基于地震反射波法的巷道空间地质异常体超前探测.pdf

第2 0卷 第4期 总第1 2 5期 2 0 1 5年 8月 煤矿 开采 C0AL MI NI NG TECHN0L0GY V o 1 ． 2 0 N o ． 4 S e r i e s N o ． 1 2 5 Au g u s t 2 01 5 基于地 震反射波 法的巷道空间地质异常体超前探 测 方杰 ，徐 会 军 ，孔 广亚 1 ．中国矿业大学 北京煤炭资源与安全开采国家重点实验室 ，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国神华 能源股份有限公司 科技发展部 ，北京 1 0 0 0 1 1 [ 摘要] 论述 了地震反射波超前探测的3个核心技术，即反射波提取、速度分析和偏移成像， 针对某矿胶带巷掘进过程中多次遇见小断层或破碎带等异常地质体，采用地震反射波超前探测法在胶 带巷迎头后方实施超前探测。根据探测结果，推测出掘进面前方一定范围内隐伏地质异常体的位置和 范围，对探测结果进行追踪验证，实际揭露情况与探测结果基本吻合。 [ 关键词] 反射波法；异常构造；反射波超前探测；偏移成像 [ 中图分类号]T D 1 5 ；P 6 3 1 ． 4 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 5 0 4 0 0 2 8 0 4 Adv a nc e d Ex p l o r a t i o n o f Sp a c e Ge o l o g i c a l Ano ma l o us Bo dy i n Ro a d wa y Ba s e d o n Se i s mi c Re fte c t e d W a v e M e t ho d 巷道超前探测技术一直是地球物理界普遍关注 的热点和难题，其重点是指在观测点向前方探测尚 未揭露的地质构造 及其异 常 。煤炭开采 中，掘 进前方事先未预测到的隐伏地质构造会严重影响巷 道全局布置与掘进工作的顺利进行。 目前国内外重 点研究的是巷道前方富含水异常空间和断层构造面 位置的探测 ，技术手段通常为瞬变 电磁法和地震反 射波法。由于巷道 内存在各种 电信号干扰源 ，且探 测施工空间有 限，瞬变 电磁法的优势得不到发挥 ， 以致探测结果往往难以达到技术要求。结合以往研 究资料表明，地震反射波技术原理成熟 ，接收的信 号信噪 比高 ，是一种探测距较远 ，现场使用便捷且 可靠的物探手段 。 利用地震反射波探测前方地质异常主要是探测 强波阻抗界面，煤矿中可 以在穿层巷道中探测前方 含水灰岩、煤层 、岩墙等界面，也可以在顺层巷道 中探测前方断层 、尖灭点 、构造破碎带 、陷落柱等 的位置。 1 反射波法超前探测原理 矿井巷道反射波超前探测技术主要应用地震波 在传播过程中遇到煤岩体物性界面会发生反射的原 理 。如图 1 所示 ，该技术充分利用巷道有 限空间 ， 设计沿巷道后方布置传感器、震源来探测巷道前方 地质条件的观测系统。一般用锤击或小药量爆破作 为震源 ，震源沿巷道左 右帮平 行底板成直线 排列。地震波在煤岩体中以球面波形式传播遇到煤 岩物性界面时会发生反射 ，反射回来 的地震信号被 地震检波器接收并形成地震记录。运用地震波动力 学和运动学原理，分析地震记录波形特征 ，以推测 断层 、岩石破碎带等不 良地质体 的位置和规模 ，并 计算相关岩石力学参数和提取煤岩性界面。 图 1 巷道 空『司反射波超前探测原理示意 反射波超前探测法核心技术如下 1 反射波提取 掘进巷道超前探测关注 的 是介质的水平变化情况。为了从地震记录中获得巷 道前方反射波信息，在数据处理过程中需要将上下 行波分离并保 留下行波 负视速度 ，本质上就是 压制来 自测线垂向上的信息而保留来 自水平方向上 的反射信息。采用线性 R a d o n变换技术进行上下行 波分离 ，从而来提取反射波信息。当选择线性 r p 变换进行上下行波分离时，已经假设介质是水平变 化的且速度界面和测线垂直。 p变换可以将波场 从 一 域转换到 - p域 ，波场参量有如下关系 』 p 1 【 p dt ／d x 式 中，t 为域中的波旅行时间； 为炮检距 ；P为射 线变量 ；丁为射线变量在时间轴上的截矩。 _ 1 9 变换正变换是把 “I -- X域 中共炮点记录或其 [ 收稿日期]2 0 1 4 1 2 1 8 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l 1 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 8 [ 作者简介]方杰 1 9 8 4 一 ， 男 ，陕西神木人，博士研究生，工程师，从事矿井地质及防治水研究。 [ 引用格式] 方 杰，徐会军 ，孔广亚 ．基于地震反射波法的巷道 空间地质异常体超前探 测 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 5 ，2 0 4 2 8 3 l 2 8 方 杰等基于地震反射波法的巷道空间地质异常体超前探测 2 0 1 5年第4期 他记录按不同的斜率p和截距 r 进行迭加。正变换 过程为 Ⅳ ，P ∑ ，下p 2 式 中，J 7、 ， 为 t - x域 中地震 道数 ，按给定 的斜率 P ， 沿射线 t ,／- 迭加记录的所有道 ，即形成 丁 一 p域 的一个地震道 ；按某一斜率范围，叠加起来形成 - p域的一组完整地震道记录。 经转换后各种波的波场特征在 一 p域 中发生分 离 ，以识别在 t 域 中无法识别 的负速度场。图2 说明了 - p变换 的过程。 ．一一一 ．-一 l -⋯ _ ．一 I l P 1 ／ v I l I l l l l l 一 ‘ 。 图2 f 变换过程示意 2 速度分析速度分 析是地震数据处理 中 很重要的一环 ，尤其当遇到大倾角地层 ，断层发育 带等复杂构造时，准确的偏移速度就成为做好深度 偏移的关键。速度分析的作用主要体现在 提供准 确的叠加速度 ，提高并改善地震数据信噪 比和多次 叠加剖面的质量 ；为偏移叠加及时深转换提供速度 依据 。速度分析的偏差会给后面的处理带来遗传误 差 ，因此各向异性介质 中速度分析的研究显得越来 越重要。 3 偏移成像 技术 以射线偏移为基础 、使 反射波 自动归位到真实位置上的绕射扫描偏移方法 在巷道超前探工程 中越来越实用。惠更斯原理认为 地下每一个反射点 P都可 以看做 是一个子波震源 ， 把每一个 网格点看成是一个反射点进行绕射扫描偏 移时，其绕射波或反射波旅行时间为 l l I I I I I I p l l I ’ j 。 帕 ＼ 1 l I ＼ l I 、 l 、 l I I l I I 、 I n 、 1 1 I 、 _ l J l S ， R． T L 图 3 绕射扫描偏移 网格划分 上的扫描点 P的总振 幅 A 进一步减小 ，这样提高 了信噪比同时，又将反射界面 自动偏移到真实空间 位置上去。处理时常需控制扫描范围来对每一个炮 检对进行振幅叠加 ，以提高运算速度 ] 。 2 现场探测实例 2 ． 1 工程背景 某矿 4 - 5 0 4工作面井下标 高 7 0 0 7 7 7 m， 工作 面巷 道沿 底 板 掘 进 ，45煤 层 稳 定 ，厚 度 5 ． 5～ 7 ． 1 m，顶板为富水性粉细砂岩 ，底板多为泥 岩、粉砂岩。工作 面为单斜构造 ，倾 向角度 1 9 。 ， 掘进期 间揭露多条断层 ，落差 0 ． 9 8 ． 8 m。胶带巷 下巷 掘进 至距联络巷 6 0 0 m 位置时，发生冲击 事件 ，冲击造成迎头顶板 冒落，巷帮炸帮 ，严重影 响掘进作业 。针对该次冲击显现情况 ，结合 已经揭 露断层 ，推测掘进范 围内可能有不 良构造的影响， 为探明掘进范围内的隐伏构造 ，决定在胶带巷掘进 头开展反射波超前探测 ，设计 的探测范围见图 4 。 。 [√ √ _．二 ] 3 图 4 4 5 0 4 胶 带 巷 反 射 波 超 前 探 测 位 置 示 意 式中，t 为扫描点 P处第 炮第 个接收点的绕射 波旅行时间 ， 1 ，2 ，⋯m，且 m为参加叠加的记 录道 ； 为地震波的速度 ；h为 P点的垂直深度 。 图 3为绕射扫描偏移 网格 ，将记 录道上 t 时 刻的振幅值 口 与 P点的振幅值叠加起来 ，即为 P M 点的总振幅值 A ，则 A ∑ 口 P。 计算 x - h平面上按 A x 、A h划分 的网格上每一 点 P ，h ，当网格划分得足够细时 ，就可 以确 定反射点的全部可能位置。如此 ，反射界面上的叠 加扫描点 P的总振幅 A 更加增大，不在反射界 面 2 ． 2 方案设计 探测在迎头有限空间内展开 ，采用炸药震源。 受现场条件 限制 ，布置观测 系统时 ，激 发源 s 设 置在巷道上帮，设计激发 2 4炮 ，设计炮间距 2 m， S 靠近迎 头，炮孔深 1 ． 5 m，孔径 4 8 m m。三分量 检波 R 和 R 分别 布置左后 侧 ，上帮最小 炮检距 1 5 m，R ，R 距 离 5 m，检 波 孔 深 2 m，孔 径 6 5 mm。选用矿用乳胶炸药 ，每孔药量 1 0 0 g ，采用 矿用一段 瞬发 雷管引爆。一 炮一放 ，放炮顺 序为 S 。 ，S ，⋯ ，S 。观测系统设计方案如图 5所示。 2 9 总第 1 2 5期 煤矿 开 采 2 0 1 5年 第4期 图5 4 5 0 4胶 带巷超前探观测 系统设计方案 2 ． 3 数据分析及处理 数据 采 集 每 道 采 样 点 数 2 0 4 8 ，采 样 间 隔 0 ． 1 6 ms ，系统增益均为 2 4 d B 。每次激发有 6道 同 时接收 ，设计 2 4炮 ，其 中 2 1炮有效，共采集 1 2 6 道数据 ，数 据波形饱 满、同相轴较 连续、起跳 明 显 ，满足后期数据处理要求 。 通过 F 兀’ 工具地震 波形进行频率域分 析。如 图6，可以看 出不 同分量频带分布略有差异 ， 分 量频带范围 1 5 0 3 1 0 H z ，主频为 2 0 0 H z ；Y分量频 带范围2 0 0～ 3 0 0 H z ，主频为 2 4 0 H z ；Z分量频率域 分布较广 ，主频为 3 0 0 H z 。 图6 4 5 04 检波器 R 不 同分量 的频谱分析 反射波超前探地震数据后处理流程包括记录解 编 、预处理 、核心处理和结果解释 4个步骤。其中 核心处理有反射波提取 、速度分析和深度偏移 3项 内容。 直达波时距 曲线是一条经过坐标原点的直线 ， 但是在采集过程中，由于雷管延时或者数据采集仪 与起爆器的不同步会造成直达波时距 曲线不是直线 也不通过坐标原点。需要对偏离该直线的记录道进 行时差矫 正 即静校正 。如 图 7 a 所 示 ，根 据 2号检波器 分量获得探测 区域拟合纵、横波 速度分别为 3 ． 4 m ／ m s和 1 ． 9 m ／ ms ，利用 采样时 间 和直达波速度可初步确定探测区域的速度范围，同 时利用其作为背景速度进行深度偏移 。 基于在时距关系上巷道迎头前方反射界面与迎 头后方及巷 道侧 向反射界 面呈 现不同的视速度规 律 ，利用 7 - 一 p变换滤波 、F- K滤波方法提取 出巷 道前方界面反射波 ，与此同时，声波、面波等干扰 波也得到了压制。图 7 b 为反射波提取 图。深 度偏移处理为后处理的核心内容 ，在给定速度模型 3 0 的条件下 ，将来 自前方介质的反射能量偏移归位至 真实空间点上。 距离， m 逞 厘 留 a 直达波波速 求取 距离， m b 反射坡提取 图7 检波器 R 的 X分量直达波波速求取及 反射波提 取 2 ． 4 成果解释 根据地震勘探信号处理相关知识，煤岩体介质 波阻抗差异决定地震波反射效率 ，波阻抗差异越 大，反射回来的地震信号越强，表现在偏移后的波 形亮点颜色越深 ，反射界面也就越明显。煤矿 中的 波阻抗界面主要有断层 、破碎带和陷落柱等。断层 面完整平滑 ，地震波经过时超前半个相位后反射回 来 ，但整体上波形特征未发生变化 ，偏移后仍能保 持波峰波谷的特征 。地震波传播遇到不完整且粗糙 的煤岩破碎带或陷落柱时，反射波易相互干扰 ，反 射 回来的信号不能保证其完整的波形特征 ，偏移后 表现为波形亮点颜色浅 ，出现单一波峰或单一波谷 情况。 图 8为巷道迎头前方 1 5 0 m范围内 分量偏移 成像反射界面提取剖面图，图中横坐标表示沿巷道 走 向迎头前方距检波器 R 的距离。剖面反映了巷 道前方波阻抗差异界面的空间位置关系，颜色深浅 表征反射波能量幅值 的大小 ，根据能量 幅值 的不 方 杰等 基于地震反射波法 的巷道 空间地质异 常体超前探测 2 0 1 5年第 4期 同，提取反射能量较大的界面，超前迎头 1 5 0 m范 围内存在 4组较强反射界面 ，将其各 自命名为 P ， P 2 ，P 3 和 P 4 。 图8 X分量偏移成像反射界面提取 反射界面 P 处在迎头稍往外位置 附近，影 响 范围较小 ，推断为小范围的构造异常区，可以作为 实验前发生 的迎头顶板垮落形成破 碎带 的一个验 证 。 反射界面 P 距离迎头约 3 0 m，叠 加波形呈现 单一波谷特征 ，可以推断此处为影响范围较小的破 碎构造异常区。 反射界面 P 。 距离迎头约 7 0 m，影响范 围超前 迎头 6 5 ～ 7 5 m，综合分析反射能量和影响范围，推 断其为小断层或小规模破碎带 。 反射界面 P 距离迎头约 1 1 2 m，影响范围为超 前迎头 1 0 5～1 2 0 m，该组反射能量弱于反射界面 P ，可能 由小断层或者小规模破碎带控制。 2 ． 5 探测结果验证 4 - 5 0 4胶带巷恢复生产后 ，对探测结果进 行追踪可知 ，在距探测 时迎 头 7 5 m处遇见煤岩体 破碎带 A，距离迎头 1 1 7 m时出现小断层带 B，这 与探测结果 中的 P ， 破碎带和 P 小断层破碎带位置 和规模几本吻合 ，如图 9所示。 3结论 图9 掘进过后结果验证对比 利用地震反射波超前探测技术测得的反射界面 P ，P 。和 P 位置与事后追踪掘进过程 中揭露的情 况基本吻合 ，并在掘进时及时做 出相应的应对措施 后保证了生产正常进行 ，探测结果对巷道安全掘进 能起到一定的指导作用。但是对前方隐伏异常体存 在范围或者断层的落差不能精确定量给出，需要借 助钻探等其他一些勘探手段进行综合判断。 [ 参考文献] [ 1 ]张平松 ，刘盛东 ，吴建生 ．坑道 掘进空 间反射 波超前 探测技 术 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 1 0，3 5 8 1 3 3 1 1 3 3 5 ． [ 2 ]张平松 ，吴健生 ．中 国隧道 及井巷 地震 波法超 前探测 技术研 究分析 [ J ]．地球科学进展 ，2 0 0 6，2 1 1 O 1 0 3 3 1 0 3 8 ． [ 3 ]张平松 ，刘盛东 ，吴健生 ．隧道 及井巷 工程超 前探测 模拟及 其偏移 技 术 研 究 [ J ]．岩 石 力 学 与工 程 学 报 ，2 0 0 7，2 6 S 1 2 8 4 7 2 8 5 1 ． [ 4 ] 王 齐仁 ，杨 天 春 ．隧 道 地 质 灾 害超 前 预 报 的地 震 反 射 法 [ J ]．地球 物理学进展 ，2 0 0 6，2 1 2 6 4 3 6 4 9 ． [ 5 ]刘盛东 ，张平松 ．地下 工程震波探测技术 [ M]．徐州 中国 矿业大学 出版社 ，2 0 0 8 ． [ 6 ]冯宏 ．我 国 防止 矿井 瓦斯 事故 的 地球 物 理探 测技 术 进 展 [ J ]．地球物理学进展 ，2 0 0 5，2 0 4 1 1 7 1 1 1 7 5 ． [ 7 ] 常旭 ，刘伊克 ，桂志 先 ．反 射地震零 偏移距 逆时 偏移方 法 用 于隧道超 前 预 报[ J ]．地 球 物 理 学 报 ，2 0 0 6 ，4 9 5 1 4 8 2 -1 48 8 ． [ 8 ] 沈鸿雁 ，李庆春 ，冯宏 ．隧道反射 地震超 前探测 偏移成 像 [ J ]． 煤炭学报， 2 0 0 9 ，3 4 3 2 9 8 3 0 4 ． [ 9 ] 杜立 志，殷琨 ，牛建军 ． K i r c h h o f f 深度偏移在隧道超 前预报 反射波提取 中的应用 [ J ]．探矿工 程一 岩土钻 掘工程 ，2 0 0 8 ， 3 2 6 9 7 4 ． [ 1 0 ]黄伟 ． 邓世坤 ． 偏移方法用于探地雷达图像处理的有效性 研 究 [ J ]．地质科技 情报 ，2 0 0 1 4 9 9 1 0 2 ． [ 责任编辑 施红霞] 上接 4页 [ 7 ]王 国法 ，姚连登 ，徐 亚军 ，等 ．低焊接裂纹敏感性钢 WD B 6 2 0 焊接性及其在液压支架 上的应 用 [ J ]．煤 矿机械 ，2 0 0 3 ，2 4 1 O 7 2 7 4 ． [ 8 ] 中华人民共和国国家标 准 ． GB ／ T 1 7 3 9 6 2 0 0 9液压支柱用热轧 无缝钢管 [ s ]．北京 中国标准 出版社 ，2 0 1 0 ． [ 9 ]张 晓峰 ，李玉岭 ．矿用 单体液压 支柱油 缸材料 性能 分析及 成 本测算 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 0 7 ，1 2 1 9 3 9 7 ． [ 1 O ]张增志 ，牛俊杰 ．煤 中 的羧基 、酚羟基 对低 合 金钢 2 7 S i Mn 的腐蚀作用 [ J ]．中国腐蚀与防护学报，2 0 0 4 ，2 4 5 31 1 3 1 3 ． [ 1 1 ]张增 志，牛俊杰 ，韩桂泉 ． 2 7 S i Mn在矿井褐 煤环境 中的电化 学行 为 [ J ]．腐蚀科 学与防护技术 ， 2 0 0 3 ， 1 5 3 1 7 8 1 7 9 ． [ 1 2]王首辉 ．液压 支架 用立 柱缸 体锈蚀 的原 因分 析及解 决方 法 [ J ]．矿 山机械 ，2 0 0 8 ，3 6 1 6 6 5 6 6 ． [ 1 3 ]赵四新 ，姚 连登 ．采用先进控轧控冷 技术生产高 强度宽厚板 [ A]． 2 0 0 9 年全国高品质热轧板带材控轧控冷与在线、离线 热处理生产技术交流研讨 会文集 [ c]．江苏宜兴 ，2 0 0 9 ． [ 1 4 ]杜伯奇 ，杨庆东 ，董和泉 ，等 ．激光强化不锈钢 立柱的研 发 [ J ]．矿 山机械 ，2 0 0 9，3 7 5 3 2 3 4 ． [ 1 5 ]尚慧岭，樊晋予，赵恒，等．液压支架立柱缸体不锈钢镶 套修复 [ J ]． 煤矿机械，2 0 1 0 ， 3 1 1 1 1 8 3 1 8 4 ． [ 责任编辑 邹正立] 3】