矿井地震在隐伏构造探测中的应用

秦道霞 郭玉成 王立栋

（1.肥城集团单县能源有限责任公司，山东 菏泽 274300；2.山东科技大学资源学院，山东 泰安 271000）

陈蛮庄煤矿3402 工作面在巷道掘进时，揭露了落差在1.0～5.0 m 范围内的正断层9 条，预计回采时，还可能受到未揭露断层的影响。确保工作面安全高效回采，则需查明3402 工作面隐伏断层位置及范围。

1 工程实例

3402 工作面走向长为884.8 m，切眼倾斜长为180 m。地面大部分为农田，矿井上方存在2 条村级公路，并且存在低压线1 条、高压线2 条。该工作面作为3400 采区的首采工作面，正在回采的3206 工作面在其东南方向，周围再无其他回采或掘进活动。工作面3 煤为焦煤，根据实际揭露的煤层资料，3 煤厚度0.7～4.6 m，平均为3.1 m 厚，倾角在25°～39°之间，平均32°，3 煤层整体结构相对简单。

2 地震反射共偏移探测

2.1 探测方法

地震勘探利用地层中的介质弹性及密度具有差异，分为反射法、折射法及地震测井[1-2]。在3402工作面勘察过程中，通过采用地震反射共偏移探测技术对地层进行勘探，依据反射波勘探原理[3-4]，在实际探测过程中如果需要采用单侧排列观测系统，在接收点布置的时候只需要将接收点布置在巷道同一侧，再进行地震激发与数据采集的过程，观测形式如图1。实际探测过程中为了保证反射段出现多次覆盖减少因为数据测量引起的误差，通常需要满足反射段的长度L大于步距P。地震反射共偏移法对构造的探测效果是十分有效的。

图1 单边排列多次覆盖示意图

针对煤矿特殊环境，震源一般是选用锤击或者放炮的方式。本次探勘选用放炮的激发方式。

2.2 施工设计

勘探设备：KDZ1114-6A30 型便携式矿井地震仪、TZBS 系列传感器（主频为60 Hz）。

现场采集所设置的参数见表1。

表1 仪器采集参数

在3402 工作面探测现场，采用10 道共偏移连续探测追踪，在完成激发点单边排列后，根据现场实际情况，选定最佳偏移距以及检波器的间距进行探测。在3402 轨道顺槽和胶带顺槽内帮采用放炮的方式激发，现场共放94 炮，其中轨道顺槽44 炮、胶带顺槽50 炮。轨道顺槽第1 炮位于W13 测点向里13.5 m，采用顺移前进式观测方式，选用6 m 激发间距，偏移距30 m，道间距2 m，步长6 m。现场探测测线布置如图2。为了确保数据精度，实际计算时不能用设计点距来计算，应该按实测点距来进行运算。图3 为现场采集第20 炮～第38 炮数据原始波形图。

图2 现场探测测线布置

图3 第20 炮～第38 炮数据原始波形图

3 偏移成像数据处理

从时间域及深度域两方面来对通过现场探测采集的原始数据进行分析处理，实现时深转化，再通过已知地质资料分析，经过深度域反射相位同相轴追踪对比分析后，最终形成地质剖面[5-6]。具体流程图如图4。

图4 偏移成像数据处理流程图

将现场所采集的数据进行时间域数据信息转化为深度域数据信息，需对数据完成速度分析和偏移成像处理，其中包括定义射线平均速度及确定偏移距、偏移范围、偏移道数等。经过大量现场实践经验所得，当勘探现场的炮检距变化范围不大时，由于时间足够短，精确偏移速度可采用采样均方根速度替代；偏移范围是以道数为单位的偏移道数，并且要得到正确的偏移归位，使所得出剖面与实际情况更加贴合，反射点的偏移距离应该被包括在偏移范围以内。偏移距离OO'是反射点与接收点之间的水平距离，可以通过OO'=1/2·V·t0·sinφ公式算出。其中t0为垂直反射时间，ms；φ为反射界面的倾角（°）；V为地震速度，m/ms；偏移道数等于偏移范围除以道间距一半。对于成像参数，本次现场探测所选用的参数见表2。

表2 偏移成像参数表

经过数据处理后，得到直达纵波的平均速度为3.0 m/ms，选择3.0 m/ms 为偏移初始平均速度。本次现场探测利用发射点单边排列多次覆盖数据的方法采集数据，现场探测过程中应该尽可能保证每次发射震源信号时各参数相同，减少数据采集中的误差。

本次现场地震勘探选取轨道顺槽W13 测点向里13.5 m 位置处为坐标零点，建立三维立体坐标系，确定接收点及激发点相对位置坐标。将所探测范围以单元格的形式进行离散处理，其中由实际的勘探精度要求决定网格密度，用（X0，Z0）来表示反射点的位置坐标，用V0来表示反射点周围介质的速度。这样使图中每个单元格都作为波场中反射点，而一个点受到每个震源影响所形成的道集就是共像点地震道集。

4 偏移成像数据分析及其结果

本次探测区域信号主频在50～450 Hz，主频信号丰富，数据采集质量很好。成果解释图如图5，具体分析解释如下：探测解释2 个构造异常区YC1、YC2。其中YC1 构造异常区呈带状分布，长度略长，其位置位于W10 测点左侧26 m 至W12 测点左侧27 m 处，长度大约115 m，轨道顺槽以里83～91 m 范围内，该异常区内可能含有隐伏断层或煤层破碎带。YC2 构造异常区呈带状分布，长度较长，其位置位于C37 测点左侧38 m 至C34 测点左侧33 m 处，长度大约256 m，胶运顺槽以里35～50 m 范围内，推断该异常区内有可能含有隐伏断层或煤层破碎带。结合已经揭露的断层情况可知，以上两个异常区中YC1 有可能是已经揭露的f8 断层向面内发育的隐伏断层构造，YC2 可能是受到已经揭露的f5 断层影响下形成的异常响应。经过后期回采揭露情况，YC1异常区附近存在发育的隐伏小断层构造使得该处呈现异常响应。异常区YC2 主要是受到f5 断层影响下使得该区域出现煤层破碎带呈现异常响应。结合前期三维地震勘探结果与后期现场揭露情况对比后，发现反射共偏移地震勘探方法很好地弥补了地面三维地震方法对矿井某些小地质构造定义不准的局限，有效地保障后期回采工作安全进行。

图5 工作面地震构造探测成果解释图

5 结论

（1）3402 工作面在掘进过程中出现9 条揭露断层，其面内还存在其他隐伏结构的可能性较大，使用地震反射共偏移探测技术实现了3402 工作面内隐伏构造的探测。

（2）通过数据处理后，探测成果中出现2 处高振幅的地震记录，有很强的能量被反射回来。利用地震反射共偏移探测技术圈定了2 处构造异常区，为工作面安全高效回采提供可靠依据。

（3）实践证明，利用地震反射共偏移探测技术在探测工作面内所存在的隐伏构造时，总体效果较好，并且能够进一步改善地面三维地震勘探技术对于工作面内存在的小型地质构造探测不准的缺点，提高探测的准确性，进一步促进了施工效率。该探测技术具有探测准、操作简便、成本低等特点，在地质构造勘探领域具有重要意义。