斷層分布對槽波探測精度的影響

斷層分布對槽波探測精度的影響

0槽波物理模擬與地質(zhì)構(gòu)造探測斷裂帶是影響礦山生產(chǎn)效率和安全的主要地質(zhì)因素。斷裂帶的存在，不僅破壞了可開采層的完整性，減少了煤炭儲(chǔ)量，降低了采礦業(yè)的效率，而且給影響到嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，如屋頂和洪水災(zāi)害。因此，對于斷層的探查，對生產(chǎn)和安全都極其重要。由于煤層中的槽波帶有大量有效的地質(zhì)信息，對構(gòu)造比較敏感，所以，在探查煤層中地質(zhì)構(gòu)造方面應(yīng)用越來越廣泛。馬欣等根據(jù)陷落柱的結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)進(jìn)行投射槽波物理模擬，利用平滑偽魏格納威利分布分析能量特征，可識(shí)別陷落柱。趙云佩等針對煤厚變異條件下的采空區(qū)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過分析頻散、頻譜信息，識(shí)別采空區(qū)反射槽波及圍巖速度信息。呼邦兵等建立了“巖-煤-巖”含采空區(qū)地質(zhì)模型，研究Rayleigh型槽波在存在采空區(qū)的條件下波場的傳播規(guī)律，特別是Rayleigh型槽波在X、Z分量信號(hào)易于識(shí)別。李江華等基于槽波反射法應(yīng)用于晉城北部礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造探測，推斷斷層或陷落柱邊界。李剛通過對工作面內(nèi)隱伏斷層數(shù)值模擬，證實(shí)了槽波透射法探測斷層的可行性。李梓毓等采用雙巷觀測系統(tǒng)對晉城某礦井工作面進(jìn)行槽波探測，高精度控制了斷層上下盤的延伸發(fā)育情況。前人在槽波勘探的理論與應(yīng)用研究做出了巨大的貢獻(xiàn)，槽波已成為探尋地質(zhì)構(gòu)造的賦存情況的主要手段。但是，構(gòu)造的賦存狀態(tài)是復(fù)雜的，特別是斷層的產(chǎn)狀，對槽波數(shù)據(jù)處理方法以及探測結(jié)果的精準(zhǔn)程度都存在一定的影響。為此，本文設(shè)置斷層走向和巷道夾角不同的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同走向的斷層在同一觀測系統(tǒng)條件下對槽波勘探效果的影響。1觀測系統(tǒng)的選擇槽波巷道超前探測主要目的是探測巷道前方及兩側(cè)斷層情況。槽波超前探測原理圖如圖1所示。由圖1可知，F(xiàn)采用2炮18個(gè)檢波點(diǎn)的反射模擬觀測系統(tǒng)，通過炮點(diǎn)檢波點(diǎn)對斷層的反射模擬可以看出，有效反射段（圖1中黑色填圖區(qū)）隨著夾角的增大而變小，表明勘探的難度在逐漸增加，當(dāng)斷層與巷道垂直時(shí)，有效反射段僅為1個(gè)點(diǎn)。而槽波超前探測主要探測巷道前方的斷層，與常規(guī)槽波反射法勘探相比，難度更大。2模型的構(gòu)建和計(jì)算2.1正虛實(shí)一體移動(dòng)方程單一煤層（頂板-煤層-底板）的勒夫型槽波位移方程滿足的線性方程組式：其中，正實(shí)數(shù)式中2d———煤層厚度；ω———簡諧波震動(dòng)頻率，Hz;A,B,C,D,F———頻散曲線系數(shù)；μ2.2典型數(shù)據(jù)處理為了模擬不同走向的斷層在同一觀測系統(tǒng)條件下對勘探效果的影響，本次正演模擬測試了4種斷層走向模型，斷層走向與巷道夾角α分別為0°、30°、60°、90°，如圖2所示。依據(jù)槽波的傳播理論，反射槽波的整套處理流程和地面反射P波處理類似，因此在本次正演模擬中，使用P波替代槽波進(jìn)行模擬。觀測系統(tǒng)布置時(shí)，炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)布置在巷道的同一側(cè)煤壁中，炮點(diǎn)布設(shè)在測線的兩側(cè)，以實(shí)現(xiàn)較均勻覆蓋次數(shù)的目的。模型中煤層假定為完全均勻，測線布設(shè)于巷道的左側(cè)幫，槽波速度設(shè)置為1000m/s，煤層密度1.2kg/cm共激發(fā)泡點(diǎn)25炮，采用50道檢波器接收，得到不同夾角下的典型單炮記錄，如圖3所示。對采集的25個(gè)單炮記錄進(jìn)行處理，采用包絡(luò)疊加法，處理后結(jié)果如圖4所示。對上述4種模型采集的單炮數(shù)據(jù)，均按照槽波反射法數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行處理（見圖4）。在斷層走向與巷道平行時(shí)，不需要做偏移處理，圖中同相軸位于150m處，與模型中斷層的走向與位置吻合。在斷層走向與巷道不平行時(shí)，需要偏移處理。圖4(b）疊加同相軸與巷道夾角約26°，偏移處理后約30°，與模型中斷層吻合。圖4(c）所示疊加同相軸與巷道夾角約41°，偏移處理后約60°，與模型中斷層吻合。圖4(d）疊加同相軸與巷道夾角約45°，偏移處理后約90°，與模型中斷層吻合。由圖4可見，4種模型模擬的結(jié)果和模型較為吻合。在斷層走向與巷道夾角較大時(shí)，依然可以采用常規(guī)的反射槽波處理流程來處理，只需要對疊加同相軸進(jìn)行偏移即可。3例子研究3.1南東傾斜土體鄆城煤礦1308工作面平均走向長度1007m，平均傾斜長度123m，傾角8°～15°，平均13°，其整體呈向南東傾斜的寬緩單斜形態(tài)。依據(jù)三維地震勘探解釋資料，1308工作面巷道在掘進(jìn)過程中揭露多條斷層，預(yù)計(jì)最大落差超過10m，受周圍斷層牽引影響，工作面局部煤層存在一定的波狀起伏變化，形成較為寬緩的小型褶曲，在褶曲轉(zhuǎn)折端會(huì)造成煤層及頂板裂隙發(fā)育，煤層破碎。3.2反射槽波分布特征觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用巷道單側(cè)幫炮點(diǎn)激發(fā)，兩側(cè)幫檢波器接收的方式。檢波點(diǎn)：道間距5m，共24道，布置在巷道左側(cè)幫；炮點(diǎn)：炮間距10m，共17炮，布置在巷道左側(cè)幫，測線兩端。探測典型單炮記錄（內(nèi)側(cè)幫單炮）如圖5所示。由圖5可知，折射縱波、折射橫波不清晰，但直達(dá)槽波清晰，反射槽波也較為發(fā)育，另外還有其他干擾波。直達(dá)槽波清晰從側(cè)面反應(yīng)出探測區(qū)域槽波較為發(fā)育，表明該區(qū)域適合進(jìn)行槽波地震探測。反射波發(fā)育，基本可以確定周圍存在斷層或巷道等反射異常體。當(dāng)斷層與巷道平行時(shí)，反射波在整張單炮記錄中呈雙曲線形態(tài)，當(dāng)斷層與巷道垂直時(shí)，反射波同相軸與直達(dá)槽波同相軸呈平行狀。從反射槽波分布的范圍來看，在單炮記錄中近道、遠(yuǎn)道均有良好的反射槽波，反映了鄆城礦區(qū)地震數(shù)據(jù)的近道、遠(yuǎn)道均有反射槽波發(fā)育的規(guī)律。本次槽波超前探測工程各次探測接收的槽波數(shù)據(jù)有效頻帶很寬，在100～400Hz均有有效信號(hào)。按照包絡(luò)疊加處理流程，處理結(jié)果如圖6所示。圖6出現(xiàn)了反射同相軸，解釋為斷層，落差超過1倍煤厚，推測超過10m。經(jīng)礦方驗(yàn)證，偏差約5m。數(shù)據(jù)處理時(shí)使用了合理的速度參數(shù)，最終解釋結(jié)果與揭露情況也較為吻合，斷層延伸后誤差在10m以內(nèi)。4巷道夾角的影響本文建立了4個(gè)斷層走向與巷道夾角的模型，通過對比槽波記錄及疊加效果，得到以下結(jié)論：(1）斷層走向與巷道的夾角對槽波探測的結(jié)果有一定的影響，當(dāng)夾角較小時(shí)（<40°