煤矿槽波地震反射法偏移成像技术在霍宝干河矿的应用研究

贾 靖

(河北煤炭科学研究院,河北省邢台市,054000)

煤矿槽波地震反射法偏移成像技术在霍宝干河矿的应用研究

贾 靖

(河北煤炭科学研究院,河北省邢台市,054000)

本文以霍宝干河矿工作面槽波反射法为例,利用共中心点道集动校叠加和克希霍夫叠前时间偏移方法进行数据处理,并用属性分析进行验证,得出距离2-1121运输巷90～140 m范围存在近似平行巷道的两条断层,间距30 m,后经钻探验证,误差为±7 m,证明了槽波地震在井下超前探测构造方面的有效性并具有良好的应用前景.

槽波反射 属性分析 偏移成像 霍宝干河矿

面对我国多数煤田地质构造和开采条件复杂,构造类型多、发育广以及勘探任务重的生产实际,当前的物探手段难以满足井下采煤区小微构造的探测要求.在现有的构造勘查方法中,三维地震勘探虽可较为准确地解释落差较大断层(如5 m以上断层),但其精准度往往受地表复杂程度的影响,同时由于地震波高频成分受传播距离、层间多次波干扰等因素的影响,构造解释成果与采区生产要求的控制精度远远不相适应.在井下物探工作中,通常利用无线电波透视技术进行工作面构造的探查工作,探查距离一般小于250 m,且只能在工作面贯通以后进行探测,无法提前对巷道的设计进行技术性指导,同时由于干扰因素较多,往往造成解释结果异常范围大,异常类型不明确.瑞利波、便携式地质探测仪利用锤击作为震源,能量不足,探测距离更小.槽波地震勘探依靠其探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较易识别以及最终结果直观的特点,较好地弥补了现有勘探方法的不足.

本文以槽波地震反射法在霍州煤电霍宝干河矿2-1121工作面为例,结合应用共中心点道集动校叠加和克希霍夫叠前时间方法进行偏移成像,使其相互补充、校验和修正,并以属性分析进行反射类型的判断,进一步增加了解释的可靠性,验证了偏移方法的实用性,反映了槽波地震反射法在井下侧向超前探测构造方面具有良好的效果.

1 方法原理

槽波地震反射方法是利用布设在巷道壁或工作面壁上的检波器,接收反射槽波信号,通过识别和分析反射槽波信号,判断煤层不连续体的所在位置.如图1所示

图1 反射法勘探原理剖面示意图

偏移成像是地震成像的主要手段,槽波反射偏移处理中的包络叠加与标准的地面反射波法多次叠加一样,目的是提高槽波地震资料的信噪比,增强有效的反射信号.共中心点道集动校叠加方法对于构造简单、倾角较小的煤层,一般能比较直观地反映煤层的地质构造特征,并保留了各种地震波的现象和特点.由于槽波的频散特征,包络计算后再叠加往往造成分辨率较低;克希霍夫叠前时间偏移方法引入倾斜因子与扩散因子,能够有效处理中等程度倾角,但易于产生假频.两种偏移结果进行相互验证,将会有效提高槽波反射法预测的准确度.

1.1 共中心点道集动校叠加方法

假设有n个同一共中心点道集中的记录道动校正后的水平叠加记录道为:

式中:i——共中心点号;

j——共中心点道集内记录的序号;

xi,j(k)——水平叠加第i个共中心点第j道的第k个采样点值;

n——道集的覆盖次数.

每个共中心点道集输出一个叠加道后,经过水平叠加后的剖面相当于各点自激自收的剖面.其中动校正的速度选取是通过一组实验速度分别对单张共中小点道集作速度扫描动校正,当所试验速度与某t0时间所对应的真实均方根速度相同时,即同相轴被拉平,其他同相轴由于速度过高、校正不足表现为下弯,或者速度过低,校正过量表现为上弯.其中动校正量为:

式中:Δt——动校正量;

t0——反射时间;

x——炮间距;

vt0——槽波传播速度.

任何非零炮检距地震记录上都要计算出Δt0.

1.2 克希霍夫叠前时间偏移方法

克希霍夫叠前时间偏移将槽波探测煤层的前方看作是地下半无限空间Z,给定震源点和接收点位置,在均匀介质中,对应其反射点的轨迹在数据体上则是半个椭球体面,根据惠更斯原理,波的传播空间处于震动状态的每一点,都可以看成是二次元波点震源,因此把每一个成像点都当做是一个地震能量的绕射点,P(x,y,z,t)为介质中以速度v(x,y,z)传播的压力波场,惠更斯原理表述如下:在时间t+Δt的压力扰动是点震源在时间t时产生的球面波的叠加.

图2 从标量波动方程克希霍夫积分解得到的点绕射源几何图

分析图2中在位置S(x,y,z)处的点绕射源的几何形态,以及在绕射源处激发产生的绕射波场在表面A的观察结果,得出惠更斯原理的数学表述,标量波动方程导出的克希霍夫积分解:

可以将波的传播空间看成由各个散射点组成,克希霍夫偏移法偏移是建立在波动方程积分解的基础上,通过利用克希霍夫偏移绕射积分公式把分散在各地震道上来自同一个绕射点的能量汇聚在一起,置于相应的物理绕射点上.图2中,观测平面A接收点绕射源S产生的绕射波场,接收点R(0,0,0)为坐标原点.考虑槽波的时变性与频散性,槽波绕射偏移离散形式:

式中:ωc——为槽波的中心频率;

U、c——在ω＝ωc时的群速度与相速度;

tn——第n个检波器的旅行时;

An(tn)——第n个记录道tn时刻的信号振幅;

I x,y()——预测工作面前方某点的非规格化概率.

2 应用实例

2.1 工作区概况

本次槽波地震勘探反射法工作地点为山西霍宝干河煤矿2-1121运输巷外帮,目的是查明2-1121运输巷外帮落差大于0.5倍煤厚的断层的分布情况,勘探长度为720 m.煤层赋存稳定,巷道揭露平均煤厚为4 m,在巷道底板上1.5 m处存在200～300 mm的夹矸,槽波探测方向工作面总体上为向斜构造,煤种属为焦煤,直接顶、底板为砂岩.

2.2 勘探工作布置和施工措施

为验证两种偏移成像方法结合使用的有效性,以霍宝干河煤矿进行槽波反射法勘探.观测系统布置见图3,震源激发点和检波器接收点都统一布置在2-1121运输巷外帮,测量长度为720 m,激发点和接收点间隔布置分别用S和G开头表示.炮点距为10～20 m,共设计47炮(S1～S47),现场测量有效激发点42炮;检波器间距30 m,检波点数21个(G1～G21),最小炮检距为10 m.激发点和接收点布置在煤层中夹矸下0.5 m处,孔深2 m,平行煤层进行激发和接收;震源为炸药激发,药量为187 g/炮,震源孔用水炮泥密封,降低激发时外泄能量损失.测量过程中整个工作面一切与震动有关的设备、工作均处于停止状态,最大限度地减少外部振动噪音影响.

图3 2-1121运输巷槽波地震勘探工作布置示意图

2.3 数据处理

通过对原始单炮质量评估,进行一系列槽波地震处理参数的优化,主要是有效地提取槽波的主要频率和正确的截断雷管延时,剔除坏炮和坏道造成的影响,保证数据叠加的有效性,结合属性分析和槽波偏移方法成像,最终得出有效的槽波成果.槽波反射法处理流程如图4所示.

图4 槽波反射法处理流程图

本次勘探原始数据质量良好,槽波反射波明显,在单炮记录上均能接收到反射槽波信号,以S26原始单炮记录为例,S26炮点实测记录如图5所示,图中横坐标表示道数,接收总道数为21,纵坐标表示时间长度,总接收时间长度是400 ms,采用双分量检波器进行接收,横坐标0～21道号表示x分量接收,22～42道号表示y分量接收,从槽波地震记录同相轴的振幅、波形同向性、相似性进行分析得出,其反射槽波能量相对较强,速度较高,时间间隔较短.本文选取比较典型的单炮记录进行单道分析,提取S26第8道炮点实测结果如图6所示.通过频谱分析结果进行计算,提取有效的槽波,通过直达槽波在单炮上的记录,并根据检波点和震源点之间的距离,得出S26炮到G8的距离为110 m,直达槽波的传播时间为75 ms,可以得出槽波在煤层的传播速度为1460 m/s左右.

频谱分析就是利用傅立叶方法对震动信号进行分解并研究和处理的一种过程,通过频谱分析处理达到压制不期望的干扰波,保留期望保留的有效波,从而达到提高地震信号信噪比的目的.

图5 S26炮点实测记录

图6 S26第8道炮点时移后实测记录

图7 频谱分析

频谱分析结果如图7所示,通过频谱分析得出本区槽波的主要频率分布在0～300 Hz,中心频率为120 Hz左右.

2.3 属性分析

属性分析是地质异常类别辨别精细解释的主要方法.“三瞬属性”包括瞬时振幅、瞬时频率和瞬时相位,“三瞬属性”主要是利用了希尔伯特变换的信号处理方法.瞬时振幅是反射强度的量度,主要反映了能量的变化,能够突出特殊岩层的变化.瞬时相位是地震剖面同相轴连续性的量度,能量的强弱能够从相位上突显出来,即使是弱振幅有效波也可以很好地显示出来,反应了从煤层到岩层的变化.瞬时频率是相位时间的变化率,能够反映组成煤层的物性变化,有助于识别异常类型.第26炮第8道数据“三瞬属性”分析见图8,瞬时相位、瞬时频率和瞬时振幅均有明显变化.

图8 第26炮第8道属性分析

通过偏移成果与属性分析以及巷道揭露的地质信息对探区进行综合解释,分析为两条隐伏断层反应,由图可知,瞬时相位,瞬时频率曲线产生突变,其中125～135 ms附近为同一断层相干反应, 175～195 ms附近为同一断层相干反应.通过计算得出,断层信息处于探测位置90～140 m范围内,认为存在落差大于0.5倍煤厚的断层信息.

2.4 偏移成像

通过共中心点道集动校叠加和克希霍夫叠前时间方法进行偏移成像,成果见图9和图10,可以看出在探测范围内距离2-1121运输巷90～140 m范围内存在近似平行巷道的条带状异常区,结合属性分析,槽波探测前方条带异常区为断层反应,从共中心点道集动校叠加成果图可见,同相轴较宽,且没有连成一条直线,分析为两条断层反应,从克希霍夫偏移成果图可见,异常区形态为很宽的条带,分析由拉张的正断层或者1条以上的断层引起,同时结合属性分析和原始记录,以S26炮为例,槽波反射为两条断层反应,后经矿方验证.

图9 2-1121巷槽波地震勘探共中心点道集动校叠加成果图

图10 2-1121巷槽波地震勘探克希霍夫叠前时间偏移成果图

3 结论

通过对霍宝干河矿2-1121外帮槽波地震反射法勘探现场实践,采用共中心点道集动校叠加和克希霍夫叠前时间偏移方法进行偏移克服了单一成像方法缺点,减小了异常判断误差.得出以下结论:

(1)两种偏移方法在成果图上异常区的位置基本一致,共中心点道集动校叠加显示为两条近似平行、间距25 m左右的断层,克希霍夫叠前时间偏移显示异常区的分布形态和范围,结合属性分析结果可知为两条断层,后经矿方钻探验证,断层探测误差为7 m.

(2)三瞬属性信息在同一反射位置发生变化,可反映探测对象的物性变化,并以此推断反射类型.

(3)通过槽波地震勘探在霍宝干河矿应用证明,槽波反射法勘探在侧向超前探测构造方面具有良好的应用前景.

[1] 彭苏萍,袁亮.淮南煤矿三维地震勘探技术应用与效果[J].安徽地质,2011(2)

[2] 李玉宝.煤矿井下物探技术发展回顾与展望[J].中国矿业,2012(增)

[3] 张平松,刘盛东,吴健生.隧道及井巷工程超前探测模拟及其偏移技术研究[J].岩石力学与工程学报,2007(S1)

[4] 杨真.基于ISS的薄煤层采空边界探测理论与试验研究[D].徐州:中国矿业大学,2009

[5] 程久龙.Love型槽波理论地震图的计算[J].山东矿业学院学报,1994(4)

[6] 潘冬明,刘天放.拉夫型槽波的有限差分合成[J].中国煤田地质,1990(2)

[7] 李松营,武强,滕吉文等.新安矿13151工作面煤壁侧底板突水分析[J].中国煤炭,2016(6)

[8] 白建平,成庄矿探查陷落柱的有效方法[J].中国煤炭,2005(7)

[9] 刘玉忠.采区槽波探测的适用性分类[J].煤田地质与勘探,1997(4)[10] 杨文强.槽波地震勘探的数学模型研究[J].地质与勘探,2001(3)

[11] 刘天放,程久龙,潘冬明等.槽波的吸收衰减[J].煤炭学报,1983(5)

[12] 杨思通,程久龙.煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟[J].地球物理学报,2012(2)

[13] 刘天放,潘冬明,李德春等.槽波地震勘探[M].江苏:中国矿业大学出版社,1994

[14] 武延辉,王伟,高星.槽波地震反射法在断层中的应用[J].煤炭与化工,2016(2)

[15] 王克斌,曹孟起,张玮等.连片叠前偏移处理技术与应用实践[M].北京:石油工业出版社,2008

[16] 陆基孟.地震勘探原理[M].山东:中国石油大学出版社,2006

(责任编辑 郭东芝)

Applied research on migration imaging technology of mine channel wave seismic reflection method in Huobaoganhe Mine

Jia Jing
(Hebei Coal Research Institute,Xingtai,Hebei 054000,China)

Taking channel wave reflection method applied in working face of Huobaoganhe Mine as an example,common-mid-point gather normal move-out correction stacking and Kirchhoff pre-stack time migration method were utilized to process data and attributive analysis method was to verify,the results showed that there were two faults 90～140 m to No.2-1121 transportation roadway,and the faults were nearly in parallel with the roadway,the distance between the two faults was 30 m,which was verified by drilling and had an error of±7 m.The practical test proved the effectiveness and favorable application prospect of channel wave seismic reflection method in underground advanced structure detection.

channel wave,reflection method,attributive analysis,migration imaging, Huobaoganhe Mine

P631

A

贾靖(1966-),河北清苑人,高级工程师,硕士,主要从事矿井地质方面的研究。