反射槽波探測采空巷道的實驗與方法

王 季

(中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西西安 710077)

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反射槽波探測采空巷道的實驗與方法

王 季

(中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西西安 710077)

摘 要:對利用反射槽波探測工作面內異常構造展開實驗研究,針對實際井下地震數(shù)據(jù)中反射槽波受直達槽波與其他波場干擾嚴重的問題,提出了基于最小平方反褶積的反射槽波增強算法和基于徑向道變換的方法壓制直達槽波與巷道聲波,并用繞射偏移的方法獲得工作面內巷道的成像結果。實驗結果表明:槽波傳播過程中遇采空巷道能夠產生較強的反射槽波,通過處理可獲得采空巷道的成像結果;反射槽波的傳播距離可達360 m以上,探測距離可達200 m以上。

關鍵詞:反射槽波;超前探測;采空巷道;井下地震勘探

責任編輯:韓晉平

王 季.反射槽波探測采空巷道的實驗與方法[J].煤炭學報,2015,40(8):1879-1885.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1712

利用井下地震反射波探測巷道掘進工作面前方的異常地質構造一直是煤礦井下超前探測方法中的重點和難點之一。與目前常用的直流電法和瞬變電磁超前探測法相比,井下地震反射波法具有探測距離遠、目標類型多、分辨率高、不受鐵磁干擾等優(yōu)點。然而,煤礦井下彈性波的波場成分十分復雜,地震反射波通常會淹沒在后至的其他波場以及相干噪聲中。因此井下地震反射波法的技術難度較大,阻礙了該方法的應用與推廣。

礦井地震波超前預測[1]( mine seismic prediction,MSP)是劉盛東等借鑒在隧道工程領域中使用的隧道地震超前預報(tunnel seismic prediction, TSP)、真反射層析成像(true reflection tomography, TRT)等技術[2]提出的可用于煤礦巷道超前探測的方法。該方法從井下地震波場中分離出傳播速度最快的反射P波,并采用偏移成像技術探測異常構造。

與MSP不同,反射槽波法主要利用在煤層中傳播的槽波遭遇構造后產生的反射槽波來探測巷道前方異常構造的發(fā)育情況。由于槽波僅在煤層中轉播,且能量強、速度低、并具有頻散性。因此反射槽波探測的處理方法與MSP有很大差別。首先直達槽波對反射槽波的影響很大,頻散性使槽波具有較長的波列,從而使反射槽波淹沒在直達槽波的續(xù)至波列中。因此需要壓縮槽波波列以增強反射槽波。其次,槽波沒有明顯的同相軸,無法直接疊加成像,而是在煤層所在的平面內采用繞射偏移的方法對反射點成像。

煤礦反射槽波探測斷層的試驗最早由Mason和Buchanan等于20世紀70年代末在英國Pye Hill煤礦開展,并提出了延遲求和方法對斷層成像[3]。Buchanan隨后又提出了動態(tài)道集疊加[4]和自適應延遲求和[5]對成像方法進行改進。Elsen和Schott等于20世紀80年代末和90年代初在德國的Rheinland Pattberg和Minister Stein等多個煤礦內開展了反射槽波試驗,并采用極化濾波與包絡疊加的方法成像[6]。2007年,Hu和McMechan等將逆時偏移技術引入了反射槽波,用模型數(shù)據(jù)對反射槽波成像進行了新的嘗試[7]。中國的槽波勘探以透射法為主,利用透射槽波速度與能量的差異對已形成的工作面進行層析成像,從而探測工作面內部的異常構造[8-9]。對于反射槽波探測,目前國內尚未見公開的案例發(fā)表。

筆者以實際采集的井下地震波數(shù)據(jù)為研究對象,提出基于反褶積的反射槽波增強方法,以及基于徑向道變換的直達槽波壓制方法,并對巷道進行成像,從而達到利用反射槽波法探測采空巷道的目的。

1 反射槽波探測原理

當震源在煤層中激發(fā)時,由于煤層相對于頂?shù)装鍑鷰r是一個低速層,大部分彈性波將由于頂?shù)装褰缑骈g的多次反射而被禁錮在煤層中,相互疊加干涉,從而形成槽波[10],如圖1所示。

圖1　槽波的形成與傳播過程示意Fig.1 Formation and propagation of the in-seam wave

槽波在巷道內被激發(fā)時將沿煤層傳播,當遭遇到斷層等具有波阻差異的構造時,小部分的槽波會發(fā)生反射,而被與震源在用一條巷道內的檢波器接收到,如圖2所示。

圖2　反射槽波的傳播過程示意Fig.2 Propagation of the reflected in-seam wave

由檢波器接收的井下地震數(shù)據(jù)中包含多種波場成分。首先到達的是速度最快的折射縱波,隨后到達的是折射橫波,在此之后是直達槽波,最后是聲波。一般情況下,反射槽波的傳播路徑比直達槽波長,因此反射槽波的到時要晚于直達槽波。由于直達槽波能量很強且具有較長的波列,使得反射槽波被直達槽波掩蓋,為了利用反射槽波探測異常構造,首先需要將反射槽波增強。

2 基于反褶積的反射槽波增強

槽波由于頻散而使波列變長,因此增強槽波的方法大多是圍繞著消除頻散現(xiàn)象而提出的,其主要思想是先求出槽波的相速度頻散曲線,再設計一個純相位濾波器,通過濾波消除或削弱槽波的頻散效應,“使頻散變頻長波列再壓縮到一個較短促的脈沖”[11-12]。然而,實際數(shù)據(jù)中的槽波由于在被采集之前已經(jīng)歷了多個帶限系統(tǒng)的濾波,且受到了隨機噪聲的干擾,其頻散曲線與理論值已有很大差異,通常情況下很難從中提取出有效的相速度頻散曲線。另一方面,純相位濾波器對頻散曲線的準確性以及數(shù)據(jù)質量要求都很高。依據(jù)頻散曲線構建純相位濾波器的方法對采集條件惡劣的實際井下數(shù)據(jù)效果并不理想。

為了使算法具有極高的魯棒性并能適應工程探測的需要,筆者采用最小平方反褶積的方法壓縮直達槽波,增強反射槽波。假設采集得到的槽波數(shù)據(jù)為d(t),可以看作是震源信號s(t)經(jīng)過傳播時延后,與具有頻散性的濾波器f(τ)褶積再與噪聲e(t)混合的結果。

式中,x為槽波的傳播距離;vg為槽波的群速度。

反褶積的目的就是尋找一個反濾波器g(τ),使d(t)經(jīng)過g(τ)的濾波后,盡量削弱頻散并接近于s′(t)。在L2范式下,就是使d(t)與g(τ)的褶積結果與s′(t)的誤差平方和最小,即

由式(3)可得到

式中,N為反濾波器g(τ)的長度;rdd為d(t)的自相關;rds為d(t)與s(t)的互相關。

將式(4)寫成矩陣形式,有

式中,矩陣A為由觀測信號d (t)的自相關函數(shù)rdd(n)得到的自相關矩陣,具有Toeplitz矩陣的形式, 即

向量g為反濾波器g(τ)的向量形式;向量b為觀測信號d(t)與s′(t)的互相關,即

直接求解方程(5),可得到反濾波器g,并用它對觀測信號d濾波,就可以得到反褶積后的信號。

在處理實際數(shù)據(jù)時,逐道選取觀測信號d(t),并求出自相關矩陣A。震源信號s(t)用最小偏移距的數(shù)據(jù)代替,加上相位時延后得到與d(t)的互相關函數(shù)b,然后由式(8)求得反褶積后的信號。

3 直達槽波的壓制

經(jīng)過反褶積后的井下地震信號,其中的直達槽波成分變得更加集中。為了降低直達槽波對成像的影響,需要對其能量進行壓制。地面地震和TSP中實現(xiàn)波場分離的常用方法是通過FK變換或τ-p變換,將地震信號轉換到FK域或τ-p域,再利用直達波與反射波在視速度上的差異,將直達波從中切除,然后再變換回t-x域。由于P波沒有頻散且頻率較低,因此有明顯的同相軸。采用FK或τ-p濾波法能夠有效消除直達P波[13]。然而在井下地震數(shù)據(jù)中,槽波頻帶范圍寬且具有頻散性,使得直達槽波表現(xiàn)為能量團的形式。能量團中的同相軸雜亂,采用FK濾波或τ-p濾波等基于速度的濾波方法無法有效消除槽波能量團。另一方面,由于震源是在巷道內激發(fā)的,震源產生的聲波在密封的巷道內能量很強,頻率成分復雜。因此需要采取一種有效的方法同時壓制直達槽波與聲波的能量,突出反射槽波成分。

筆者采用徑向道變換的方法壓制直達槽波和聲波。徑向道變換將地震道集振幅值從旅行時-偏移距坐標系(t-x域)變換到視速度-偏移距坐標系(v-x 域)[14-15]。在v-x域內,速度低的聲波頻率提高,速度高的直達槽波頻率降低,視速度在二者之間反射槽波頻率變化不大。因此在v-x域進行帶通濾波,再變換回t-x域就可以有效壓制直達槽波和聲波。

4 反射槽波的偏移成像

槽波的波動方程比較復雜,目前僅有Hu和Mc-Mechan等開展了將逆時偏移技術應用于槽波的嘗試。除此以外,尚沒有基于波動方程的偏移方法被提出或使用。目前的反射槽波偏移成像方法仍是基于射線理論的,以繞射偏移法為主。

由于槽波僅在煤層中傳播,因此槽波的繞射偏移成像一般在煤層所近似的平面內完成。設P(x,y)為平面內一點,則該點上的疊加振幅為

式中,N為總炮數(shù);M為檢波器數(shù);A(tij)為第i個炮集中第j道信號在tij時刻的瞬時振幅;rij為P(x,y)點到第i個震源點和第j個接收點的距離的和。

瞬時振幅可由Hilbert變換求出。對于某道數(shù)據(jù)d(t),其瞬時振幅A(t)為

在成像的過程中,可以根據(jù)探測目標的先驗知識對式(9)中的瞬時振幅加權。比如如果預先知道斷層的大致走向,則可通過成像點、震源點、檢波點的三角關系求出反射面的方位角,由反射面方位角與預計斷層方位角的差構成權系數(shù),在式(9)中對瞬時振幅加權求和。通過這種方法能夠減少其他波場與噪聲的影響,提高特定走向異常構造的成像質量。

5 探測實驗

為了驗證本文方法的有效性,筆者在山西朔州大恒煤業(yè)41108工作面的回風巷道內開展了反射槽波實驗,目的是檢驗能否獲得在回風巷煤壁內激發(fā),沿煤層轉播至相距200 m的運輸巷后,重新反射回回風巷道的反射槽波,以及能否用反射槽波對運輸巷進行成像。

41108工作面寬200 m,推進長度790 m,煤層起伏平緩,平均煤厚10.6 m。運輸巷與回風巷均沿煤層底板掘進。探測施工時,將橫波檢波器安裝在回風巷側幫上,道間距10 m,共60道。震源由200 g硝銨炸藥激發(fā),炮孔深度2 m,安裝炸藥后孔口用炮泥封堵,炮間距30 m,共19炮。炮點和檢波點盡量靠近巷道頂部。由于巷道沿底板掘進,巷道頂基本位于煤層1/4煤厚位置處。地震儀選用YTZ3型礦井防爆地震儀,采樣率2 kHz。

采集到的原始單炮數(shù)據(jù)如圖3所示,分別為第1、第16、第19炮數(shù)據(jù)。可以看出直達槽波與聲波能量較強,反射槽波不明顯。

圖4為采用本文所提反褶積方法處理后的結果,可以看出直達槽波得到了一定程度的壓縮。同時被壓縮的還有一組波,如圖中紅色箭頭所示。圖5為根據(jù)炮點與接收點坐標繪制的直達波與反射波時距曲線,其中藍色線條是速度為1 250 m/ s的波從炮點出發(fā)直接傳播至接收點所用的時間;紅色線條是假定工作面內部在距離回風巷200 m處有一個與回風巷平行的反射面存在,則速度同為1 250 m/ s的波由炮點出發(fā),在反射面發(fā)生反射,再被接收點接收到所用的時間。藍色線條與直達槽波吻合,說明槽波速度為1 250 m/ s左右;紅色線條與圖4中箭頭所指波列也基本吻合,由此可以推斷出該組波很有可能是槽波在距離回風巷200 m處的運輸巷發(fā)生反射而產生的反射槽波。

圖3　原始數(shù)據(jù)Fig.3 Original data

圖4　反褶積后結果Fig.4 Results of deconvolutions

圖5　時距曲線與實際數(shù)據(jù)對比Fig.5 Contrasting of time-distance curves and real data

為了進一步推斷該組波是否為反射槽波,筆者對其進行了頻散分析。首先選取在運輸巷放炮并在回風巷接收所得到的透射槽波數(shù)據(jù),如圖6(a)所示。圖6(b)是由多次濾波法[11]求出的透射槽波速度頻率譜。41108工作面煤厚10.6 m,煤層橫波速度1 300 m/ s、密度1.6 g/ cm3,圍巖橫波速度2 300 m/ s、密度2.2 g/ cm3。根據(jù)這些巖性參數(shù),正演得到Love型槽波的群速度頻散曲線如圖6(b)中黑色線條所示。從圖6(b)可以看出:群速度頻散曲線的正演結果與由實際數(shù)據(jù)求得的速度頻率譜較為吻合;受檢波器接收頻段以及檢波器安裝位置的限制,所采集到的透射槽波主要為Love型的1階振型,其主頻為150 Hz,Airy相速度約為1 250 m/ s,基階振型較弱,2階振型稍強。從圖3所示的第1炮數(shù)據(jù)中將直達槽波和聲波切除,僅保留需要研究的那組波,所得結果如圖6(c)所示?，F(xiàn)假定工作面內部在距離回風巷200 m處有一個與回風巷平行的反射面存在,由此確定每一道數(shù)據(jù)所對應的傳播路徑長度,再由多次濾波法獲得這組波的速度頻率譜。所得到的速度頻率譜及其與Love型槽波頻散曲線的對應關系如圖6(d)所示。通過比較圖6(b)與圖6(d)可以看出:這組波具有與透射槽波相似的主頻和Ariy相速度。因此,可以認為這組波就是距離回風巷200 m處的運輸巷的反射槽波。

圖6　透射槽波與反射槽波群速度頻散曲線對比Fig.6 Contrasting of dispersion curves of transmitted and reflected in-seam waves

仿照大恒煤業(yè)41108工作面的地質情況與物性參數(shù),筆者建立了三維數(shù)值模型。模型大小為X方向800 m,Y方向400 m,Z方向30 m。模型分為3 層,頂板圍巖、煤層、底板圍巖的物性參數(shù),以及煤厚等均與41108工作面的參數(shù)相同。模型中存在2條相距200 m的巷道,并在一條巷道內布置炮點和檢波點,檢波點間距同樣為10 m。選擇實際數(shù)據(jù)中第16炮的炮點位置為震源的激發(fā)位置,震源采用雷克子波,主頻為120 Hz。圖7(a)是得到的彈性波數(shù)值模擬的Y分量記錄,其速度頻散譜如圖7(b)所示。經(jīng)過反褶積后的數(shù)據(jù)以及反射槽波的速度頻散譜如圖7(c),(d)所示。從圖7中紅色圓圈可以看出,反褶積使直達槽波和反射槽波的波列變短,相位一致性增強。從速度頻率譜的變化也可以看出,反褶積后反射槽波在速度頻散譜上的能量向各階振型的Ariy相位置處收斂,與圖6(b)中理論頻散曲線的Ariy相更接近了。這說明反褶積后反射槽波的頻散性減弱了,槽波的Ariy相更加突出。

經(jīng)過反褶積處理后,直達波的能量和一致性也得到了增強,這會對成像帶來嚴重干擾。圖8是利用徑向道變換法壓制直達槽波和聲波的結果圖。其中圖8(a)是第1炮反褶積后結果,圖8(b)是將圖8(a)中數(shù)據(jù)用徑向道變換法由t-x域變換到v-x域的結果,可以看出在v-x域內速度低的聲波頻率提高,速度高的直達槽波頻率降低。選擇合適的參數(shù)進行帶通濾波后,再變換回t-x域,得到圖8(c)數(shù)據(jù),其中直達槽波與聲波得到了有效的壓制。

在壓制直達槽波的能量后,可利用本文方法對探測區(qū)域成像。首先建立一個X方向700 m,Y方向300 m的成像區(qū),然后對成像區(qū)內每一個點采用式(9)計算疊加振幅,偏移速度均取1 250 m/ s,同時按照入射角對疊加結果加權,就可以得到巷道的成像結果。圖9是成像結果與41108工作面礦圖的套疊圖,可以看出距離回風巷200 m處的較強能量條帶與運輸巷位置吻合。另外,實際回采過程中在圖中坐標(400,50)附近揭露出一個陷落柱,而在成像結果上該位置處也有一個能量較強的區(qū)域與之對應。然而由于直達槽波的波列經(jīng)過壓縮和振幅壓制以后仍然較長,能持續(xù)100 ms左右。因此認為距離回風巷道60 m以內的異常,包括這個與陷落柱對應的異常,可能只是直達槽波帶來的干擾。

圖7　反褶積前后的模擬數(shù)據(jù)及反射槽波速度頻率譜Fig.7 Seismograms and velocity-frequency spectrums of deconvolution of simulated reflected in-seam waves

圖8　徑向道變換與濾波結果Fig.8 Results of radial trace transform and filter

圖9　繞射偏移成像結果Fig.9 Results of diffract migration

6 結論與討論

(1)由實際井下實驗的結果可以看出,采空巷道可以產生反射槽波,可利用反射槽波探測同一煤層內采空區(qū)的位置和規(guī)模。另外,圖4中第19炮的第1道數(shù)據(jù)仍有較強的反射槽波,此位置處震源點距檢波器已超過600 m,兩條巷道相距200 m,則根據(jù)三角關系知槽波從發(fā)生反射到被檢波器接收,傳播距離超過了360 m。由此可見反射槽波具有很長的探測距離,特別適合大范圍內的構造探測。

(2)采空巷道的反射槽波經(jīng)過基于反褶積的增強方法處理之后,能量集中且與時距曲線吻合程度較高,具有很好的可疊加性,這為產生高質量的成像結果提供了基礎。比如本例中,可在繞射偏移法得到的成像結果中估計采空巷道走向,再根據(jù)地面地震方法重新抽道集,再經(jīng)過NMO、速度分析等操作,可疊加出高質量的成像結果。

(3)本次試驗所采集的反射槽波在遠道較強,而在近道很弱。這一現(xiàn)象在其他幾次反射槽波試驗中均有不同程度的表現(xiàn)。造成此現(xiàn)象的原因十分復雜,可簡單的將槽波看作是從震源出發(fā),在反射點發(fā)生反射后,再被檢波器接收到的一條射線。在反射面上,這條射線從高速的煤層中射向低速的采空巷道內的空氣中,其反射過程受到菲涅爾公式的約束,反射系數(shù)隨入射角的增大而增大,在與巷道垂直時最小,而在與巷道幾乎平行時最大。由于這個現(xiàn)象的存在,在設計反射槽波的觀測系統(tǒng)時應盡量保持一定的偏移距,這樣才能獲得較好的反射槽波數(shù)據(jù)。

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Wang Ji.Experiment and method of void roadway detection using reflected in-seam wave[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8): 1879-1885.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1712

Experiment and method of void roadway detection using reflected in-seam wave

WANG Ji

(Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group,Xi’an 710077,China)

Abstract:An experiment on using reflected in-seam wave to detect abnormal geological structure in a working face was conducted.To overcome the interference of direct in-seam wave and other types of waves to the reflected in-seam wave,an enhancement method was proposed based on the least squares deconvolution algorithm to focus the reflected in-seam wave.The radial trace transformation and filtering were used to suppress the direct wave and the sound wave.An image of a roadway in the tested working face was generated by diffract migration.The results show that the reflected in-seam wave can be generated when the propagating in-seam waves encounter with a void roadway and the roadway can be imaged after the data are processed.The propagation distance of the reflected inseam is over 360 m,and the detection range is over 200 m.

Key words:reflected in-seam wave;fore detecting;void roadway;underground seismic exploration

作者簡介:王 季(1977—),男,陜西西安人,副研究員。Tel:029-81778064,E-mail:wangji@ cctegxian.com

基金項目:國家科技重大專項資助項目(2011ZX05040-002);科技部科研院所技術開發(fā)研究專項資金資助項目(2013EG122200)

收稿日期:2014-12-09

中圖分類號:P631.4

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1879-07