0 引 言
近年来，随着计算机技术与地球物理科技的不断发展，地球物理勘探技术成为矿井地质构造探测中非常有效的方法[1]。地球物理勘探主要是通过地球物理场对地质体的物理性质差异所产生的异常进行探测，地质构造和地质体结构特点决定了物探手段的适应性和有效性。断层面与陷落柱边界对地震波具有良好的反射性，并且遇到地质构造时地震波能量发生损失，为地震探测提供了良好的物理前提[2-3]。
由于不同地震法均有各自的优缺点，而井下物探更具有探测距离的优势，因此井下地质构造槽波地震勘探逐渐受到国内外学者和工程技术人员的重视，是最有发展前景的一种物探方法[4]。1955年，Evison在新西兰煤层中激发并采集到了槽波[5]；我国自20 世纪70 年代末从西德引进槽波地震仪以来，国内学者对槽波地震勘探进行了一些研究[6]；80年代，一些科研单位开始进行现场试验，同时也进行物理模型、数值模拟研究及矿井地震仪的研制[7-8]；21世纪初随着煤炭“黄金期”的到来，槽波探测技术得到了进一步的推广应用，近几年的研究呈上升趋势，理论和技术水平都取得了一定的进展[9-10]。冯磊等[11]根据不同类型槽波振动极化特征，提出基于S变换的时频域自适应协方差矩阵极化滤波方法；王季[12]利用二维傅里叶变换将地震信号转换到F-K域并对其进行滤波，以消弱噪声和其他波场成分；廉洁等[13]得出1 900 m/s和1 300 m/s的槽波速度等值线可用于判断义马矿区3 、5 m厚的煤层，槽波地震CT 叠加剖面图中的强反射震相可预测断层位置；王伟等[14-15]确定义马矿区厚度变化2～5 m的煤层中槽波Airy频率相为125 Hz；任亚平[16]开展了陕北矿区超大型工作面内断层的槽波地震探测技术研究，采用全排列接收，最大限度地获得了槽波信息；李刚等[17]通过现场实践，认为槽波探测可解决传统坑透方法透距不足的问题。
晋城北部矿区地质构造复杂，笔者通过研究槽波地震反射法勘探技术，并应用于晋城北部矿区3号煤层工作面内的地质构造探测中，采集了高质量的槽波信息，采用优化的槽波数据处理流程进行了数据处理与解释，结合其他方法推断了异常的性质和范围，实现了工作面地质构造灾害的预测预报，为工作面安全开采提供了重要依据。
1 晋城北部矿区地质概况
晋城北部与长治南部接壤的矿区井田位于山西省沁水煤田东南缘，太行山复式背斜南段西翼，晋东南山字型构造脊柱部位的南端。区内地层总体为一走向北北东，倾向北西西的单斜构造，由一系列北北东向和近南北向开阔、宽缓的背斜及向斜组成。该区域矿区主采二叠系山西组下部的3号煤层，厚度平均5.6 m，赋存稳定，煤厚变异较小，煤层结构较简单。但地质构造复杂，已探明的断层和陷落柱数量又多又大，其中赵庄矿仅在近10 km2采掘范围内发现断层386条，对该矿3号煤层安全高效开采带来了极大的隐患，3号煤层顶底板岩性特征如图1所示。
图1 3号煤层顶底板岩性特征
Fig.1 Roof and floor characteristic of No.3 coal seam
2 槽波地震勘探原理
2.1 3号煤顶底板岩石声波测试
岩石声波波速测试采用HS-YS4A型岩石声波测试系统，由微控制主机、信号采集装置及多分量压电换能器等模块组成，具有多通道、宽频带、高灵敏度等优点。岩样取自晋城北区赵庄二号井，加工制作成ø50 mm×100 mm的标准岩石试件，试件上下端面涂抹黄油，将换能器紧帖两端面，形成对穿状，进行纵波波速测试。采样字节为4 kB，采样间隔为0.1 μs。岩石声波波速测试示意如图2所示。
图2 岩石波速测试示意
Fig.2 Schematic diagram of rock wave velocity testing
岩石试件高度与脉冲信号初至时间的比值，即为波速[18]，则有
v=l/(t-t0)
(1)
式中:v为波速，m/s；l为岩石试件长度，m；t为试件测试时的声波脉冲信号初至时间，s；t0为换能器间声波脉冲信号初至时间，s。
3号煤层及顶底板岩石的纵波波速测试结果见表1，由此看出，3煤波速平均为2 080 m/s，砂岩波速平均为3 713 m/s，泥岩波速平均为4 331 m/s。煤层的波速低，泥岩的波速相对较高。
表1 岩石波速测试结果
Table 1 Test results of rock wave velocity
岩性波速/(m·s-1)岩性波速/(m·s-1)粗砂岩3 400.68～4 157.123 728.97煤2 052.31～2 115.722 080.15中砂岩4 038.44～4 166.674 098.53泥质砂岩3 286.51～3 717.843 505.04细砂岩3 073.93～3 510.763 314.30泥岩4 054.20～4 687.894 331.31
2.2 槽波地震法探测理论
通过对3号煤及顶底板岩石波速测试可知，煤层与顶底板岩层的物性参数差异明显。地震波在煤系沉积岩地层中传播，将形成以煤层为中心的低速“槽”，由于受顶底板岩层界面的限制，煤层中激发的部分地震波场发生多次全反射，煤层对地震能量起到有效的制导作用，不向围岩辐射，在煤槽中相互叠加、相长干涉，形成槽波[19]。
槽波具有频散特征，波速随频率的变化而变化。槽波地震反射法探测主要根据反射槽波的有无、强弱及其他的有关运动学、动力学特征，判断探测区范围内的地质异常。当断层落差接近或大于煤层厚度，煤层波导完全或几乎全部被阻断，将接受到反射槽波；断层落差较小时，部分煤层波导被阻断，仅部分能量产生反射，形成较弱的反射槽波；当断层落差更小或不存在时，将无反射槽波。反射法探测时地质异常可从单炮记录中根据槽波信号的走时绘制异常界面，也可通过CMP道集叠加形成结果图，根据同相轴确定地质异常界面[20]。
槽波地震反射法探测时，将激发震源(通常采用乳化炸药)和反射槽波信号采集装置检波器布置在同一条巷道中，工作面未圈成时也可对其内部地质构造进行探测，为工作面的合理布置提供依据。反射法探测布置如图3所示。
2.3 探测数据处理方法与结果解释
反射槽波数据处理方法和地面地震法有许多类似的地方，一般流程为Sgy地震数据导入、观测系统加载、槽波数据分析、Butterworth滤波处理、包络计算、槽波速度分析、CMP叠加及时深转换/相偏移等。通过对数据后处理参数进行试验与择优选取，形成精细化的槽波地震反射法探测数据处理流程 如图4所示。
图3 反射法探测布置示意
Fig.3 Schematic diagram of reflection method exploration
图4 反射法探测数据处理流程
Fig.4 Data treatment scheme of reflection method exploration
3 地质构造槽波地震法应用实例与建议
3.1 晋城北部矿区地质构造探测
3.1.1 案例1
赵庄二号井某工作面走向长度827 m，倾斜宽度160 m，开采3号煤层，平均厚度为4.4 m，为稳定可采煤层。地面三维地震探测该工作面西侧存在一条走向长769 m，落差0～15 m，倾角为65°的大断层，为进一步精细化查明该断层的赋存特征，指导相邻采面的布置，在该工作面的上平巷对西侧进行槽波地震反射法勘探(图5)。
槽波反射法勘探的测线长度为750 m，共布置48道双分量检波器，检波器间距15 m；共布置100个炮孔，炮间距7.5 m。采用乳化炸药爆炸震源，单孔药量为200 g，从切眼至终采线依次放炮接收数据。
图5 观测系统布置及探测结果
Fig.5 Observing system layout and detection result
经过原始数据的分析与处理，本次槽波反射法探测的CMP间距为3.75 m，Butterworth滤波的频带范围为50～300 Hz，AGC窗口为200 ms，槽波速度为1 000～1 200 m/s时，槽波Airy震相同相轴清晰。滤波后第42炮前20道槽波记录如图6所示，由此看出1～14道反射槽波信息较好，信噪比高，存在地质异常界面。
图6 槽波单炮记录
Fig.6 Single shot record of channel wave
选取波速为1 000 m/s的地震波进行相位偏移叠加，反射槽波结果如图5所示，靠近上平巷一侧的同相轴波列由直达槽波产生，向外为探测的断层反射界面。共探测出F1和F2两条有效断层，其中F2断层走向与三维地震探测DF17基本一致，反射界面呈波浪曲线状，但更靠近23011巷，探测精度提高0～30 m。结合23011巷打钻验证情况，成功探明了该断层的存在，且走向一致。
3.1.2 案例2
大平煤业某工作面走向长度为1 665 m，倾斜长度为192 m，开采3号煤层，平均厚度为6.19 m，煤层倾角平均10°，为稳定可采煤层。煤厚变异较小，煤层结构较简单，含1至2层夹矸，厚度0.10～0.20 m。煤层直接顶和直接底均为泥岩。三维地震探测工作面内部存在1条落差0～10 m，倾角为70°的DF37断层。为进一步查明该断层的准确与可靠性，在工作面下平巷采用槽波反射法对断层进行探测。
反射法探测长度为690 m，自下平巷开口395 m处布置第1个炮点，炮间距15 m，共布置47炮(图7中X表示)；距第1炮7.5m处布置检波器，道间距为15m，共布置46个检波孔(图7中●表示)。采用案例1中相同的方法和参数对槽波数据进行处理，20—47炮范围内的探测结果如图7所示。根据反射法同相轴探测结果，以振幅能量强的位置为界面，推断解释1条走向与DF37断层前半段一致的CF37断层，但走向长度仅为120 m，DF37断层不存在，相比三维地震圈定的位置和范围更精细，表明槽波地震勘探分辨率高。
图7 案例2探测结果
Fig.7 Detection result of case 2
3.1.3 案例3
霍尔辛赫煤业某工作面位于一水平三盘区，走向长660 m，倾斜长220 m，开采3煤，煤层厚度为5.0～5.6 m，平均5.3 m，煤层倾角为3°～9°，为稳定可采煤层。3煤伪顶为泥岩，直接顶为粉砂岩，直接底为泥岩。根据坑透勘探结果，终采线附近存在地质异常区，为进一步明确地质异常的性质及位置和范围，采用槽波地震反射法在工作面下平巷对终采线附近360 m范围内地质构造进行探测。
设计探测长度为360 m，距终采线15 m布置第1道，道间距为10 m，共计36个检波孔(图8中●表示)；距第3道5 m位置布置第1炮，炮间距为10 m，共计30个炮孔(图8中X表示)。探测结果如图8所示，反射槽波同相轴明显，但相对断层反射界面的同相轴更为分散，综合坑透和槽波地震勘探结果，推断同相轴连线为陷落柱边界，反射界面由陷落柱周边破碎带引起。通过现场钻孔验证，进一步确定该异常界面不为断层，而为陷落柱，表明槽波地震反射法可对陷落柱边界进行有效的探测。
图8 案例3探测结果
Fig.8 Detection result of case 3
3.2 地质构造槽波地震探测建议
晋城北部矿区3号煤层厚度0.35～6.61m，煤层中赋存1～2层薄层夹矸，煤层与顶底板的物理力学性质差异明显。通过以上3个矿井的槽波地震反射法探测案例分析，均采集到质量较好的原始槽波数据，经滤波处理后进一步提高了信噪比。通过优化后的反射槽波数据精细化处理流程，获得清晰的地质构造同相轴反射界面。基于槽波Airy震相同相轴特征，结合地面三维地震探测结果，赵庄二号井和大平煤业的槽波地震探测结果推断解释为断层。而霍尔辛赫煤业的探测结果中槽波Airy震相同相轴更为分散，槽波频散更强，结合坑透结果，推断为陷落柱边界，并且均获得验证。探测结果表明，晋城北部矿区3号煤层发育有良好的槽波，适宜采用槽波地震反射勘探方法探测地质构造。但探测结果同相轴可能为断层或陷落柱界面，表明单一槽波地震勘探法难以断定具体的地质构造性质，需结合地质条件及其他勘探手段进行综合分析和解释。条件允许时，可同时采用透射和反射的联合布置方式对地质构造进行探测，根据透射和反射结果对地质异常进行综合推断解释，提高准确性和可靠性。
4 结 论
1)晋城北部矿井3号煤层纵波波速约2 080 m/s，砂岩波速约3 713 m/s，泥岩波速约4 331 m/s。煤层与顶底板岩层的物性参数差异明显，为槽波地震探测提供了良好的物理基础。
2)采用振幅包络计算和共中心点叠加偏移技术，优化了数据精细化处理流程。晋城北部3号煤层槽波地震反射法探测时槽波发育，可选取50～300 Hz的频带范围进行滤波，用于提高信噪比，槽波速度为1 000～1 200 m/s。
3)晋城北部矿区3号煤层适宜采用槽波地震勘探方法探测地质构造，但槽波地震反射法探测地质构造时，地震波同相轴可能为断层或陷落柱边界，需结合其他方法进行精确解释。
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