张平松1，刘盛东1，李培根2
(1.安徽理工大学资源与环境工程系，淮南232001；2.福州华虹智能科技开发有限公司，福州350002)
摘 要：影响煤矿层安全高效开采的最主要的地质因素是断层构造及其异常，特别是落差在3～5m的中小断层构造对生产影响最大。为了保证开采工作的顺利进行，通常需在工作面回采前对面内地质条件进行探测与评价。利用地震波CT多渡联合探测反演与解释，可精确确定工作面内的地质构造及异常范围。其弯曲射线追踪SlRT法反演可获得收敛性好的探测区域波速结果，以纵波波速结果为主，高速区代表断层构造迹线，低速区代表煤层增厚，同时结合其它参量成图，可有效识别各种地质构造及其特征。3241工作面的探测与回采实例有效地说明了，多波联合探测技术可为面内生产解决大量的实际地质问题。
关键词：多渡联合探测，震波CT，地质构造，井巷
0 引言
    煤矿层开采过程中，工作面内地质构造及其异常范围对生产影响极大。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，真正影响采煤工作面安全高效生产的却是落差在2～5m之间的中小断层。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会起到很好的帮助作用，应该说这是矿井地质工作的一项重要任务和内容。国内外文献资料揭示，无线电波坑透法和地震波方法对工作面内地质构造及异常探测具有针对性，但从井下干扰因素、探测距离及精度等方面分析，利用地震透射CT方法更能准确地预测面内地质特征。
    安徽理工大学自20世纪90年代开展井巷间透射震波CT探测技术研究，并逐步形成井巷间地质构造及异常多波联合探测技术。目前来说，随着采煤机械化程度的不断提高，要求采前查清工作面巷道掘进过程所揭露构造体在面内的延展情况，以及面内隐伏构造及其它影响正常开采的不良地质体状况的要求越来越高，在这方面地震波透射CT多波联合探测技术发挥了极其重要的作用，它对工作面内断层构造、煤矿层厚度变化、陷落柱体、岩浆岩侵入范围以及顶底板破坏区域等特征具有较好的适应性。
1 井巷震波CT探测与解释
1.1 震波CT探测技术
    地震CT技术，也即计算机辅助层析成像技术，它是上世纪80年代开始在地球物理领域中应用并逐渐发展起来的，取得了许多令人瞩目的成果。目前广泛应用于地球内部结构成像，石油勘探、矿产勘探、土木工程检测、地质灾害防治等相关领域。
    井巷地震CT探测是通过在巷-巷或井-巷之间建立探测区域，在一条巷道煤帮中激发地震波，并在另一条巷道的煤帮中接收地震波，根据地震波信号初至时间数据的变化，利用计算机通过不同的数学处理方法重建介质速度或衰减特征的二维图像。通过这种重建的测试区域地震波速度场或衰减特征的分布，并结合介质的物理性质来推断剖面中的精细构造及地质异常体的位置、形态和分布状况。受条件所限，本文主要采用CT波速反演进行数据处理与分析。
    假设地震波的第i个传播路径为li，其地震波初至时间为ti，则：
    Ds为弧长微元，通常在速度场变化不大的情况下，可近似把射线路径作为直线求解。对测区介质进行网格划分后，其走时成像公式可表示为： 该式表示第i条射线的观测走时ti与第j个网格的慢度S，之间的关系，其中，dij表示第j条射线在第i个网格中的射线路径长度。
    通过不同的接收点取得了M个观测数据时，上式可写成如下形式T=AS，其中T为地震波走时向量，为测试值；A表示射线的几何路径矩阵；S表示慢度向量，为待求值。因此，CT成像中即对 S=A-1T求解。如果T为完全投影，A为已知，则可求出S的精确值，但在井巷间震波CT成像的实际应用中，很难实现完全观测系统布置，所以T是一个不完全投影，求解该方程多采用叠代的方法。对速度场图像重建，首先确定射线追踪方法，主要有直射线和弯曲射线追踪技术，再使用不同的反演方法进行CT数据反演，有反投演法(BPT)、算术迭代法(ART)、最小二乘法(LSQR)和联合迭代法(SIRT)等可进行终值叠代。通过对比研究，发现弯曲射线追踪震波到时要比直射线追踪更趋于实际值，又由于SIRT方法收敛速度较快，而且对投影数据误差的敏感度小，结果多选取弯曲射线线性插值法(LTI)进行时间追踪和SIRT方法进行反演的结果为震波CT的图像。
1.2 井巷震波CT构造探测解释依据
    地震波在介质中传播的过程中，携带大量的地质信息，通过波速、频率及振幅等特性表现出来，其中地震波速度与岩体的结构特征及应力状态之间有着显著的相关性。通常不同岩性中地震波的传播速度是不同的，即使是同一岩层，由于其结构特征发生变化，其波场分布也会发生新的变化。具体来说，地震波在煤层中传播，煤层是地震波的低速介质，当煤层是均匀分布时，CT反演出的波速分布结果应当是一个较均匀速度图。而当煤层中出现构造及其它异常时，特别是单个的中、小正断层的作用，或煤层顶、底板突出，使得煤层变薄，而相对高波速的顶、底板岩石介质取代了煤层或部分煤层位置，根据波的传播规律，高波速介质具有“吸引”波的作用(费马原理)，这为震波CT解释提供了依据。从而可以认为波速CT图中，高速线性条带应代表正断层的一盘或煤层构造变薄区。而低速条带应代表断层构造另一盘、裂隙发育区或煤层增厚区等形迹，具体低速带解释还应结合区域地质与条带产状进行。
1.3 震波CT多波多参量联合解释
     透射CT地震波在传播过程中，根据接收距离远近不同可同时接收到纵波(P波)、横波(S波)和槽波(煤层空间所特有的一种波)，图1为井巷间透射CT记录中三种波的到时特征。因此，在CT反演中可对不同波组分别进行到时拾取与反演，获得各自的结果剖面图，重点以纵波波速(vp)和横波波速(vs)结果进行解释。槽波埃里相的有无可判定煤层的连通特性，目前主要采用槽波进行符号反演，带有一定的局限性。同时按照弹性波动力学方法，还可以进行其他动力学参数计算，加以辅助判别地质构造及其特征。可利用的动力学参数有动弹性模量(Ed)、动剪切模量(Gd)、动泊松比(u)和纵横波波速比等。
2 井巷震波CT工作方法
2.1 井下探测仪器设备
    由于井下特殊的工作环境，要求测试仪器设备必须安全防爆。现场采用自行研制的KDZlll4-3型矿井地质探测仪，4通道可任意并接扩展，形成多道分测站观测系统。目前地震波的接收是采用单分量的TZBS系列速度型检波器，主频为60Hz或100Hz。
2.2 井巷问系统布置
    井下工作面斜长在100m至300m范围，地震波的激发必须通过爆炸震源完成。现场在工作面煤帮中施工放炮孔，炮孔位于风巷或机巷煤帮的腰线处，孔深1.5m，孔径以矿用放炮煤电钻钻杆直径为准，倾角为俯角10～15。(目的是便于装水封闭放炮孔进行滤波激发)，炮孔距5～10m。检波器则放在对面巷道的煤帮上，检波距为10m左右，采用磁座形式耦合在巷帮的锚杆头上，或将自制的铜钎插入煤帮腰线位置并进行耦合(试验表明磁座耦合对波形到时影响较小)。安装要注意检波器的位置及方向，目的是保证接收到来自震源的有效地震波。这样通过风巷、机巷以及切眼，形成震波CT数据采集的非完全观测系统。
2.3 数据采集
    据非完全观测系统的设置，通过电缆将激发单元、接收单元和记录仪器进行连接，并通过两部直通电话相互控制。数据采集按每一炮孔装取50-70g矿用乳胶炸药激振，其中雷管要求延时最小，即矿用一段雷管，一炮一放完成炮检数据接收。仪器采集参数可视探测距离进行适当地调整,通常采样间隔为300-400μs,采集点数1024，频带1kHz低通即可满足要求。不同测站可能会有所变化，目的是保证有效波组全能被记录下来。
2.4 数据处理
    震波CT数据是使用自行开发的CT专用软件进行的。通过数据传输、文头编辑、道数据编辑、二次采样、噪声剔除、频谱分析、初至拾取等处理过程。可从波的能量、速度、频率等方面进行震波透射CT成像反演。
反演时为了计算方便多用均匀的矩形网格划分探测区域，形成一个个尺度大致相同的像元，并把像元内的平均波速值作为其中心点的值。坐标系的建立要把探测区域完全圈定，确定X、Y轴方向，从而取得各个炮点及检波点坐标。需要说明的是，由于像元的宽度是成像时可分辨尺度的极限，对走时反演成像方法来说，为了提高成像的分辨率，希望像元越小越好，但是像元尺寸又受震源间距和接收器间距的限制。因为一个像元最少要有一条射线通过，否则这个像元就没有存在的意义。网格形成后，结合不同波组的拾取到时，选择正反演方法即可完成震波CT反演的各种结果图像，并计算不同参数值进行综合成图。
2.5 地质解释
    将获得的震波波速及其它参量图，附于相应已知的工作面构造编录图中，比如煤层底板等高线图或其它带构造线的图件。结合已揭露的地质构造及异常情况即可对面内地质特征进行全面地分析与判断，并通过波速、泊松比、波速比、弹性模量等参数结果，按照一定的解释原则进行联合解释，判定对工作面回采产生极大影响的断层构造、陷落柱、采空区、顶板破碎区等异常范围及大小。依据波速图中异常波速大小可对断层落差大小进行半定量地描述确定。当然不同煤矿区煤层结构及其特征不同，其解释原则需要进行探采对比验证才能进一步确定。同时必须结合地质构造发育规律进行优化与取舍，全方位立体信息分析区域内的地质特征。
3 应用实例
3.1 工作面概况
    本次探测是以皖北矿业集团某矿3241工作面巷间震波CT探测为例。该面位于井田四采区一水平，煤层结构较简单，局部含一层泥岩夹矸，厚度为0～0.1m，煤层平均厚度约2.2m，由于受构造影响局部煤层变薄，以煤线形式存在。该工作面内构造较为复杂，掘进过程中共揭露的落差大于1m的断层11条，机巷7条，风巷4条。其中落差大于5m的断层2条。准确地查明该面的开采地质条件，特别是面内的隐伏构造及顶底板条件，才能保障综放工作面的顺利展开。为了安全高产高效开采的需要，现对3241面700m段内进行震波CT探测工作。
    其具体的探测目的和要求是：
    (1)查明工作面巷道已揭露的落差1m以上的断层在工作面内的延展情况。
    (2)查明工作面内隐伏落差大于煤厚1/2(约断距为1m)以上的断层及煤层厚度小于1m的“构造变薄带”的分布发育情况。
    (3)查明工作面内影响回采的其他隐伏地质异常区,如陷落柱、构造应力区等进行适当解释，并控制其分布范围。
3.2 现场探测
    根据现场的实际条件，探测以3241工作面的机巷、风巷为探测测线，对整个工作面巷道700m长度范围进行透射CT探测布置工作。炮点布置在机巷，共计143个炮点，点距平均为5m；检波点布置在风巷，共计72个，点距平均为10m。为保证精度，实际计算时以实测点距带入运算。现场实际布置测线、测点如图2所示。
数据采集采用24道接收，爆炸使用70g矿用乳胶炸药，仪器工作参数设置为：采样间隔400μs，采样长度1024，采样频带1kHz低通，固定增益48～81dB，数据采集质量较好。
3.3 解释结果
    图3是弯线追踪SIRT法反演的纵波波速切片图，为固定慢度法切片。它是以BPT方法的重建结果作为迭代初值，经100次迭代，并进行10倍网格细化后得到CT成像结果图。图中蓝色和红色分别代表波速的最小和最大值，据此标注了断层构造和纵波相对低速区的界线，高速区由于主要和断层构造近乎一致没有在图中直接标出。右下角区域为无射线经过区，未参加反演运算。同样，图4为SIRT法横波Vs波速切片与解释图。按照弹性波动力学方法，进一步反演出波速比、弹性模量、泊松比等参数并做出相应的变化分布图，且不同剖面图中构造特征分布具有较好的一致性。结合巷道掘进所揭露的地质资料进行综合，得到3241工作面探测区域综合解释结果，见图3、4中所标示的构造迹线。该结果表明区域内构造相对复杂，共发现落差大于1m的断层9条，且3条断层在面内延展长度超过100m，对工作面回采有明显影响。且区内较明显的起伏对工作面回采也有一定影响。各条断层具体情况参见表1。     另外出现的相对低速区，认为是煤层增厚或淋水或是顶板破碎易冒顶区。在杨氏模量图中低模量值应与构造煤有关，泊松比的变化也可能反映煤体的孔隙变化。在工作面回采过断层时以及遇到低模量值、低波速值区域煤层瓦斯含量可能相对较高，回采时要引起重视。 3.4 对比验证
    3241工作面已于2004年7月回采完毕，通过对回采地质资料的收集与对比，震波CT探测解释结果与回采资料吻合率较高，对生产起到了很好的指导作用。将实际回采的工作面煤层厚度分布进行成图，即可代表面内构造分布情况。图5为该面实际回采煤层厚度分布与震波CT探测解释构造的对照图，从中可以看出，工作面中无煤区或薄煤区与解释的构造线对应程度较高，所确定的9条断层除F8为煤层增厚区外，其它均为构造影响区。原探测的低波速区在回采中存在严重淋水现象。与此同时，对比发现，个别断层构造的位置在波速及其它参数图中收敛性不好，未进行解释，但其落差较小对生产影响不大。断层的实际揭露情况见表1备注说明。
4 结论与讨论
    目前对矿井工作面中地质构造及异常的探测方法相对较少，无线电波坑透方法往往受到电磁波衰减的影响较大，其面内穿透距离受到限制，同时它不能完全进行电磁波衰减特征数据反演，所解释的构造迹线不够明显。与此相比，震波CT技术能够给出较为全面细致的构造形迹，并能对影响煤矿安全回采的顶板稳定性特征、煤体破碎特征等进行解释，因此具有较好的适用性[8～9]。从方法本身来看，震波CT还必须重视其他参数的综合利用，加强联合反演技术[10]，由联合解释向联合反演发展，提高地震波数据信息的利用率，采用多波多参量多方法进行综合解释，评价工作面内相关地质特征，发挥井巷间震波CT技术更大的作用。

文章摘自：2007年4月《地球物理学进展》第22卷 第2期