地震反射(槽)波在煤矿掘进巷道超前探测中的应用

范 创 常永峰 罗 鹏

（山东能源枣矿集团柴里煤矿，山东 滕州 277519）

1 引言

柴里煤矿23下614工作面面积约0.2km2，处于三条断层形成的地堑区域。北为程楼断层，西为田岗断层，东为二龙岗断层，南部田岗断层与二龙岗断层交汇。本区3煤顶板砂岩与田岗断层对盘奥灰含水层对接，原勘探资料显示田岗断层为导水断层，且F2断层及以北区域地质情况不明，工作面切眼外侧存在程楼断层，运输巷外帮存在二龙岗断层，因此采用地震MSP超前探法和反射勘探在切眼外帮进行构造超前物探，探查程楼断层的位置及走向，为工作面的安全开采提供地质保障。

2 反射探测方法原理

一般情况下，煤的密度和波在其中的传播速度常常比围岩小（见表1），煤层与围岩相比，是一种低速层状介质，因此可将煤层视为一种波导。在煤层中激发的地震波，当波射线以大于临界角的方向入射到煤层顶、底板界面时，就会全反射。因顶底板界面多是平行的，这种全反射过程会在煤层顶、底界面间多次反复地进行，从而形成沿煤层传播的特殊波，即槽波（ISS）或导波（CW）。

当煤层变质程度高，煤层速度会明显增加，围岩岩性较软时，煤层的低速波导特性会下降，导致槽波发育不显著。

表1 煤和岩石密度与地震波传播速度

2.1 反射震波探测布置

在工作面中利用反射震波方法进行探测，在23下614工作面切眼激发、接收，做反射震波勘探。

（1）激发点参数

激发点测线布置于切眼，测线总长约90m，实际炮间距均为5m。

（2）接收点参数

接收点测线布置于切眼，现场共布置4站，测线总长约90m，实际道间距5m。

2.2 数据获取

地震数据的采集采用1台震电主机在运输巷南端接收反射震波数据，形成单站一次可接收16道的数据采集装置。爆破使用200g乳胶炸药，将药卷送至孔底，使用炮泥将孔封好，并接好爆炸起爆器和仪器启动器，待接收站和激发站安装就绪后，电话联络开启仪器，设置好参数，由接收站指挥激发站放炮，记录各炮波形信号数据。

现场探测地震仪器工作参数设置如下：

通道数：64道； 采样间隔：0.1ms；

采样长度：8K个点； 超前采样点：0。

本次采集，采用连续高效放炮、同组接收点固定接收的作业方式，保证了扇形的最大覆盖范围和探测区域。

2.3 完成工作量

反射震波工作为23下614工作面切眼（90m），探测工作量以布置检波器为准，累计走向长度为90m，其中反射震波总测线长90m。激发点测线布置于切眼，测线总长约90m，实际炮间距均为5m，共计19个炮点，有效炮为19炮，激发点数19个。

2.4 数据采集质量评述

震波是由特定位置进行小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底呈直线排列，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。为了保证数据的质量，地震施工时严格按照矿井震波探测行业标准进行操作。反射震波施工时激发点布置在23下614工作面切眼，共计19个炮点，有效炮为19炮；接收点同样布置于切眼同一帮，共64道，有效道为57道，平均道间距为5m。为保证精度，实际计算时以实测点距带入运算。

3 数据处理与解释

3.1 槽波的提取

为此根据槽波频率高速度低的特征，采用道内平衡-一维滤波-道内平衡-AGC-二维滤波的方法进行槽波提取，如图1（b）所示，图中的高频地震波信号即为槽波信号，从提取结果中可以看出，槽波信号更加突显。

图1 槽波提取前后的单炮记录

3.2 包络计算

信号包络其实质上是使有正有负的波形序列变成只有正值的能量序列，这是一种传统的方法手段，处理之后的信号仅仅在外观上还是会保持与原来的信号相同，但是由于有负相位的存在，处理之后，槽波的信号频率则会有明显的降低，只有20～30Hz。

3.3 共反射点道集

对共炮点记录重新抽道选排形成共反射点道集，然后进行速度分析、动校正、水平叠加或偏移归位等处理，最终得到用于资料解释的成果数据。

3.4 速度分析

对埃里震相的速度进行估计，是槽波速度分析的最为主要的作用，目的是为后面对数据的叠加处理和偏移处理提供相关的参数，这也是识别槽波的重要标志。槽波的主要能量相对较低，槽波核心部分埃里震相的速度也是相对的偏低。经分析槽波速度在1000m/s左右。

3.5 包络叠加及偏移成像

槽波数据主要采用的是包络叠加的方法。通过这种方法可以提高信噪比，包络叠加其实主要就是对包络计算后的数据进行动校正和叠加，得到包络叠加剖面，并对其选择合适的速度进行偏移成像（见图2）。

图2 槽波叠加偏移剖面

3.6 反射偏移成像

反射震波解释以强反射槽波能量异常作为依据。在侧帮探测过程中由于空气巷道对槽波存在屏蔽效应，故侧帮反射槽波探测不存在全空间效应，即侧帮反射槽波指向性强，以本次探测为例，在23下614工作面切眼布置检波器及炮点。

处理的结果是获得偏移深度剖面，根据剖面中反射波相位同相轴的连续追踪与对比，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。一般情况下，探测区域内有陷落柱、断层破碎带或应力集中异常等现象，通常在地震记录上表现高振幅（能量）。矿井地震探查方向一般为顺层方向，速度变化差异较小。

从分析结果可以看出，地震振幅为归一化后的振幅值。在剖面显示采用亮点显示方法，结合实际需求及数据分辨率，只对探测目的深度以内信号做出解释。其中，23下614工作面切眼深度30m范围内受直达槽波长波列影响，可以看出浅层存在亮块，故其深度30m范围内不解释地质异常；在30～100m范围内没有明显的亮点，即该范围内并无异常反映。

4 综合地质解释分析与建议

探测23下614切眼（33号测点往西91m范围）外帮100m范围内不存在地质异常构造。本次探测是23下614切眼的首次探测，受影响因素较多，可能与探测结论存在一定的异常性。因此需加强钻探验证，发现前方异常应及时采取措施，把构造对巷道的影响降到最低，确保下步工作面的安全开采。