煤礦槽波地震反射法偏移成像技術在霍寶干河礦的應用研究

賈 靖

(河北煤炭科學研究院,河北省邢臺市,054000)

煤礦槽波地震反射法偏移成像技術在霍寶干河礦的應用研究

賈 靖

(河北煤炭科學研究院,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,利用共中心點道集動校疊加和克希霍夫疊前時間偏移方法進行數據處理,并用屬性分析進行驗證,得出距離2-1121運輸巷90～140 m范圍存在近似平行巷道的兩條斷層,間距30 m,后經鉆探驗證,誤差為±7 m,證明了槽波地震在井下超前探測構造方面的有效性并具有良好的應用前景.

槽波反射 屬性分析 偏移成像 霍寶干河礦

面對我國多數煤田地質構造和開采條件復雜,構造類型多、發育廣以及勘探任務重的生產實際,當前的物探手段難以滿足井下采煤區小微構造的探測要求.在現有的構造勘查方法中,三維地震勘探雖可較為準確地解釋落差較大斷層(如5 m以上斷層),但其精準度往往受地表復雜程度的影響,同時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,構造解釋成果與采區生產要求的控制精度遠遠不相適應.在井下物探工作中,通常利用無線電波透視技術進行工作面構造的探查工作,探查距離一般小于250 m,且只能在工作面貫通以后進行探測,無法提前對巷道的設計進行技術性指導,同時由于干擾因素較多,往往造成解釋結果異常范圍大,異常類型不明確.瑞利波、便攜式地質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、波形特征較易識別以及最終結果直觀的特點,較好地彌補了現有勘探方法的不足.

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,結合應用共中心點道集動校疊加和克希霍夫疊前時間方法進行偏移成像,使其相互補充、校驗和修正,并以屬性分析進行反射類型的判斷,進一步增加了解釋的可靠性,驗證了偏移方法的實用性,反映了槽波地震反射法在井下側向超前探測構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疊加與標準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,增強有效的反射信號.共中心點道集動校疊加方法對于構造簡單、傾角較小的煤層,一般能比較直觀地反映煤層的地質構造特征,并保留了各種地震波的現象和特點.由于槽波的頻散特征,包絡計算后再疊加往往造成分辨率較低;克希霍夫疊前時間偏移方法引入傾斜因子與擴散因子,能夠有效處理中等程度傾角,但易于產生假頻.兩種偏移結果進行相互驗證,將會有效提高槽波反射法預測的準確度.

1.1 共中心點道集動校疊加方法

假設有n個同一共中心點道集中的記錄道動校正后的水平疊加記錄道為:

式中:i——共中心點號;

j——共中心點道集內記錄的序號;

xi,j(k)——水平疊加第i個共中心點第j道的第k個采樣點值;

n——道集的覆蓋次數.

每個共中心點道集輸出一個疊加道后,經過水平疊加后的剖面相當于各點自激自收的剖面.其中動校正的速度選取是通過一組實驗速度分別對單張共中小點道集作速度掃描動校正,當所試驗速度與某t0時間所對應的真實均方根速度相同時,即同相軸被拉平,其他同相軸由于速度過高、校正不足表現為下彎,或者速度過低,校正過量表現為上彎.其中動校正量為:

式中:Δt——動校正量;

t0——反射時間;

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算出Δt0.

1.2 克希霍夫疊前時間偏移方法

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

圖2 從標量波動方程克希霍夫積分解得到的點繞射源幾何圖

分析圖2中在位置S(x,y,z)處的點繞射源的幾何形態,以及在繞射源處激發產生的繞射波場在表面A的觀察結果,得出惠更斯原理的數學表述,標量波動方程導出的克希霍夫積分解:

可以將波的傳播空間看成由各個散射點組成,克希霍夫偏移法偏移是建立在波動方程積分解的基礎上,通過利用克希霍夫偏移繞射積分公式把分散在各地震道上來自同一個繞射點的能量匯聚在一起,置于相應的物理繞射點上.圖2中,觀測平面A接收點繞射源S產生的繞射波場,接收點R(0,0,0)為坐標原點.考慮槽波的時變性與頻散性,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時的群速度與相速度;

tn——第n個檢波器的旅行時;

An(tn)——第n個記錄道tn時刻的信號振幅;

I x,y()——預測工作面前方某點的非規格化概率.

2 應用實例

2.1 工作區概況

本次槽波地震勘探反射法工作地點為山西霍寶干河煤礦2-1121運輸巷外幫,目的是查明2-1121運輸巷外幫落差大于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

為驗證兩種偏移成像方法結合使用的有效性,以霍寶干河煤礦進行槽波反射法勘探.觀測系統布置見圖3,震源激發點和檢波器接收點都統一布置在2-1121運輸巷外幫,測量長度為720 m,激發點和接收點間隔布置分別用S和G開頭表示.炮點距為10～20 m,共設計47炮(S1～S47),現場測量有效激發點42炮;檢波器間距30 m,檢波點數21個(G1～G21),最小炮檢距為10 m.激發點和接收點布置在煤層中夾矸下0.5 m處,孔深2 m,平行煤層進行激發和接收;震源為炸藥激發,藥量為187 g/炮,震源孔用水炮泥密封,降低激發時外泄能量損失.測量過程中整個工作面一切與震動有關的設備、工作均處于停止狀態,最大限度地減少外部振動噪音影響.

圖3 2-1121運輸巷槽波地震勘探工作布置示意圖

2.3 數據處理

通過對原始單炮質量評估,進行一系列槽波地震處理參數的優化,主要是有效地提取槽波的主要頻率和正確的截斷雷管延時,剔除壞炮和壞道造成的影響,保證數據疊加的有效性,結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

本次勘探原始數據質量良好,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炮點實測記錄如圖5所示,圖中橫坐標表示道數,接收總道數為21,縱坐標表示時間長度,總接收時間長度是400 ms,采用雙分量檢波器進行接收,橫坐標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、相似性進行分析得出,其反射槽波能量相對較強,速度較高,時間間隔較短.本文選取比較典型的單炮記錄進行單道分析,提取S26第8道炮點實測結果如圖6所示.通過頻譜分析結果進行計算,提取有效的槽波,通過直達槽波在單炮上的記錄,并根據檢波點和震源點之間的距離,得出S26炮到G8的距離為110 m,直達槽波的傳播時間為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行分解并研究和處理的一種過程,通過頻譜分析處理達到壓制不期望的干擾波,保留期望保留的有效波,從而達到提高地震信號信噪比的目的.

圖5 S26炮點實測記錄

圖6 S26第8道炮點時移后實測記錄

圖7 頻譜分析

頻譜分析結果如圖7所示,通過頻譜分析得出本區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

屬性分析是地質異常類別辨別精細解釋的主要方法.“三瞬屬性”包括瞬時振幅、瞬時頻率和瞬時相位,“三瞬屬性”主要是利用了希爾伯特變換的信號處理方法.瞬時振幅是反射強度的量度,主要反映了能量的變化,能夠突出特殊巖層的變化.瞬時相位是地震剖面同相軸連續性的量度,能量的強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,反應了從煤層到巖層的變化.瞬時頻率是相位時間的變化率,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道數據“三瞬屬性”分析見圖8,瞬時相位、瞬時頻率和瞬時振幅均有明顯變化.

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信息對探區進行綜合解釋,分析為兩條隱伏斷層反應,由圖可知,瞬時相位,瞬時頻率曲線產生突變,其中125～135 ms附近為同一斷層相干反應, 175～195 ms附近為同一斷層相干反應.通過計算得出,斷層信息處于探測位置90～140 m范圍內,認為存在落差大于0.5倍煤厚的斷層信息.

2.4 偏移成像

通過共中心點道集動校疊加和克希霍夫疊前時間方法進行偏移成像,成果見圖9和圖10,可以看出在探測范圍內距離2-1121運輸巷90～140 m范圍內存在近似平行巷道的條帶狀異常區,結合屬性分析,槽波探測前方條帶異常區為斷層反應,從共中心點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,從克希霍夫偏移成果圖可見,異常區形態為很寬的條帶,分析由拉張的正斷層或者1條以上的斷層引起,同時結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,后經礦方驗證.

圖9 2-1121巷槽波地震勘探共中心點道集動校疊加成果圖

圖10 2-1121巷槽波地震勘探克希霍夫疊前時間偏移成果圖

3 結論

通過對霍寶干河礦2-1121外幫槽波地震反射法勘探現場實踐,采用共中心點道集動校疊加和克希霍夫疊前時間偏移方法進行偏移克服了單一成像方法缺點,減小了異常判斷誤差.得出以下結論:

(1)兩種偏移方法在成果圖上異常區的位置基本一致,共中心點道集動校疊加顯示為兩條近似平行、間距25 m左右的斷層,克希霍夫疊前時間偏移顯示異常區的分布形態和范圍,結合屬性分析結果可知為兩條斷層,后經礦方鉆探驗證,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用證明,槽波反射法勘探在側向超前探測構造方面具有良好的應用前景.

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(責任編輯 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,主要從事礦井地質方面的研究。