礦井多波多分量地震方法與試驗(yàn)

劉盛東，章 俊，李純陽,王 勃，金 標(biāo)，劉金鎖

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202)

中國的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)“富煤、貧油、少氣”在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變[1]，預(yù)計(jì)到2030年煤炭占能源需求占比仍將超過50%[2]。“精準(zhǔn)開采”技術(shù)[3]與“透明開采”技術(shù)[4]提出，無人(少人)工作面智能開采將提高煤炭安全開采水平、資源開發(fā)效率，以實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)由勞動(dòng)密集型向具有高科技特點(diǎn)的技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。中國的含煤地層特征、地質(zhì)構(gòu)造模式和開采條件的復(fù)雜性嚴(yán)重制約著煤炭的高效安全生產(chǎn)[5]。具有透視功能的地球物理勘探是實(shí)現(xiàn)煤炭“精準(zhǔn)、透明”開采的基礎(chǔ)支撐，是解決復(fù)雜煤層智能開采難題的主要途徑[3]。

隨著采集技術(shù)與處理技術(shù)的發(fā)展，多波多分量地震勘探成為可能，并在近些年得以迅速發(fā)展[6]。其在考慮地震波場矢量傳播性的基礎(chǔ)上，利用多分量檢波器代替單分量檢波器來進(jìn)行全波場信號(hào)的接收，以達(dá)到地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)探測和巖性解釋的目的[7]。近年來，礦井地震作為礦井物探的重要分支，得到較快發(fā)展與應(yīng)用。張平松[8]、沈鴻雁[9]、楊思通[10]等進(jìn)行了基于反射波的巷道地震超前探測技術(shù)的研究，為解決巷道掘進(jìn)前方隱伏地質(zhì)構(gòu)造問題提供指導(dǎo);楊真[11]、姬廣忠[12]、馮磊[13]等研究煤層槽波特征，為解決工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)構(gòu)造問題提供指導(dǎo)。但是，目前礦井地震大多停留在單分量接收、單種波型的勘探上，礦井多波多分量地震勘探技術(shù)仍處在發(fā)展初期，王勃[14]于2012年將多波多分量地震引入巷道反射波超前探測中，形成的極化偏移成像法可消除成像假象，提高成像精度。

在礦井全空間效應(yīng)下，地震波場極復(fù)雜，縱橫波、槽波、面波常相伴而生，同時(shí)來自空間多方向的地震波混疊，只利用單一類型波進(jìn)行無方向性的成像難以滿足當(dāng)前礦井地震勘探的需求。筆者提出基于地震波偏振特性的礦井多波多分量地震成像方法，以實(shí)現(xiàn)井下全空間的多波成像，提高礦井地震勘探的精度。

1 礦井地震波

礦井全空間下波場復(fù)雜，常見地震波類型主要有在巖層中傳播的體波(P波和S波)，束縛在煤層中的槽波(勒夫型和瑞利型)、巷道自由表面的面波和巷道空氣聲波等。在礦井地質(zhì)構(gòu)造探測中，反射體波和槽波均可認(rèn)為是有效波，利用其進(jìn)行成像以達(dá)到構(gòu)造探測的目的。槽波僅在煤層中產(chǎn)生與傳播，攜帶了大量煤層信息，被認(rèn)為是煤層構(gòu)造探測的專用地震波。在反射槽波勘探中通常利用水平振動(dòng)的勒夫型槽波，此時(shí)反射體波及瑞利型槽波均會(huì)影響成像質(zhì)量。然而當(dāng)斷層落差大于煤厚時(shí)，槽波傳播受影響甚至中斷消失，當(dāng)斷層在巷道附近分布時(shí)，反射槽波探測距離受限，但體波理論上無此限制。

利用有限差分法數(shù)值模擬礦井地震波場[15]，建立三維地質(zhì)模型。如圖1(a)所示，煤厚5 m，Z坐標(biāo)100 m為煤層中心面，煤層頂、底板屬性對稱，煤層面受采空區(qū)和斷層約束;如圖1(b)所示，煤層巷道為4 m×4 m×240 m，點(diǎn)震源(150,98,100)在煤層巷道N側(cè)幫，巷道SN兩側(cè)分別布置11個(gè)三分量檢波器。圖2為點(diǎn)源起爆后60 ms時(shí)刻煤層中心面(XOY面)的三分量波場快照。由圖2可以看出，強(qiáng)能量的煤層槽波被約束在采空區(qū)、斷層邊界與巷道空間的煤層內(nèi)，特征明顯;縱波、橫波及其槽波的轉(zhuǎn)換體波透過圍巖與采空區(qū)邊界繼續(xù)向前轉(zhuǎn)播;巷道內(nèi)空氣聲波、巷道面波約束在狹長的巷道空間，在不同分量記錄上存在差異。在同一煤層巷道中進(jìn)行激發(fā)接收時(shí)，槽波與聲波能量較強(qiáng)，可以看到不同方向的近程反射槽波，反射體波存在于直達(dá)槽波窗口內(nèi)，形成混疊;聲波束縛在巷道內(nèi)混響傳播，部分信號(hào)在巷道面會(huì)轉(zhuǎn)換成干擾體波，遠(yuǎn)程的反射體波、槽波將會(huì)被其淹沒。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model diagram

圖2 三分量在XOY面投影的波場快照(T=60 ms)Fig.2 Wave field snapshots of XOY plane of three-component

實(shí)際礦井巷道及煤層地質(zhì)條件下，存在非均勻?qū)ΨQ的煤層及其煤層頂、底板巖性組合，斷層、陷落柱及其采空區(qū)不均勻分布，波場更復(fù)雜，圖3為礦井現(xiàn)場三分量原始記錄，可以看出現(xiàn)場不同分量信號(hào)存在差異，同一種信號(hào)在不同分量上均有所體現(xiàn)。其中可以看出Y分量槽波及體波反射較為清晰，其他兩個(gè)分量受巷道聲波影響，反射槽波不清晰。同時(shí)部分反射體波與槽波混疊，難以分辨。由此可見，礦井地震勘探中，若只采用單分量接收地震波場，按照既定的體波或槽波勘探處理流程進(jìn)行單一的波型處理解釋，難以避免出現(xiàn)“指鹿為馬”的現(xiàn)象，導(dǎo)致誤判率增高。因此，在實(shí)際的礦井地震勘探中，至少采用三分量地震記錄，接收全波場，按照波的類型和激發(fā)、接收與成像點(diǎn)的3者關(guān)系，根據(jù)勘探需求與地質(zhì)條件提取不同波型，進(jìn)行多波成像，相互補(bǔ)充與驗(yàn)證，以提高礦井地震成像的可靠性和成像精度。

圖3 礦井現(xiàn)場三分量原始記錄(AGC)Fig.3 Original three-component records of mine (AGC)

2 礦井多波多分量地震方法

多波多分量地震的基礎(chǔ)在于不同波場信號(hào)的分離與提取，主要有兩類方法:一為基于地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的τ-p變換法和FK變換法等;二為基于地震波動(dòng)力學(xué)偏振特性的極化濾波方法。筆者利用基于Hilbert變換的時(shí)間域自適應(yīng)極化分析方法，在礦井地震數(shù)據(jù)散射偏移過程中集成極化方向?yàn)V波方法，形成極化波場分離一體的礦井多波多分量地震勘探方法。

2.1 基于Hilbert變換的自適應(yīng)瞬時(shí)極化分析方法[16-17]

(1)在時(shí)間t附近的信號(hào)可以利用解析信號(hào)ci(t)近似表達(dá)，即

|ci(t)|cos(Ωi(t)τ+argci(t))

式中，k,m=(x,y,z)，平均值ukm可寫成

R[ck(t)]sinc[Tkm(t)Ωk(t)/2]

式中，R表示復(fù)數(shù)實(shí)部;

式中，N用于刻畫不同極化屬性，N取較大值時(shí)可刻畫三維復(fù)雜極化屬性。

(2)偏振系數(shù)

T的范圍為(0,1)，T=1時(shí)表現(xiàn)完全線性極化特性，T=0時(shí)表現(xiàn)橢球極化特性。

(4)傾角特征參數(shù)

2.2 散射極化偏移

散射波的定義廣泛，根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，任何由地質(zhì)三維空間的非均勻性造成的地震波的變化均可以被稱作地震散射波。故可將地質(zhì)三維體理解成由無數(shù)個(gè)散射點(diǎn)構(gòu)成，入射波在散射點(diǎn)位置產(chǎn)生擾動(dòng)，形成新的震源。在進(jìn)行散射偏移時(shí)將探測空間網(wǎng)格化，將離散網(wǎng)格看作散射點(diǎn)，基于克希霍夫積分偏移方法，根據(jù)炮檢對與散射點(diǎn)空間關(guān)系將相應(yīng)旅行時(shí)刻ti的振幅，進(jìn)行傾斜因子、擴(kuò)散因子和濾波整形因子的校正后進(jìn)行繞射求和，形成該散射點(diǎn)處的振幅。

圖4 三維散射極化偏移示意Fig.4 3D scattering polarization migration diagram

通過上述步驟便完成了礦井多波多分量的散射偏移成像，該方法將窗口自適應(yīng)的極化濾波方法集成于克希霍夫積分求和中，極化濾波函數(shù)隨空間成像點(diǎn)實(shí)時(shí)變化，具有方向性，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空間任一點(diǎn)的多波成像。

3 試驗(yàn)情況

3.1 巖石巷道多波成像試驗(yàn)

礦井永久大巷、瓦斯預(yù)抽巷一般都布置在煤層頂?shù)装?，在無煤層的情況下，槽波勘探無法進(jìn)行，只能利用體波進(jìn)行地震勘探，利用三分量地震信號(hào)進(jìn)行縱、橫波成像。某礦首采工作面設(shè)計(jì)位于西翼回風(fēng)大巷北部區(qū)域，其地質(zhì)情況不明，首采工作面區(qū)域地表為露天采煤矸石堆放區(qū)，無三維地震勘探條件，同時(shí)由于尚未揭露煤層，亦無槽波勘探條件。故利用回風(fēng)大巷及輔運(yùn)大巷對其北側(cè)區(qū)域進(jìn)行地震構(gòu)造探測，炮線布置于回風(fēng)大巷，三分量檢波器布置于輔運(yùn)大巷，水平分量X,Y分別平行和垂直于巷道走向，Z分量垂直于頂?shù)装宸较?。試?yàn)布置50個(gè)三分量檢波器接收，64炮激發(fā)，采用惠洲院YZD11礦井槽波地震電法分布式采集系統(tǒng)，具有自存儲(chǔ)基站，道數(shù)無限擴(kuò)展，滿足此試驗(yàn)多道地震數(shù)據(jù)采集。

圖5 2種體波成像剖面Fig.5 Two kinds of body wave imaging profile

在對記錄進(jìn)行去噪、一致性校正、擴(kuò)散補(bǔ)償后進(jìn)行多波散射偏移成像，當(dāng)進(jìn)行某種波成像時(shí)，根據(jù)其振動(dòng)方向設(shè)計(jì)相應(yīng)濾波器，可達(dá)到壓制其他干擾波的作用，三維偏移成像結(jié)果如圖5(a)所示。由于設(shè)計(jì)的首采工作面煤層傾角為15°，故對三維成像體沿15°傾角進(jìn)行切片，分別獲取此方向上的P波和S波的成像剖面，具體如圖5(b),(c)所示。圖5(b),(c)可以看出兩種剖面的成像區(qū)域不受測線約束，可達(dá)到測線以外區(qū)域成像的目的，P波偏移剖面與S波偏移剖面整體一致性較好，在開拓巷道位置均呈現(xiàn)強(qiáng)反射特征，在回風(fēng)巷以北的探測目標(biāo)區(qū)域中發(fā)現(xiàn)2處明顯較強(qiáng)反射特征區(qū)域(圖中紅色虛線區(qū)域)。

3.2 煤層巷道多波成像試驗(yàn)

在煤巷進(jìn)行地震勘探，通常存在槽波及體波，槽波在傳統(tǒng)單分量或者兩分量觀測下難以被分離提取，只有在三分量采集的情況下，才能進(jìn)行體波、槽波的分離并成像。某礦東南采區(qū)地面勘探資料顯示可能存在多條斷層，需查明斷層分布以指導(dǎo)工作面的設(shè)計(jì)與布置。試驗(yàn)于采區(qū)總回風(fēng)巷煤層布置炮孔，檢波點(diǎn)采用在煤層、頂板各布置1個(gè)三分量檢波器，這樣將接收到反射槽波與反射體波，以避免單純槽波勘探的距離受限問題。采集設(shè)備采用惠洲院YZD11礦井槽波地震電法分布式采集系統(tǒng)。

對現(xiàn)場數(shù)據(jù)沿著煤層傾角方向進(jìn)行不同波的偏移成像，在進(jìn)行反射槽波成像時(shí)，有效波主要以勒夫型槽波為主，根據(jù)勒夫型槽波極化屬性設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行偏移成像，結(jié)果如圖6所示，可以看到淺部存在較強(qiáng)反射槽波能量，根據(jù)鉆探驗(yàn)證此2處存在兩處斷層(回風(fēng)-1和回風(fēng)-2)，同時(shí)與膠帶延長巷道揭露斷層76-1位置吻合，而深部區(qū)域無明顯能量，這是因?yàn)樵跍\部斷層落差大的情況下，槽波的傳播將受影響，繼而影響深部探測。此時(shí)可進(jìn)行反射體波成像，體波沿著煤層頂?shù)装鍌鞑ィ皇芟抻诿簩拥倪B續(xù)性，由于P波信號(hào)弱且有效窗口小，故采用S波進(jìn)行偏移成像，其結(jié)果如圖7所示，在淺部同樣存在較強(qiáng)反射波能量，與槽波偏移結(jié)果較吻合，符合實(shí)際驗(yàn)證情況;剖面深部存在多處強(qiáng)反射區(qū)，在膠帶延長巷后續(xù)施工中揭露斷層76-2(揭露點(diǎn)位于剖面深度400 m處);其余位置仍有待進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際揭露來驗(yàn)證其屬性。由此可見體波槽波聯(lián)合勘探可解決在存在斷層時(shí)，槽波探測距離受限的問題。

圖7 反射S波偏移成像Fig.7 Migration imaging of reflected S wave

4 結(jié) 論

(1)礦井地震波場復(fù)雜，礦井地震勘探中應(yīng)接收全波場，根據(jù)勘探需求與地質(zhì)條件提取不同波型進(jìn)行成像，相互補(bǔ)充與驗(yàn)證，以提高礦井地震成像的精度。槽波勘探建議采用三分量接收，理想情況下，采用煤層三分量和頂板三分量同時(shí)接收，形成槽波、體波六分量記錄，作為槽波、體波聯(lián)合勘探的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)基于Hilbert瞬時(shí)時(shí)窗的極化分析方法使得時(shí)窗的選取工作自適應(yīng)化，提高了極化參數(shù)的準(zhǔn)確度，由此可獲得精確的極化特征參數(shù);散射極化偏移方法基于散射波理論，理論上可實(shí)現(xiàn)空間任一點(diǎn)的探測;同時(shí)此偏移方法可為空間任一點(diǎn)提供相應(yīng)的極化濾波函數(shù)，使得極化濾波工作動(dòng)態(tài)化，由此可實(shí)現(xiàn)在空間任一點(diǎn)處的多波成像，使得礦井多波多分量地震探測得以實(shí)現(xiàn)。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，在無煤層巷道的情況中，利用此方法可進(jìn)行縱波和橫波的分離成像，結(jié)果剖面吻合度高，多波的成像相互對比與驗(yàn)證將有助于提高探測準(zhǔn)確度;同時(shí)其探測區(qū)域空間位置不受地震測線的約束，可實(shí)現(xiàn)測線范圍外的地震探測，適合礦井復(fù)雜施工環(huán)境。在有煤層巷道的情況中，利用此方法可做到槽波與體波的分離，從而進(jìn)行多波成像，可解決在存在斷層時(shí)，槽波探測距離受限的問題。