效率提高。也可将数据记录在机器内，通过丰富的后台处理手段，改善信噪比。③记录精确度、灵敏度较高，动态范围大，抗干扰能力强，失真度小。它可适用于狭小工作范围或空间受限的探测环境，对煤矿井下巷道前方断层及其异常探测、顶煤厚度探测以及工作面内小构造探查等具有较为独特的优势，能够充分发挥其技术特点。
2.2 仪器设备简介
本次探测仪器采用福州华虹智能科技股份有限公司生产的KDZ1114-6A30矿井地质探测仪。该仪器为基于矿井震波运动学和动力学特征理论研究基础上，通过数学建模、反演算法、图像处理、地质解析等专项技术开发形成井下地震的各种探测技术方法，用于解决井下采掘工作面前方及周围未探明的地质构造和影响范围及巷道余煤(岩)厚度等预测预报的一款物探仪器。其采用先进电子技术与嵌入式操作系统，保证了地震数据信号的高保真采集及高分辨信号解析处理。2008年，本产品被列入福建省科技计划重点项目和福建省促进项目成果转化扶持项目，并获得国家实用新型专利证书，专利号为：ZL20072000 7483.3，见图2-2KDZ1114-6A30矿井地质探测仪系统示意图。
图2-2 KDZ1114-6A30矿井地质探测仪系统示意图
3 施工布置与数据采集
3.1 现场观测系统布置
20110工作面运输顺槽采用的是金属锚网支护，切煤层较为破碎，无法利用发射共偏移法进行探测，因此本次采用单点法进行探测。20110运输巷切眼位置相位750m左右为本次探测的测线范围，探测方向为垂直巷道右帮，见图3-1。现场探测时，单点之间的距离是50m。
3.1 现场观测系统布置
20110工作面运输顺槽采用的是金属锚网支护，切煤层较为破碎，无法利用发射共偏移法进行探测，因此本次采用单点法进行探测。20110运输巷切眼位置相位750m左右为本次探测的测线范围，探测方向为垂直巷道右帮，见图3-1。现场探测时，单点之间的距离是50m。
图3-1 20110工作面运输巷外帮单点法观测系统示意图
3.2 现场施工条件
震波法探测需要在现场布置检波器及震源，现场在探测过程中基本无大的声波噪声干扰。现场条件如下：
(1)现场两帮为锚网支护，对信号的激发与接收有一定影响；
(2)20110工作面运输巷现场无大的声波噪声干扰；
(3)20110工作面运输巷巷道断面大于3×3m；
(4)有足够空间进行锤击。
4 数据处理与结果解释
4.1 数据处理
地震波信号通过实测中多次垂直叠加消除干扰波采集后需经过矿井地质探测仪配套震波解析系统软件进行进一步细化处理，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。对于多道覆盖观测系统采集信号，除了可抽取各数据单道记录进行处理外，还可进行多道叠加处理，其处理流程见图4-1。
震波法探测需要在现场布置检波器及震源，现场在探测过程中基本无大的声波噪声干扰。现场条件如下：
(1)现场两帮为锚网支护，对信号的激发与接收有一定影响；
(2)20110工作面运输巷现场无大的声波噪声干扰；
(3)20110工作面运输巷巷道断面大于3×3m；
(4)有足够空间进行锤击。
4 数据处理与结果解释
4.1 数据处理
地震波信号通过实测中多次垂直叠加消除干扰波采集后需经过矿井地质探测仪配套震波解析系统软件进行进一步细化处理，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。对于多道覆盖观测系统采集信号，除了可抽取各数据单道记录进行处理外，还可进行多道叠加处理，其处理流程见图4-1。
图4-1 地震波信号处理流程图
4.2 结果解释
图4-2为本次测点1的探测地震波信号经过单点法处理的结果图，由于本次探测总共探测了16个测点，因此每个测点的结果图不一一列出。本次探测是在工作面已知断层进行的波速测试从而得知此煤层的地震波波速，经过实验得知地震波波速为1900m/s。图4-2至图4-6分别为20110工作面运输巷测点1、6、7、10、11单点探测结果图。图4-7为20110工作面运输巷外帮单点探测结果图，其中蓝色线条为本次探测的断层位置，红色为打钻验证的断层位置。表4-1为本次探测异常位置及分析。
图4-2为本次测点1的探测地震波信号经过单点法处理的结果图，由于本次探测总共探测了16个测点，因此每个测点的结果图不一一列出。本次探测是在工作面已知断层进行的波速测试从而得知此煤层的地震波波速，经过实验得知地震波波速为1900m/s。图4-2至图4-6分别为20110工作面运输巷测点1、6、7、10、11单点探测结果图。图4-7为20110工作面运输巷外帮单点探测结果图，其中蓝色线条为本次探测的断层位置，红色为打钻验证的断层位置。表4-1为本次探测异常位置及分析。
图4-2 20110工作面运输巷测点1单点探测结果图
图4-3 20110工作面运输巷测点6单点探测结果图
图4-4 20110工作面运输巷测点7单点探测结果图
图4-5 20110工作面运输巷测点10单点探测结果图
表4-1 异常位置及分析
图4-6 20110工作面运输巷测点11单点探测结果图
图4-7 20110工作面运输巷外帮单点探测结果图
5 验证资料
矿方针对本次物探结果进行了钻探验证，矿方反映此次物探结果与钻探验证结果大致一致，其中断层走向大致一致，只在断层距20110运输巷外帮实际距离存在一些差异，具体情况见图4-7。
作者简介：
张浩，男，安徽理工大学水文与水资源工程专业，福州华虹驻晋中办事处物探助理工程师。
矿方针对本次物探结果进行了钻探验证，矿方反映此次物探结果与钻探验证结果大致一致，其中断层走向大致一致，只在断层距20110运输巷外帮实际距离存在一些差异，具体情况见图4-7。
作者简介：
张浩，男，安徽理工大学水文与水资源工程专业，福州华虹驻晋中办事处物探助理工程师。
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