賈 靖

(河北煤炭科學(xué)研究院,河北省邢臺市,054000)

煤礦槽波地震反射法偏移成像技術(shù)在霍寶干河礦的應(yīng)用研究

賈 靖

(河北煤炭科學(xué)研究院,河北省邢臺市,054000)

本文以霍寶干河礦工作面槽波反射法為例,利用共中心點(diǎn)道集動校疊加和克?；舴虔B前時(shí)間偏移方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并用屬性分析進(jìn)行驗(yàn)證,得出距離2-1121運(yùn)輸巷90～140 m范圍存在近似平行巷道的兩條斷層,間距30 m,后經(jīng)鉆探驗(yàn)證,誤差為±7 m,證明了槽波地震在井下超前探測構(gòu)造方面的有效性并具有良好的應(yīng)用前景.

槽波反射 屬性分析 偏移成像 霍寶干河礦

面對我國多數(shù)煤田地質(zhì)構(gòu)造和開采條件復(fù)雜,構(gòu)造類型多、發(fā)育廣以及勘探任務(wù)重的生產(chǎn)實(shí)際,當(dāng)前的物探手段難以滿足井下采煤區(qū)小微構(gòu)造的探測要求.在現(xiàn)有的構(gòu)造勘查方法中,三維地震勘探雖可較為準(zhǔn)確地解釋落差較大斷層(如5 m以上斷層),但其精準(zhǔn)度往往受地表復(fù)雜程度的影響,同時(shí)由于地震波高頻成分受傳播距離、層間多次波干擾等因素的影響,構(gòu)造解釋成果與采區(qū)生產(chǎn)要求的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不相適應(yīng).在井下物探工作中,通常利用無線電波透視技術(shù)進(jìn)行工作面構(gòu)造的探查工作,探查距離一般小于250 m,且只能在工作面貫通以后進(jìn)行探測,無法提前對巷道的設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)性指導(dǎo),同時(shí)由于干擾因素較多,往往造成解釋結(jié)果異常范圍大,異常類型不明確.瑞利波、便攜式地質(zhì)探測儀利用錘擊作為震源,能量不足,探測距離更小.槽波地震勘探依靠其探測距離大、精度高、抗電干擾能力強(qiáng)、波形特征較易識別以及最終結(jié)果直觀的特點(diǎn),較好地彌補(bǔ)了現(xiàn)有勘探方法的不足.

本文以槽波地震反射法在霍州煤電霍寶干河礦2-1121工作面為例,結(jié)合應(yīng)用共中心點(diǎn)道集動校疊加和克希霍夫疊前時(shí)間方法進(jìn)行偏移成像,使其相互補(bǔ)充、校驗(yàn)和修正,并以屬性分析進(jìn)行反射類型的判斷,進(jìn)一步增加了解釋的可靠性,驗(yàn)證了偏移方法的實(shí)用性,反映了槽波地震反射法在井下側(cè)向超前探測構(gòu)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設(shè)在巷道壁或工作面壁上的檢波器,接收反射槽波信號,通過識別和分析反射槽波信號,判斷煤層不連續(xù)體的所在位置.如圖1所示

圖1 反射法勘探原理剖面示意圖

偏移成像是地震成像的主要手段,槽波反射偏移處理中的包絡(luò)疊加與標(biāo)準(zhǔn)的地面反射波法多次疊加一樣,目的是提高槽波地震資料的信噪比,增強(qiáng)有效的反射信號.共中心點(diǎn)道集動校疊加方法對于構(gòu)造簡單、傾角較小的煤層,一般能比較直觀地反映煤層的地質(zhì)構(gòu)造特征,并保留了各種地震波的現(xiàn)象和特點(diǎn).由于槽波的頻散特征,包絡(luò)計(jì)算后再疊加往往造成分辨率較低;克希霍夫疊前時(shí)間偏移方法引入傾斜因子與擴(kuò)散因子,能夠有效處理中等程度傾角,但易于產(chǎn)生假頻.兩種偏移結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證,將會有效提高槽波反射法預(yù)測的準(zhǔn)確度.

1.1 共中心點(diǎn)道集動校疊加方法

假設(shè)有n個(gè)同一共中心點(diǎn)道集中的記錄道動校正后的水平疊加記錄道為:

式中:i——共中心點(diǎn)號;

j——共中心點(diǎn)道集內(nèi)記錄的序號;

xi,j(k)——水平疊加第i個(gè)共中心點(diǎn)第j道的第k個(gè)采樣點(diǎn)值;

n——道集的覆蓋次數(shù).

每個(gè)共中心點(diǎn)道集輸出一個(gè)疊加道后,經(jīng)過水平疊加后的剖面相當(dāng)于各點(diǎn)自激自收的剖面.其中動校正的速度選取是通過一組實(shí)驗(yàn)速度分別對單張共中小點(diǎn)道集作速度掃描動校正,當(dāng)所試驗(yàn)速度與某t0時(shí)間所對應(yīng)的真實(shí)均方根速度相同時(shí),即同相軸被拉平,其他同相軸由于速度過高、校正不足表現(xiàn)為下彎,或者速度過低,校正過量表現(xiàn)為上彎.其中動校正量為:

式中:Δt——動校正量;

t0——反射時(shí)間;

x——炮間距;

vt0——槽波傳播速度.

任何非零炮檢距地震記錄上都要計(jì)算出Δt0.

1.2 克?；舴虔B前時(shí)間偏移方法

克希霍夫疊前時(shí)間偏移將槽波探測煤層的前方看作是地下半無限空間Z,給定震源點(diǎn)和接收點(diǎn)位置,在均勻介質(zhì)中,對應(yīng)其反射點(diǎn)的軌跡在數(shù)據(jù)體上則是半個(gè)橢球體面,根據(jù)惠更斯原理,波的傳播空間處于震動狀態(tài)的每一點(diǎn),都可以看成是二次元波點(diǎn)震源,因此把每一個(gè)成像點(diǎn)都當(dāng)做是一個(gè)地震能量的繞射點(diǎn),P(x,y,z,t)為介質(zhì)中以速度v(x,y,z)傳播的壓力波場,惠更斯原理表述如下:在時(shí)間t+Δt的壓力擾動是點(diǎn)震源在時(shí)間t時(shí)產(chǎn)生的球面波的疊加.

圖2 從標(biāo)量波動方程克?；舴蚍e分解得到的點(diǎn)繞射源幾何圖

分析圖2中在位置S(x,y,z)處的點(diǎn)繞射源的幾何形態(tài),以及在繞射源處激發(fā)產(chǎn)生的繞射波場在表面A的觀察結(jié)果,得出惠更斯原理的數(shù)學(xué)表述,標(biāo)量波動方程導(dǎo)出的克?；舴蚍e分解:

可以將波的傳播空間看成由各個(gè)散射點(diǎn)組成,克希霍夫偏移法偏移是建立在波動方程積分解的基礎(chǔ)上,通過利用克?；舴蚱评@射積分公式把分散在各地震道上來自同一個(gè)繞射點(diǎn)的能量匯聚在一起,置于相應(yīng)的物理繞射點(diǎn)上.圖2中,觀測平面A接收點(diǎn)繞射源S產(chǎn)生的繞射波場,接收點(diǎn)R(0,0,0)為坐標(biāo)原點(diǎn).考慮槽波的時(shí)變性與頻散性,槽波繞射偏移離散形式:

式中:ωc——為槽波的中心頻率;

U、c——在ω＝ωc時(shí)的群速度與相速度;

tn——第n個(gè)檢波器的旅行時(shí);

An(tn)——第n個(gè)記錄道tn時(shí)刻的信號振幅;

I x,y()——預(yù)測工作面前方某點(diǎn)的非規(guī)格化概率.

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工作區(qū)概況

本次槽波地震勘探反射法工作地點(diǎn)為山西霍寶干河煤礦2-1121運(yùn)輸巷外幫,目的是查明2-1121運(yùn)輸巷外幫落差大于0.5倍煤厚的斷層的分布情況,勘探長度為720 m.煤層賦存穩(wěn)定,巷道揭露平均煤厚為4 m,在巷道底板上1.5 m處存在200～300 mm的夾矸,槽波探測方向工作面總體上為向斜構(gòu)造,煤種屬為焦煤,直接頂、底板為砂巖.

2.2 勘探工作布置和施工措施

為驗(yàn)證兩種偏移成像方法結(jié)合使用的有效性,以霍寶干河煤礦進(jìn)行槽波反射法勘探.觀測系統(tǒng)布置見圖3,震源激發(fā)點(diǎn)和檢波器接收點(diǎn)都統(tǒng)一布置在2-1121運(yùn)輸巷外幫,測量長度為720 m,激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)間隔布置分別用S和G開頭表示.炮點(diǎn)距為10～20 m,共設(shè)計(jì)47炮(S1～S47),現(xiàn)場測量有效激發(fā)點(diǎn)42炮;檢波器間距30 m,檢波點(diǎn)數(shù)21個(gè)(G1～G21),最小炮檢距為10 m.激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)布置在煤層中夾矸下0.5 m處,孔深2 m,平行煤層進(jìn)行激發(fā)和接收;震源為炸藥激發(fā),藥量為187 g/炮,震源孔用水炮泥密封,降低激發(fā)時(shí)外泄能量損失.測量過程中整個(gè)工作面一切與震動有關(guān)的設(shè)備、工作均處于停止?fàn)顟B(tài),最大限度地減少外部振動噪音影響.

圖3 2-1121運(yùn)輸巷槽波地震勘探工作布置示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過對原始單炮質(zhì)量評估,進(jìn)行一系列槽波地震處理參數(shù)的優(yōu)化,主要是有效地提取槽波的主要頻率和正確的截?cái)嗬坠苎訒r(shí),剔除壞炮和壞道造成的影響,保證數(shù)據(jù)疊加的有效性,結(jié)合屬性分析和槽波偏移方法成像,最終得出有效的槽波成果.槽波反射法處理流程如圖4所示.

圖4 槽波反射法處理流程圖

本次勘探原始數(shù)據(jù)質(zhì)量良好,槽波反射波明顯,在單炮記錄上均能接收到反射槽波信號,以S26原始單炮記錄為例,S26炮點(diǎn)實(shí)測記錄如圖5所示,圖中橫坐標(biāo)表示道數(shù),接收總道數(shù)為21,縱坐標(biāo)表示時(shí)間長度,總接收時(shí)間長度是400 ms,采用雙分量檢波器進(jìn)行接收,橫坐標(biāo)0～21道號表示x分量接收,22～42道號表示y分量接收,從槽波地震記錄同相軸的振幅、波形同向性、相似性進(jìn)行分析得出,其反射槽波能量相對較強(qiáng),速度較高,時(shí)間間隔較短.本文選取比較典型的單炮記錄進(jìn)行單道分析,提取S26第8道炮點(diǎn)實(shí)測結(jié)果如圖6所示.通過頻譜分析結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,提取有效的槽波,通過直達(dá)槽波在單炮上的記錄,并根據(jù)檢波點(diǎn)和震源點(diǎn)之間的距離,得出S26炮到G8的距離為110 m,直達(dá)槽波的傳播時(shí)間為75 ms,可以得出槽波在煤層的傳播速度為1460 m/s左右.

頻譜分析就是利用傅立葉方法對震動信號進(jìn)行分解并研究和處理的一種過程,通過頻譜分析處理達(dá)到壓制不期望的干擾波,保留期望保留的有效波,從而達(dá)到提高地震信號信噪比的目的.

圖5 S26炮點(diǎn)實(shí)測記錄

圖6 S26第8道炮點(diǎn)時(shí)移后實(shí)測記錄

圖7 頻譜分析

頻譜分析結(jié)果如圖7所示,通過頻譜分析得出本區(qū)槽波的主要頻率分布在0～300 Hz,中心頻率為120 Hz左右.

2.3 屬性分析

屬性分析是地質(zhì)異常類別辨別精細(xì)解釋的主要方法.“三瞬屬性”包括瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位,“三瞬屬性”主要是利用了希爾伯特變換的信號處理方法.瞬時(shí)振幅是反射強(qiáng)度的量度,主要反映了能量的變化,能夠突出特殊巖層的變化.瞬時(shí)相位是地震剖面同相軸連續(xù)性的量度,能量的強(qiáng)弱能夠從相位上突顯出來,即使是弱振幅有效波也可以很好地顯示出來,反應(yīng)了從煤層到巖層的變化.瞬時(shí)頻率是相位時(shí)間的變化率,能夠反映組成煤層的物性變化,有助于識別異常類型.第26炮第8道數(shù)據(jù)“三瞬屬性”分析見圖8,瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)振幅均有明顯變化.

圖8 第26炮第8道屬性分析

通過偏移成果與屬性分析以及巷道揭露的地質(zhì)信息對探區(qū)進(jìn)行綜合解釋,分析為兩條隱伏斷層反應(yīng),由圖可知,瞬時(shí)相位,瞬時(shí)頻率曲線產(chǎn)生突變,其中125～135 ms附近為同一斷層相干反應(yīng), 175～195 ms附近為同一斷層相干反應(yīng).通過計(jì)算得出,斷層信息處于探測位置90～140 m范圍內(nèi),認(rèn)為存在落差大于0.5倍煤厚的斷層信息.

2.4 偏移成像

通過共中心點(diǎn)道集動校疊加和克?；舴虔B前時(shí)間方法進(jìn)行偏移成像,成果見圖9和圖10,可以看出在探測范圍內(nèi)距離2-1121運(yùn)輸巷90～140 m范圍內(nèi)存在近似平行巷道的條帶狀異常區(qū),結(jié)合屬性分析,槽波探測前方條帶異常區(qū)為斷層反應(yīng),從共中心點(diǎn)道集動校疊加成果圖可見,同相軸較寬,且沒有連成一條直線,分析為兩條斷層反應(yīng),從克?；舴蚱瞥晒麍D可見,異常區(qū)形態(tài)為很寬的條帶,分析由拉張的正斷層或者1條以上的斷層引起,同時(shí)結(jié)合屬性分析和原始記錄,以S26炮為例,槽波反射為兩條斷層反應(yīng),后經(jīng)礦方驗(yàn)證.

圖9 2-1121巷槽波地震勘探共中心點(diǎn)道集動校疊加成果圖

圖10 2-1121巷槽波地震勘探克?；舴虔B前時(shí)間偏移成果圖

3 結(jié)論

通過對霍寶干河礦2-1121外幫槽波地震反射法勘探現(xiàn)場實(shí)踐,采用共中心點(diǎn)道集動校疊加和克?；舴虔B前時(shí)間偏移方法進(jìn)行偏移克服了單一成像方法缺點(diǎn),減小了異常判斷誤差.得出以下結(jié)論:

(1)兩種偏移方法在成果圖上異常區(qū)的位置基本一致,共中心點(diǎn)道集動校疊加顯示為兩條近似平行、間距25 m左右的斷層,克?；舴虔B前時(shí)間偏移顯示異常區(qū)的分布形態(tài)和范圍,結(jié)合屬性分析結(jié)果可知為兩條斷層,后經(jīng)礦方鉆探驗(yàn)證,斷層探測誤差為7 m.

(2)三瞬屬性信息在同一反射位置發(fā)生變化,可反映探測對象的物性變化,并以此推斷反射類型.

(3)通過槽波地震勘探在霍寶干河礦應(yīng)用證明,槽波反射法勘探在側(cè)向超前探測構(gòu)造方面具有良好的應(yīng)用前景.

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

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

賈靖(1966-),河北清苑人,高級工程師,碩士,主要從事礦井地質(zhì)方面的研究。