槽波反射法在探測采空區中的應用

趙云佩，王 偉，侯獻華，陳 穎

（1. 冀中能源邢臺礦業集團有限責任公司, 河北 邢臺054000； 2. 中國科學院地理科學與資源研究所, 資源與環境信息系統國家重點實驗室, 北京100101； 3. 中國地質科學院礦產資源研究所, 自然資源部鹽湖資源與環境重點實驗室, 北京100037； 4. 核工業北京地質研究院, 北京100029）

由于諸多原因, 煤礦采空區未進行有效治理, 在地下應力條件發生變化時, 易誘發沉陷地質災害, 并逐漸形成沉陷區, 改變了區域地表地貌等自然環境, 為礦山后期治理工作帶來巨大挑戰。 采空作為人類活動產生的潛在地質災害之一, 帶來的災害損失與開采規模呈正比, 且探測與治理也成為世界難題[1]。 老窯采空區在充水情況下, 對周圍后續的開采工作經常造成淹井等透水事故, 采前查明采空區范圍是保障煤礦安全施工的必要條件[2]。 我國采空區具有面積大、 資料缺失嚴重、 小采空區密集分布等特點, 給資源整合后的煤礦生產與工程建設帶來了極大的安全隱患[3-5]。

目前, 探測采空區的礦井物探方法主要有無線電波坑透法、 礦井直流電法、 井下瞬變電磁法與槽波地震法等[6-10]。 通過利用煤巖和采空區的不同物性差異, 獲得異常體位置分布。 槽波地震法具有地震波在煤層中傳播距離遠, 異常體與煤巖彈性參數和頻散特性差異大等特點, 可有效識別遠距離異常體。 老窯采空區邊界與煤層及圍巖彈性波物性差異大、 一般不具備透射觀測條件,使用槽波反射探測方法具有明顯優勢, 結果可靠[11-20]。

河南義馬礦區小煤窯及采空區遍布整個采區, 探明采空區位置能有效降低透水事故發生。 針對義馬礦區特點, 設計煤層厚度變異條件下采空區模型, 并進行三維數值模擬,分析煤層厚度突變條件下采空區對槽波信號的波場、 頻譜及頻散等特征。 通過在新安煤礦15030 工作面上巷對已采工作面15050 進行槽波反射法探測, 采用基于克?；舴蚍e分偏移方法對新安礦區15030 工作面煤層減薄帶（夾矸）及15050 采空區邊界進行成像, 并結合已知資料, 解釋了研究區域內煤層變化情況與采空區邊界, 為在該地區進行采空區探測提供新的技術手段。

1 槽波地震反射探測方法

1.1 槽波反射法探測原理

槽波地震反射探測原理是將激發點和接收點布設在巷道同側, 接收來自同側煤層內部的反射信息。 當激發的地震波在低速煤層介質內傳播時, 形成具有頻散特征的槽波信號, 在遇到異常體時, 產生反射槽波信號,通過對槽波波場識別與成像處理可獲得異常體位置分布, 如圖1 所示。

將槽波探測的前方視為地下半無限空間Z, 震源與接收點所在巷道為自由表面。按惠更斯原理, 工作面空間內任一點可形成二次震源, 因此可將波傳播空間看成由各個散射點組成。 波動方程導出的克?；舴蚱乒綖閇21]:

積分公式中第1 項決定于波場的垂向梯度, 因觀測面與Z 方向垂直, 該項為0, 第2項為近場源項, 這兩項在地震偏移中被忽略?？紤]槽波的時變性、 與頻散性, 槽波繞射偏移離散形式為[22]:

圖1 槽波反射法勘探原理示意圖Fig. 1 Principle diagram of channel wave reflection exploration

式中:ωC-槽波的中心圓頻率； U、 c-群速度與相速度； tn＝（rn1＋rn2）/U-第n＝sm×rk個記錄道的旅行時； Pn（tn）-第n 個記錄道時刻的信號振幅； I（x,y）-偏移平面內振幅總和。

1.2 采空區三維數值模擬

通過三維數值模擬可以研究槽波在有采空和無采空情況下煤層中的波場特征與頻散特性, 為正確處理解釋采空區提供理論支持。針對煤層厚度變異條件, 對有采空區與無采空區進行了三維模擬研究（圖2, 表1、 表2）。

圖2 采空區三維模型Fig. 2 The 3D model of goaf

表1 三維模型幾何參數Table 1 Geometric parameters of 3D model

表2 三維模型物理參數Table 2 Physical parameters of 3D model

模型網格大小為2.0 m×2.0 m×1.0 m,模擬空間范圍300 m×200 m×50 m, 節點總數為151×101×51 （x, y, z）； 煤層厚度沿x方向變化（0 至74 m）煤厚2 m, （76 至148 m）煤厚4 m, （150 至224 m）煤厚6 m, （226 至300 m） 煤厚8 m； 采空區設置在4 m 厚煤層區域, 激發點x, y, z 坐標 （244 m, 100 m,25 m）, 激發震源用150 Hz 雷克子波, 采樣率為0.1 ms, 采樣長度為400 ms。

原始記錄如圖3a, 在近震源區槽波尚未形成, 隨著煤層內直達波及在煤層內形成的多次反射波相互干涉, 槽波能量加強, 在薄煤層中, 槽波更明顯, 是因為多次波在煤層中傳播路徑減小, 吸收衰減小所致。 在有充水采空區炮集記錄中（圖3b）, 直達槽波遇到采空區邊界與左側巷道邊界形成3 組反射槽波。

圖4 是無采空區頻譜變化情況, 隨著煤厚減薄及傳播距離增加, 頻譜中高頻成分槽波吸收衰減快。 在2 m 厚煤層內, 干涉信號頻譜增強。

槽波特征主要通過頻散曲線分析, 在槽波頻散曲線圖中, 橫坐標為頻率, 縱坐標為時間, 為分析槽波頻率與速度的關系, 將縱坐標時間軸轉化為速度軸, 用激發點到接收點的距離除以時間得到速度, 對同一道地震記錄, 其距離固定, 時間等間隔, 對應的速度非等間隔, 即速度-頻率域內頻散曲線中速度值不等間隔標注。 圖5 中可以看出在相同厚度煤層內, 隨著地震波傳播距離的增加, 頻散波受直達波的影響減小, 槽波頻散特征增強, 且埃里相位速度隨之增大, 因此在煤層厚度一致情況下, 傳播距離也可以影響頻散曲線的形態。 圖6 中可以看出, 隨著煤層厚度增加, 埃里相位向低頻低速方向移動, 與理論頻散曲線一致。圖7 是有采空區反射地震記錄頻散圖, 從圖中可以看出, 來自采空區的反射槽波波速穩定（頻散曲線形態近似）, 因按照直達波距離計算, 未考慮反射路徑, 反射槽波視速度顯示偏低, 且圖7（a、 b、 c）縱坐標速度值不一致。

2 采空區反射法探測應用實例

2.1 探測區概況

圖3 三維模型炮集記錄 （震源在8 m 厚煤層中激發）Fig. 3 The 3D model of shot gather recording （source in middle of 8 m coal seam）

新安煤田位于新安煤田淺部, 開采二疊系山西組煤層, 井田面積約50.3 km2, 煤種屬貧瘦煤。 新安煤礦東翼部分位于小浪底水庫下方, 導致小煤礦采空區與水庫水連成一體, 嚴重威脅新安礦安全生產。 自投產以來, 新安礦發生多次涌（突）水情況, 其中來自采空區突水超過十次, 占總突水次數的一半。 東翼采空區積水是新安礦水害防治的關鍵。

本次探測小窯采空區位于15 采區的15050 工作面（由15030 工作面上巷下幫探測采空區）。 測區平均埋深245 m。 煤層賦存不穩定, 煤厚1.1～5.6 m。 煤層傾角約5°, 呈粉狀, 結構簡單, 不含夾矸。 煤層偽頂局部發育, 為炭質泥巖； 直接頂下段為泥巖, 平均厚度2.2 m, 上段為中粒石英砂巖, 平均厚度10 m； 直接底為砂質泥巖, 平均厚度4.2 m。

圖4 三維模型無采空區不同傳播距離及煤厚頻譜 （每條曲線為不同接收點數據歸一化頻譜）Fig. 4 Propagation distance and coal thickness frequency spectrum 3D model without goaf of model （Each curve is normalized amplitude-frequency spectrum）

圖5 煤層厚度4 m 無采空區頻散圖Fig. 5 Dispersion curves for 4 m coal thickness without goaf

圖6 煤層厚度變化條件下頻散圖Fig. 6 Dispersion curves of coal thickness with variation

圖7 含反射槽波頻散圖 （x 方向150 至224 m, 煤層厚度6 m）Fig. 7 Dispersion including reflection channel wave （x values from 150 to 224 m, coal thinkness 6 m）

2.2 反射法探測施工

為驗證已采區是否充水及頂板塌陷,在15030 工作面進行井下地震反射法探測工作, 相鄰已采工作面15050（相距150 m）, 在上巷下幫布置激發點與接收點, 19 炮激發,炮間距20 m, 15 個雙分量檢波器接收, 接收點間距20 m, 最小偏移距10 m, 鉆孔深度2 m, 測線總長380 m, 震源為乳化炸藥,200 g/炮, 采集儀器為SUMMIT ⅡEX 型槽波地震儀, 其檢波器為水平雙分量, 瞬時動態范圍≥120 dB, 能夠高保真地記錄所有的反射槽波信號。 激發點與接收點位置如圖8所示。

2.3 數據分析

原始炮集記錄如圖9a 所示, 對所有炮集記錄各道拾取P、 S 波初至時間, 并根據任意兩道之間的距離, 獲得多個直達波速度（在EXCEL 表中將任一炮各道偏移距由小到大進行橫向及縱向排列, 兩兩組合得到任意2 道之間距離, 然后將任意兩道初至時差填寫對應的偏移距位置, 兩組值相除得到速度）, 然后對速度進行統計分類, 發現地震波速度分為三個區間, 速度分為三部分, v中＞v右＞v左；圍巖P 波速度4～4.4 km/s； 圍巖S 波速度2.4～2.6 km/s； 縱橫波波速比平均為1.75； 泊松比平均為0.256。 在近偏移距未形成直達槽波, 存在槽波盲區, 從槽波形成原理可知,此槽波盲區與折射盲區類似； 另外, 當斷層或異常體距觀測線很近且近于平行時, 直達槽波與反射槽波旅行時在一個包絡范圍內,則從時間域不能區分直達槽波和反射槽波,存在干擾探測盲區, 在共中心點道集動校正疊加成像剖面結果中, 靠近觀測巷道常常產生 “斷層” 同相軸, 可根據反射槽波與直達槽波時距曲線時差最大接收到數據對 “斷層”做出可靠解釋。 通過炮集記錄分析獲得該工區內主要頻帶為30～250 Hz, 槽波信號主頻為100 Hz 以上（圖9b）。

以圍巖P 波速度4 300 m/s、 圍巖S 波速度2 400 m/s、 煤層P 波速度2 100 m/s、 煤層S 波速度1 200 m/s、 測線距采空區距離150 m 為參數, 在第4 炮位置觀測系統獲得直達波與反射波時距曲線, 如圖10 所示, 與原始記錄（圖9a）對比可識別來自采空區轉換S 波及反射S 波震相。 同時發現在反射波與直達波存在交叉部分, 其振幅明顯增強。

2.4 頻散分析

圖8 15030 工作面示意圖Fig. 8 Schematic diagram of Working face 15030

圖9 第4 炮集記錄（a）及頻譜（b）Fig. 9 Gather recording （a） and spectrum （b） for Shot 4

提取第4 炮第2、 7、 15 接收點X 分量頻散曲線（圖11）。 從頻散曲線中可以看出直達槽波埃里相位速變化情況: vb＞va＞vc, 與圍巖速度分布一致, 這與煤層厚度變化有關,速度與厚度成反比關系； 在遠偏移距頻散曲線中反射槽波能量加強, 視速度低于直達波速度。 在圖11 中, 速度是隨著偏移距與時間不等間隔變化的, 圖中白色橫線對應埃里相位速度, 白色縱線對應埃里相位頻率。

2.5 偏移成像與解釋

采用基于克?；舴蚍e分類偏移方法對義馬新安礦區15030 工作面煤層減薄帶 （夾矸）及采空區邊界進行成像, 探測結果如圖12 所示: 成像范圍內中幅值區域為煤層減薄帶,與巷道揭露地質情況一致； 已采資料顯示,在下幫150 m 處為采空區, 在成像結果中,距離下幫150 m 處存在近平行于巷道異常反射區域, 但反射界面不規則, 且明顯分為兩部分, 結合減薄帶資料, 將左側解釋為頂板塌陷區, 右側為頂板未塌陷區； 成像區域內中低幅值區為煤層穩定區。

圖10 第4 炮理論時距曲線Fig. 10 Theoretical time curves for Shot 4

圖11 第4 炮中第2、 7、 15 道頻散圖Fig. 11 Dispersion curves of channels 2， 7 and 15 for Shot 4

圖12 偏移結果（a）和解釋結果（b）Fig. 12 Migration results （a） and interpretation results （b）

3 結論

1） 槽波在近震源區存在干涉盲區, 盲區范圍與折射盲區相似, 增加了對近測線探測盲區范圍內異常體識別難度。

2） 速度與煤層厚度成反比關系, 厚煤層頻譜頻帶寬, 埃里相位頻率低, 薄煤層頻譜頻帶窄, 埃里相位頻率高； 相同煤層條件下,隨著地震波傳播距離的增加, 頻散波受直達波的影響減小, 槽波頻散特性增強。

3） 來自采空區反射槽波頻散特征一致性好、 穩定, 其反射波組有利于通過偏移成像結果識別采空區邊界； 克?；舴蚱瞥上穹椒? 不僅適用于煤層厚度變化條件下反射槽波探測, 而且能夠對采空區邊界能夠準確成像。