槽波反射法在探测采空区中的应用

赵云佩，王 伟，侯献华，陈 颖

（1. 冀中能源邢台矿业集团有限责任公司, 河北 邢台054000； 2. 中国科学院地理科学与资源研究所, 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京100101； 3. 中国地质科学院矿产资源研究所, 自然资源部盐湖资源与环境重点实验室, 北京100037； 4. 核工业北京地质研究院, 北京100029）

由于诸多原因, 煤矿采空区未进行有效治理, 在地下应力条件发生变化时, 易诱发沉陷地质灾害, 并逐渐形成沉陷区, 改变了区域地表地貌等自然环境, 为矿山后期治理工作带来巨大挑战。 采空作为人类活动产生的潜在地质灾害之一, 带来的灾害损失与开采规模呈正比, 且探测与治理也成为世界难题[1]。 老窑采空区在充水情况下, 对周围后续的开采工作经常造成淹井等透水事故, 采前查明采空区范围是保障煤矿安全施工的必要条件[2]。 我国采空区具有面积大、 资料缺失严重、 小采空区密集分布等特点, 给资源整合后的煤矿生产与工程建设带来了极大的安全隐患[3-5]。

目前, 探测采空区的矿井物探方法主要有无线电波坑透法、 矿井直流电法、 井下瞬变电磁法与槽波地震法等[6-10]。 通过利用煤岩和采空区的不同物性差异, 获得异常体位置分布。 槽波地震法具有地震波在煤层中传播距离远, 异常体与煤岩弹性参数和频散特性差异大等特点, 可有效识别远距离异常体。 老窑采空区边界与煤层及围岩弹性波物性差异大、 一般不具备透射观测条件,使用槽波反射探测方法具有明显优势, 结果可靠[11-20]。

河南义马矿区小煤窑及采空区遍布整个采区, 探明采空区位置能有效降低透水事故发生。 针对义马矿区特点, 设计煤层厚度变异条件下采空区模型, 并进行三维数值模拟,分析煤层厚度突变条件下采空区对槽波信号的波场、 频谱及频散等特征。 通过在新安煤矿15030 工作面上巷对已采工作面15050 进行槽波反射法探测, 采用基于克希霍夫积分偏移方法对新安矿区15030 工作面煤层减薄带（夹矸）及15050 采空区边界进行成像, 并结合已知资料, 解释了研究区域内煤层变化情况与采空区边界, 为在该地区进行采空区探测提供新的技术手段。

1 槽波地震反射探测方法

1.1 槽波反射法探测原理

槽波地震反射探测原理是将激发点和接收点布设在巷道同侧, 接收来自同侧煤层内部的反射信息。 当激发的地震波在低速煤层介质内传播时, 形成具有频散特征的槽波信号, 在遇到异常体时, 产生反射槽波信号,通过对槽波波场识别与成像处理可获得异常体位置分布, 如图1 所示。

将槽波探测的前方视为地下半无限空间Z, 震源与接收点所在巷道为自由表面。按惠更斯原理, 工作面空间内任一点可形成二次震源, 因此可将波传播空间看成由各个散射点组成。 波动方程导出的克希霍夫偏移公式为[21]:

积分公式中第1 项决定于波场的垂向梯度, 因观测面与Z 方向垂直, 该项为0, 第2项为近场源项, 这两项在地震偏移中被忽略。考虑槽波的时变性、 与频散性, 槽波绕射偏移离散形式为[22]:

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

式中:ωC-槽波的中心圆频率； U、 c-群速度与相速度； tn＝（rn1＋rn2）/U-第n＝sm×rk个记录道的旅行时； Pn（tn）-第n 个记录道时刻的信号振幅； I（x,y）-偏移平面内振幅总和。

1.2 采空区三维数值模拟

通过三维数值模拟可以研究槽波在有采空和无采空情况下煤层中的波场特征与频散特性, 为正确处理解释采空区提供理论支持。针对煤层厚度变异条件, 对有采空区与无采空区进行了三维模拟研究（图2, 表1、 表2）。

图2 采空区三维模型Fig. 2 The 3D model of goaf

表1 三维模型几何参数Table 1 Geometric parameters of 3D model

表2 三维模型物理参数Table 2 Physical parameters of 3D model

模型网格大小为2.0 m×2.0 m×1.0 m,模拟空间范围300 m×200 m×50 m, 节点总数为151×101×51 （x, y, z）； 煤层厚度沿x方向变化（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； 采空区设置在4 m 厚煤层区域, 激发点x, y, z 坐标 （244 m, 100 m,25 m）, 激发震源用150 Hz 雷克子波, 采样率为0.1 ms, 采样长度为400 ms。

原始记录如图3a, 在近震源区槽波尚未形成, 随着煤层内直达波及在煤层内形成的多次反射波相互干涉, 槽波能量加强, 在薄煤层中, 槽波更明显, 是因为多次波在煤层中传播路径减小, 吸收衰减小所致。 在有充水采空区炮集记录中（图3b）, 直达槽波遇到采空区边界与左侧巷道边界形成3 组反射槽波。

图4 是无采空区频谱变化情况, 随着煤厚减薄及传播距离增加, 频谱中高频成分槽波吸收衰减快。 在2 m 厚煤层内, 干涉信号频谱增强。

槽波特征主要通过频散曲线分析, 在槽波频散曲线图中, 横坐标为频率, 纵坐标为时间, 为分析槽波频率与速度的关系, 将纵坐标时间轴转化为速度轴, 用激发点到接收点的距离除以时间得到速度, 对同一道地震记录, 其距离固定, 时间等间隔, 对应的速度非等间隔, 即速度-频率域内频散曲线中速度值不等间隔标注。 图5 中可以看出在相同厚度煤层内, 随着地震波传播距离的增加, 频散波受直达波的影响减小, 槽波频散特征增强, 且埃里相位速度随之增大, 因此在煤层厚度一致情况下, 传播距离也可以影响频散曲线的形态。 图6 中可以看出, 随着煤层厚度增加, 埃里相位向低频低速方向移动, 与理论频散曲线一致。图7 是有采空区反射地震记录频散图, 从图中可以看出, 来自采空区的反射槽波波速稳定（频散曲线形态近似）, 因按照直达波距离计算, 未考虑反射路径, 反射槽波视速度显示偏低, 且图7（a、 b、 c）纵坐标速度值不一致。

2 采空区反射法探测应用实例

2.1 探测区概况

图3 三维模型炮集记录 （震源在8 m 厚煤层中激发）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浅部, 开采二叠系山西组煤层, 井田面积约50.3 km2, 煤种属贫瘦煤。 新安煤矿东翼部分位于小浪底水库下方, 导致小煤矿采空区与水库水连成一体, 严重威胁新安矿安全生产。 自投产以来, 新安矿发生多次涌（突）水情况, 其中来自采空区突水超过十次, 占总突水次数的一半。 东翼采空区积水是新安矿水害防治的关键。

本次探测小窑采空区位于15 采区的15050 工作面（由15030 工作面上巷下帮探测采空区）。 测区平均埋深245 m。 煤层赋存不稳定, 煤厚1.1～5.6 m。 煤层倾角约5°, 呈粉状, 结构简单, 不含夹矸。 煤层伪顶局部发育, 为炭质泥岩； 直接顶下段为泥岩, 平均厚度2.2 m, 上段为中粒石英砂岩, 平均厚度10 m； 直接底为砂质泥岩, 平均厚度4.2 m。

图4 三维模型无采空区不同传播距离及煤厚频谱 （每条曲线为不同接收点数据归一化频谱）Fig. 4 Propagation distance and coal thickness frequency spectrum 3D model without goaf of model （Each curve is normalized amplitude-frequency spectrum）

图5 煤层厚度4 m 无采空区频散图Fig. 5 Dispersion curves for 4 m coal thickness without goaf

图6 煤层厚度变化条件下频散图Fig. 6 Dispersion curves of coal thickness with variation

图7 含反射槽波频散图 （x 方向150 至224 m, 煤层厚度6 m）Fig. 7 Dispersion including reflection channel wave （x values from 150 to 224 m, coal thinkness 6 m）

2.2 反射法探测施工

为验证已采区是否充水及顶板塌陷,在15030 工作面进行井下地震反射法探测工作, 相邻已采工作面15050（相距150 m）, 在上巷下帮布置激发点与接收点, 19 炮激发,炮间距20 m, 15 个双分量检波器接收, 接收点间距20 m, 最小偏移距10 m, 钻孔深度2 m, 测线总长380 m, 震源为乳化炸药,200 g/炮, 采集仪器为SUMMIT ⅡEX 型槽波地震仪, 其检波器为水平双分量, 瞬时动态范围≥120 dB, 能够高保真地记录所有的反射槽波信号。 激发点与接收点位置如图8所示。

2.3 数据分析

原始炮集记录如图9a 所示, 对所有炮集记录各道拾取P、 S 波初至时间, 并根据任意两道之间的距离, 获得多个直达波速度（在EXCEL 表中将任一炮各道偏移距由小到大进行横向及纵向排列, 两两组合得到任意2 道之间距离, 然后将任意两道初至时差填写对应的偏移距位置, 两组值相除得到速度）, 然后对速度进行统计分类, 发现地震波速度分为三个区间, 速度分为三部分, v中＞v右＞v左；围岩P 波速度4～4.4 km/s； 围岩S 波速度2.4～2.6 km/s； 纵横波波速比平均为1.75； 泊松比平均为0.256。 在近偏移距未形成直达槽波, 存在槽波盲区, 从槽波形成原理可知,此槽波盲区与折射盲区类似； 另外, 当断层或异常体距观测线很近且近于平行时, 直达槽波与反射槽波旅行时在一个包络范围内,则从时间域不能区分直达槽波和反射槽波,存在干扰探测盲区, 在共中心点道集动校正叠加成像剖面结果中, 靠近观测巷道常常产生 “断层” 同相轴, 可根据反射槽波与直达槽波时距曲线时差最大接收到数据对 “断层”做出可靠解释。 通过炮集记录分析获得该工区内主要频带为30～250 Hz, 槽波信号主频为100 Hz 以上（图9b）。

以围岩P 波速度4 300 m/s、 围岩S 波速度2 400 m/s、 煤层P 波速度2 100 m/s、 煤层S 波速度1 200 m/s、 测线距采空区距离150 m 为参数, 在第4 炮位置观测系统获得直达波与反射波时距曲线, 如图10 所示, 与原始记录（图9a）对比可识别来自采空区转换S 波及反射S 波震相。 同时发现在反射波与直达波存在交叉部分, 其振幅明显增强。

2.4 频散分析

图8 15030 工作面示意图Fig. 8 Schematic diagram of Working face 15030

图9 第4 炮集记录（a）及频谱（b）Fig. 9 Gather recording （a） and spectrum （b） for Shot 4

提取第4 炮第2、 7、 15 接收点X 分量频散曲线（图11）。 从频散曲线中可以看出直达槽波埃里相位速变化情况: vb＞va＞vc, 与围岩速度分布一致, 这与煤层厚度变化有关,速度与厚度成反比关系； 在远偏移距频散曲线中反射槽波能量加强, 视速度低于直达波速度。 在图11 中, 速度是随着偏移距与时间不等间隔变化的, 图中白色横线对应埃里相位速度, 白色纵线对应埃里相位频率。

2.5 偏移成像与解释

采用基于克希霍夫积分类偏移方法对义马新安矿区15030 工作面煤层减薄带 （夹矸）及采空区边界进行成像, 探测结果如图12 所示: 成像范围内中幅值区域为煤层减薄带,与巷道揭露地质情况一致； 已采资料显示,在下帮150 m 处为采空区, 在成像结果中,距离下帮150 m 处存在近平行于巷道异常反射区域, 但反射界面不规则, 且明显分为两部分, 结合减薄带资料, 将左侧解释为顶板塌陷区, 右侧为顶板未塌陷区； 成像区域内中低幅值区为煤层稳定区。

图10 第4 炮理论时距曲线Fig. 10 Theoretical time curves for Shot 4

图11 第4 炮中第2、 7、 15 道频散图Fig. 11 Dispersion curves of channels 2， 7 and 15 for Shot 4

图12 偏移结果（a）和解释结果（b）Fig. 12 Migration results （a） and interpretation results （b）

3 结论

1） 槽波在近震源区存在干涉盲区, 盲区范围与折射盲区相似, 增加了对近测线探测盲区范围内异常体识别难度。

2） 速度与煤层厚度成反比关系, 厚煤层频谱频带宽, 埃里相位频率低, 薄煤层频谱频带窄, 埃里相位频率高； 相同煤层条件下,随着地震波传播距离的增加, 频散波受直达波的影响减小, 槽波频散特性增强。

3） 来自采空区反射槽波频散特征一致性好、 稳定, 其反射波组有利于通过偏移成像结果识别采空区边界； 克希霍夫偏移成像方法, 不仅适用于煤层厚度变化条件下反射槽波探测, 而且能够对采空区边界能够准确成像。