巷道空間反射波超前探測方法原理

（一）井巷掘進空間的地質(zhì)模型隧道及井巷掘進是按照設(shè)計的位置進行開挖，受區(qū)域巖層條件控制，掘進過程中會遇到不同的地質(zhì)條件。進行坑道超前探測必須對此全面了解，才能充分利用現(xiàn)場基本條件。圖6－32為隧道掘進過程中所遇到的簡單地質(zhì)條件分布圖。我國在漫長的地質(zhì)歷史上受到過多次構(gòu)造運動作用，因此大部分隧道掘進過程中所遇到的地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。當(dāng)設(shè)計隧道在穿過復(fù)雜地質(zhì)條件時，必須根據(jù)掘進施工的進度及位置及時進行超前探測與預(yù)報，有效地指導(dǎo)施工安全。圖6－32 隧道掘進簡單的層狀地質(zhì)模型礦井巷道掘進過程中，特別是采煤礦山，其井下巷道掘進存在兩類問題，一類是巖石巷道的掘進，為采礦（煤）提供運輸通道或聯(lián)絡(luò)巷道，所遇到的主要問題是斷層、巖層層位控制以及不良含水體等；另一類是構(gòu)建回采工作面進行采煤生產(chǎn)的，為煤層巷道的掘進，通常是順著煤層走向或傾向進行開挖，其遇到的不良地質(zhì)問題主要是以斷層、煤層連續(xù)性、地下水體等為主。由于不同地質(zhì)條件所對應(yīng)的地質(zhì)模型有所區(qū)別，這是巷道反射波探測布置及地質(zhì)解釋的重要基礎(chǔ)。煤礦巷道超前探測中受地質(zhì)條件及巷道支護方式等限制，特別是煤巷掘進時煤層作為一種軟弱層，煤層頂、底板作為強反射界面會產(chǎn)生多次波等干擾，數(shù)據(jù)采集條件較差，往往不能對前方地質(zhì)構(gòu)造界面的反射信號進行識別，因此，超前預(yù)測預(yù)報難度比隧道掘進時加大。圖6－33為煤礦山巖石巷道掘進所穿過的地質(zhì)剖面圖，圖中紅色界面為掘進過程中預(yù)計的斷層位置，煤巷所采取的支護手段（如U型棚支護、工字鋼支護、錨噴支護等），同樣使得探測觀測系統(tǒng)布置存在較大的難度，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量相對較差。圖6－33 礦井巖石巷道掘進地層剖面（二）井巷超前反射波探測的特殊性與地面二維空間不同的是，在礦井巷道中進行地震勘探屬于三維空間探測，是一種特殊的地質(zhì)環(huán)境，地震波的激發(fā)與接收受到多種因素的影響。礦井探測的主要目的是解決與煤層有關(guān)的地質(zhì)問題，而在煤系地層中煤層作為一種低速、低密度的軟弱夾層，其彈性性質(zhì)與其頂?shù)装逯g存在明顯的差異。因此在煤層巷道中激發(fā)的地震波，受到其頂、底板的限制會產(chǎn)生導(dǎo)波性質(zhì)，這對地震波的傳播帶來影響。除此之外，井巷反射波超前探測還受到煤巖層松動的影響。利用反射波進行超前勘探，必須要具有良好的耦合條件。巷道在形成過程中受機械或放炮等振動作用，往往會造成巷幫或煤層頂?shù)装宓牧严兑约八蓜訋У漠a(chǎn)生，這給礦井地震探測帶來一定的影響，使得高頻地震波的吸收相當(dāng)厲害，同時松散的巖煤層結(jié)構(gòu)會直接破壞地震波的激發(fā)接收條件，使得探測距離受到限制。因此，對于煤巖幫上探測，應(yīng)盡量使用合適的錘擊墊片或激發(fā)孔，避開煤巖幫松動圈范圍的影響。（三）反射波超前探測的方法原理1.巷道超前反射波探測的地球物理條件利用地震反射波法進行地質(zhì)超前預(yù)報，其地球物理前提是介質(zhì)之間存在彈性差異和地震波的傳播。在巷道掘進條件下，當(dāng)前方存在地質(zhì)異常界面（如地質(zhì)構(gòu)造、破碎帶及流體等）時，介質(zhì)的彈性差異（速度和密度差異）是客觀存在的，這就為地震波的傳播，尤其是巷道掘進前方不良地質(zhì)體的反射波傳播提供了良好的物理條件和波場基礎(chǔ)。由于實際地層并非一種理想的完全彈性介質(zhì)。地震波在介質(zhì)中傳播過程時部分能量被吸收和散失，其明顯特征是高頻成分隨著傳播距離的增加而衰減，波的能量最終消減結(jié)束。引起地震波振幅能量變化的因素主要包括：波前球面擴散、巖體吸收、透射損失、散射和震源－檢波器的布置等。地震波的這些傳播特征為巷道地質(zhì)超前預(yù)報帶來了諸多不利因素，加上不同地質(zhì)條件影響（如煤巷掘進中的煤層頂?shù)装宥啻畏瓷洳ǎ?，使得接收到的地震波場?fù)雜程度增加，為后期數(shù)據(jù)處理增加了難度。因此，熟悉巷道掘進地震波場特征及其相應(yīng)地球物理條件，努力為數(shù)據(jù)采集與處理創(chuàng)造有利條件。對于巷道掘進條件，與地面地震勘探有所區(qū)別，屬于三維空間地震波傳播特性，但其基本傳播理論是一致的。巷道掘進地震勘探主要解決巖石與軟弱層或含水層分界面問題，而井巷掘進主要解決的是煤與巖層的分界面問題，兩者具有一定的區(qū)別，但只要是巖層介質(zhì)發(fā)生變化，其彈性性質(zhì)往往發(fā)生改變。井巷掘進中的煤層作為一種特殊介質(zhì)體，與其頂?shù)装逯g存在的彈性差異更為明顯。通常來說，發(fā)生破碎的巖層在整個完整地層中，礦井煤層在煤系地層中，都應(yīng)屬于低速、低密度的軟弱夾層，其特征與周邊巖層差異較大，為超前探測預(yù)報提供了有利的條件。圖6－34為一巷道低波速介質(zhì)超前反射波探測原理示意圖，以圖（a）中模型為例，其第一層界面R1的反射系數(shù)為－0.13，若不考慮黏彈性介質(zhì)波能量的損耗，反射波能量只有13％，而透射波的能量為87％，可以看出，反射波能量與入射波參量相比是較少的。且穿過該低波速介質(zhì)時反射波極性發(fā)生反相變化（圖6－34（b））。對于巷道中煤巖分界面，由測定可知一般煤層及其頂板的巖樣密度參數(shù)分別為：ρ1平均1.3g/cm3，ρ2平均2.6g/cm3；煤層及巖層平均波速分別為：v1＝2km/s；v2＝4km/s，則該界面的反射系數(shù)為0.60。這表明，巖煤層間的界面是一個強反射界面，有利于進行與煤層及煤層構(gòu)造有關(guān)的反射地震波探測工作。圖6－34 巷道低波速介質(zhì)超前反射波探測原理示意圖2.巷道超前反射波探測的地質(zhì)基礎(chǔ)反射地震波勘探的地質(zhì)效果，受到兩個條件的限制：一是勘探本身的技術(shù)裝備等；二是受到客觀存在的地表及地下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的限制。巷道超前探測條件下，需要解決的地質(zhì)問題在工作面前方，數(shù)據(jù)采集只能在后方的巷道中完成，不僅數(shù)據(jù)采集時野外施工困難，而且資料的處理和解釋也很復(fù)雜。這里前方地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性對地震勘探的影響實質(zhì)就是一個地震勘探的地質(zhì)基礎(chǔ)問題，其中地震波速度是個關(guān)鍵性參數(shù)。（1）地震波速度地震波速度是表征地層彈性性質(zhì)的重要參數(shù)。不同時代、不同巖性的地層可以有不同的速度，因而速度參數(shù)把地質(zhì)模型同物理模型聯(lián)系起來。根據(jù)對縱波和橫波特點的討論，已經(jīng)導(dǎo)出縱波vP和橫波速度vS的表達式?？v、橫波速度值可以由彈性模量，如楊氏模量E、泊松比σ、體積模量K等，表示它們之間的關(guān)系，因此已知彈性模量及密度ρ可以求出縱、橫波速度值；反之由縱、橫波速度值也可求得各種彈性模量。在實際巖石中的地震波速度取決于多種因素，包括孔隙度、巖性、膠結(jié)度、深度、年代、孔隙中的流體成分等。水飽和沉積巖石的速度范圍在1.5～6.5km/s?？紫抖冉档?，膠結(jié)變好，埋藏深和年代老，會使速度增加。水的縱波速度大致為1.5km/s。當(dāng)巖石的孔隙內(nèi)充滿氣體時，其縱波速度遠(yuǎn)低于充滿水的同類巖石。實際的地質(zhì)剖面是由不同地質(zhì)年代、不同成因、不同物質(zhì)成分、不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造的巖層所組成。由于沉積環(huán)境、沉積年代不同，即使同樣的巖性，在巖石密度、孔隙度以及充填物等方面也會有很大變化，這就導(dǎo)致某一類巖石的速度可以在很大范圍內(nèi)變化，不同類型巖石的速度值可以在某一范圍內(nèi)重疊。如表6－1給出了常見的巖土煤介質(zhì)的波速特征值，由此可對巷道超前探測波阻條件及速度分析提供參考。表6－1 常見巖土介質(zhì)的密度和波速（2）地震波速度的主要影響因素對縱波來說，地震波的傳播速度主要取決于巖土的彈性常數(shù)和密度。一般來說，地震波速度隨深度增加而增加，但影響傳播速度的地質(zhì)因素很多，主要與巖性、孔隙度、孔隙充填物、密度、地質(zhì)年代、構(gòu)造運動、巖層埋藏深度等因素有關(guān)。對于巷道掘進條件，所關(guān)注的地質(zhì)問題有所不同，這里主要的影響因素包括巖煤層的巖性變化、介質(zhì)孔隙度、孔隙中的充填物情況、含水率以及巖層的風(fēng)化和破碎等因素。其中巖石中孔隙的空間不是被水、油等液體所充填就是被氣體或氣態(tài)碳?xì)浠衔锼涮?，?dāng)波在這些充填物中傳播時，速度都會降低。氣體中波傳播的速度最低，油其次，水中波速相對較高。當(dāng)砂巖孔隙中含中油、氣、水時，三者之間及它們與頂?shù)讎鷰r之間形成良好的波阻抗界面，產(chǎn)生較強的反射波。實際的巖土中孔隙部分被流體（大多情況是水）充填，充填的多少即含水率。如果孔隙充填水，因水的vP＝1.5km/s，隨著孔隙水的增加，速度將有所增加。巖石風(fēng)化破碎后，地震波速度通常會降低，因此應(yīng)用地震勘探可以發(fā)現(xiàn)巖煤層中的破碎部分。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。