煤礦巷道地震超前探查構(gòu)造中的速度參數(shù)選取

戴世鑫，王旭東，謝 強(qiáng)

（1.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201；2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)霄云井田資源開發(fā)有限公司，山東濟(jì)寧272213；3.中礦龍科能源科技 （北京）有限公司，北京 100085）

煤礦巷道地震超前探查構(gòu)造中的速度參數(shù)選取

戴世鑫1，王旭東2，謝 強(qiáng)3

（1.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201；2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)霄云井田資源開發(fā)有限公司，山東濟(jì)寧272213；3.中礦龍科能源科技 （北京）有限公司，北京 100085）

地震波超前探查是目前較為先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，但準(zhǔn)確度一直備受質(zhì)疑，通過(guò)實(shí)際研究表明：地震超前探查的準(zhǔn)確度取決于速度的選取，實(shí)際處理中由于初次采取的速度是建立在以往地面三維地震勘探的基礎(chǔ)上，其速度選取有一定誤差，造成斷層解釋的不準(zhǔn)確性。而掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法，對(duì)初選取的速度參數(shù)進(jìn)行修正，重新處理得到的結(jié)果與實(shí)際揭露結(jié)果吻合。結(jié)果表明：通過(guò)掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法選取速度參數(shù)，對(duì)于提高煤礦巷道地震超前探查構(gòu)造的準(zhǔn)確性具有重要意義。

超前探查；地震波；斷層；速度

地震波超前探測(cè)是運(yùn)用地震波在傳播過(guò)程中遇到不均勻地質(zhì)體（存在波阻抗差異）時(shí)會(huì)發(fā)生反射的原理，結(jié)合巷道的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制的沿巷道后方布置震源和檢波器來(lái)探測(cè)巷道前方地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的觀測(cè)系統(tǒng)。圖1為地震超前探測(cè)模型及合成記錄示意圖，圖1中（a）為測(cè)線前方存在的三層介質(zhì)速度模型，采用一點(diǎn)接收，多個(gè)激發(fā)點(diǎn)排列依次激發(fā)。圖1（b）圖中共有三個(gè)波組，自左向右分別為直達(dá)波組、一、二層波阻抗界面的反射波組、二、三層波阻抗界面的反射波組［1－2］。

圖1 地震超前勘探原理示意圖

從圖1中可以看出地震波速度是地震勘探中一個(gè)重要而又復(fù)雜的參數(shù)，在地震勘探數(shù)據(jù)處理與解釋中占有重要地位，地震勘探從某種意義上講就是速度勘探［3－5］。

本文擬結(jié)合礦井巷道地層特點(diǎn)和波場(chǎng)發(fā)育規(guī)律，采用掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法，對(duì)選取速度參數(shù)進(jìn)行修正，獲取相應(yīng)結(jié)果，并與斷層實(shí)際揭露情況進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證不同地震波速度參數(shù)是否會(huì)對(duì)超前探查構(gòu)造造成影響。

1 掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法

掃描速度譜的基本原理是通過(guò)確定零偏距時(shí)間t0，速度v和偏移距xi，計(jì)算出反射波的到達(dá)時(shí)間ti，并將ti所對(duì)應(yīng)的振幅相加，最終得到對(duì)應(yīng)于速度v的疊加振幅。由此可知，選擇的速度與疊加振幅的大小密切相關(guān)。如果選取的速度值正確，則通過(guò)計(jì)算得出的反射波到達(dá)時(shí)間與實(shí)際記錄同相軸的時(shí)間一致，疊加振幅最大，因此可得到準(zhǔn)確的速度值［6］。

利用掃描速度譜獲得的速度值，通過(guò)偏移速度建模的方法，最終得到反射界面的實(shí)際位置。偏移速度建模是建立在射線偏移的基礎(chǔ)上使反射波自動(dòng)歸位到其空間的真實(shí)位置。根據(jù)惠更斯原理，地下任意反射點(diǎn)p都可看作子波震源，進(jìn)行掃描偏移時(shí)，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)看作一個(gè)反射點(diǎn)，則它的反射波旅行時(shí)見式（1）。式中：v為地震波的速度，m/ms；h為點(diǎn)p的垂直深度，m；ti，j為掃描點(diǎn)p處第i炮第j個(gè)接收點(diǎn)的旅行時(shí)，ms；j＝1，2，3，...，m（m為參與疊加的記錄道）。圖2為掃描偏移網(wǎng)格圖。這樣將記錄道上ti，j時(shí)刻的振幅值ai，j與點(diǎn)p的振幅值相疊加，作為點(diǎn)p的總振幅值A(chǔ)i，見式（2）。

對(duì)x－h(huán)平面按Δx，Δh劃分的方格網(wǎng)上每一點(diǎn)px，（h）進(jìn)行計(jì)算，只要?jiǎng)澐值脡蚣?xì)，總能在所要求的精度上反映反射點(diǎn)的全部可能位置。這樣使反射界面上的疊加掃描點(diǎn)p的總振幅Ai得到較大數(shù)值，而不在反射界面上的掃描點(diǎn)p的總振幅Ai數(shù)值則較少。因此進(jìn)行掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法，不僅能實(shí)現(xiàn)真正反射點(diǎn)疊加，同時(shí)也能準(zhǔn)確的確定反射界面的真實(shí)位置。

圖2 掃描偏移網(wǎng)格圖

2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與數(shù)據(jù)處理與解釋

本實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為山東濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)霄云煤礦1302工作面，位于主井口西南953m，距離副井口西南992m。巖性以砂質(zhì)泥巖和粉砂、細(xì)砂為主，巖石硬度一般，個(gè)別地段巖石較破碎，三煤頂板巖性為細(xì)砂巖，巖石較硬，煤層底板以泥巖和粉砂巖為主，三煤為黑色，條痕色為灰黑色，以亮煤為主，暗煤絲炭次之，上部為硬質(zhì)煤，塊狀結(jié)構(gòu)，中部為泥巖夾矸，下部為碎煤，底部煤質(zhì)較差，為半亮型煤?，F(xiàn)場(chǎng)采作礦井巷道地震波超前探測(cè)方法，力求提高探測(cè)的準(zhǔn)確率。

將現(xiàn)場(chǎng)采集到的物探數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理方能轉(zhuǎn)化為可利用的物性圖件，地震波探測(cè)數(shù)據(jù)在自行研制開發(fā)的MSP2.0軟件平臺(tái)上進(jìn)行，其處理流程為：數(shù)據(jù)預(yù)處理→頻譜分析→直達(dá)波求取→反射波提取→速度分析→深度偏移→界面提取。

深度偏移處理為MSP處理的核心部分，在給定速度模型的條件將來(lái)自前方介質(zhì)的反射能量偏移歸位至空間點(diǎn)上，以此成果圖件為基礎(chǔ)提取取巷道前方反射界面，根據(jù)速度譜同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖性情況，進(jìn)一步根據(jù)以往探測(cè)的驗(yàn)證結(jié)果，根據(jù)以往地面地震資料，取綜合速度為3.15m/ms進(jìn)行偏移處理速度。

3 初次處理與重新處理解釋對(duì)比

對(duì)于霄云礦的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次處理，初次處理是由于霄云礦復(fù)雜的地質(zhì)條件，在地震波速度不準(zhǔn)確的前提下進(jìn)行的處理，其地震波速選取對(duì)斷層界面位置的解釋產(chǎn)生了較大的影響，重新處理是在井下實(shí)測(cè)，通過(guò)掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法對(duì)速度進(jìn)行校正，重新處理得到的結(jié)果與實(shí)際揭露情況基本吻合。

3.1 霄云礦1302工作面皮帶順槽處理解釋對(duì)比

初次解釋由于是根據(jù)以往地面地震資料，取綜合速度為3.15m/ms進(jìn)行偏移處理速度。所以解釋的成果見圖3。

我們可以看出解釋的霄云礦1302工作面皮帶順槽有4個(gè)構(gòu)造，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)的斷層見圖4。

圖3 縱波超前探測(cè)界面提取圖

圖4 實(shí)際揭露斷層與預(yù)測(cè)斷層顯示圖

圖3中的R1、R2、R3、R4為解釋的構(gòu)造，圖4中的A1為實(shí)際掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)的斷層?？梢钥闯觯忉尪嗔巳齻€(gè)，解釋的R4即為實(shí)際掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)的斷層A1，在其范圍內(nèi)，這是霄云礦1302工作面皮帶順槽初次解釋成果。

重新解釋成果進(jìn)行了多次有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)霄云煤礦1302工作面皮帶順槽進(jìn)行了綜合的速度分析，通過(guò)掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法對(duì)速度進(jìn)行校正，得出對(duì)于1302工作面皮帶順槽取綜合速度為2.8m/ms進(jìn)行偏移處理速度最為合理，解釋成果見圖5。

可以看出采取正確的煤層速度后，經(jīng)過(guò)處理和解釋，與實(shí)際揭露狀況吻合。

3.2 霄云礦1302工作面軌道順槽處理解釋對(duì)比

初次解釋根據(jù)以往地面地震資料，取綜合速度為3.15m/ms進(jìn)行偏移處理速度，解釋的成果見圖6。

我們可以看出解釋的霄云礦1302工作面皮帶順槽有4個(gè)構(gòu)造，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)的斷層見圖7。

圖5 超前探測(cè)重新解釋成果圖

圖6 縱波超前探測(cè)界面提取圖

圖7 實(shí)際揭露斷層與預(yù)測(cè)斷層顯示圖

圖6中的R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7為解釋的構(gòu)造，圖7中的B1為實(shí)際掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)的斷層?？梢钥闯觯忉尩腞4即為實(shí)際掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)的斷層B1，在其范圍內(nèi)，這是霄云礦1302工作面軌道順槽初次解釋成果。

重新解釋成果進(jìn)行了多次有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)霄云煤礦1302工作面皮帶順槽進(jìn)行掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法選取速度，得出對(duì)于1302工作面皮帶順槽取綜合速度為2.9m/ms進(jìn)行偏移處理速度最為合理，解釋成果見圖8。

圖8 超前探測(cè)重新解釋成果圖

通過(guò)以上兩個(gè)例子可以看出采取準(zhǔn)確的煤層速度對(duì)超前探測(cè)的處理與解釋的重要性，能夠?yàn)槲覀兊陌踩a(chǎn)更好的服務(wù)。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)霄云礦的兩個(gè)具體實(shí)例表明速度參數(shù)的選取對(duì)斷層界面位置的解釋極為重要，速度的準(zhǔn)確性決定著超前探的正確性。霄云礦1302工作面皮帶順槽與霄云礦1302工作面軌道順槽根據(jù)掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法對(duì)先前選取的速度參數(shù)進(jìn)行了修正，分別由3.15m/ms修正為2.8m/ms和由3.15m/ms修正為2.9m/ms，根據(jù)修正后的速度參數(shù)進(jìn)行后續(xù)處理，得到的結(jié)果與實(shí)際揭露結(jié)果吻合，說(shuō)明利用掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法選取的速度參數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性，是可行的。

2）通過(guò)掃描速度譜與偏移速度建模相結(jié)合的方法選取速度參數(shù)能夠有效地提高巷道前方復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的探查能力，但同時(shí)也要意識(shí)到煤礦巷道超前探查涉及的技術(shù)原理較多，相對(duì)復(fù)雜，只有結(jié)合實(shí)際情況，長(zhǎng)期研究總結(jié)才能不斷完善。

［1］趙永貴，劉浩，孫宇，等.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2003，18（3）：460－464.

［2］劉志剛，劉秀峰.TSP（隧道地震勘探）在隧道隧洞超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（8）：1 399－1402.

［3］李振春.共中心點(diǎn)道集偏移速度分析［J］.石油物探［J］.39（1）：20－26.

［4］Maekay S，Abrna R.Imaging and velocity estimation with depth focusing analysis［J］.Geophysics，1992，57（12）：1608－1622.

［5］AI Yahya K.Velocity analysis by iterative profile migration［J］.Geophysics，1989，54（6）：718－729.

［6］張平松，劉盛東，吳健生.坑道掘進(jìn)空間反射波超前探測(cè)技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（8）：1331－1335.

Voltage factors of seismic advanced exploration structure of coal roadway

DAI Shi－xin1，WANG Xun－dong2，XIE Qiang3
（1.Hunan Province Key Laboratory of Coal Resources Clean－Utilization and Mine Environment Protection，Hunan Science and technology University，Xiangtan 411201，China；2.Jining Mining Group Xiaoyun Resources Development Co.，Ltd.，Jining 272213，China；3.Zhong Kuang Long Ke Energy Technology（Beijing）Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

Advanced detection of seismic waves is more advanced geologic prediction technique at present，however，the accuracy is a controversial issue，the research results show that the accuracy of advanced detection of seismic waves depends on the speed selection，because the first time to adopt speed is built on three－dimensional seismic survey，speed selection has certain error，lead to inaccurate interpretation of the fault.Through the combination of scanning speed spectrum and migration velocity modeling，the second processing corrects the parameters of the speed according to the first processing，the results coincide with the actual results.Therefore，adopting the correction parameters of the speed becomes particularly important for improving the accuracy of seismic exploration according to the combination of scanning speed spectrum and migration velocity modeling.

advanced detection；seismic wave；fault；speed

戴世鑫（1983－），男，山東青島人，講師，從事煤田勘探方面研究。Email：hnkjdsx＠126.com。

P631.4

A

1004－4051（2015）09－098－04

2014－11－27

湖南教育廳科研項(xiàng)目資助（編號(hào)：B31322）；湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助（編號(hào)：E21421）；湖南科技大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助（編號(hào)：E51390）；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號(hào)：201410534003）