礦井多波多分量地震方法與試驗

劉盛東，章 俊，李純陽,王 勃，金 標，劉金鎖

(1.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116; 3.安徽惠洲地質安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202)

中國的能源結構特點“富煤、貧油、少氣”在相當長的時期內不會改變[1]，預計到2030年煤炭占能源需求占比仍將超過50%[2]。“精準開采”技術[3]與“透明開采”技術[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、資源開發效率，以實現煤炭工業由勞動密集型向具有高科技特點的技術密集型轉變。中國的含煤地層特征、地質構造模式和開采條件的復雜性嚴重制約著煤炭的高效安全生產[5]。具有透視功能的地球物理勘探是實現煤炭“精準、透明”開采的基礎支撐，是解決復雜煤層智能開采難題的主要途徑[3]。

隨著采集技術與處理技術的發展，多波多分量地震勘探成為可能，并在近些年得以迅速發展[6]。其在考慮地震波場矢量傳播性的基礎上，利用多分量檢波器代替單分量檢波器來進行全波場信號的接收，以達到地質構造精細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，得到較快發展與應用。張平松[8]、沈鴻雁[9]、楊思通[10]等進行了基于反射波的巷道地震超前探測技術的研究，為解決巷道掘進前方隱伏地質構造問題提供指導;楊真[11]、姬廣忠[12]、馮磊[13]等研究煤層槽波特征，為解決工作面內隱伏地質構造問題提供指導。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仍處在發展初期，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。

在礦井全空間效應下，地震波場極復雜，縱橫波、槽波、面波常相伴而生，同時來自空間多方向的地震波混疊，只利用單一類型波進行無方向性的成像難以滿足當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，以實現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。在礦井地質構造探測中，反射體波和槽波均可認為是有效波，利用其進行成像以達到構造探測的目的。槽波僅在煤層中產生與傳播，攜帶了大量煤層信息，被認為是煤層構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的勒夫型槽波，此時反射體波及瑞利型槽波均會影響成像質量。然而當斷層落差大于煤厚時，槽波傳播受影響甚至中斷消失，當斷層在巷道附近分布時，反射槽波探測距離受限，但體波理論上無此限制。

利用有限差分法數值模擬礦井地震波場[15]，建立三維地質模型。如圖1(a)所示，煤厚5 m，Z坐標100 m為煤層中心面，煤層頂、底板屬性對稱，煤層面受采空區和斷層約束;如圖1(b)所示，煤層巷道為4 m×4 m×240 m，點震源(150,98,100)在煤層巷道N側幫，巷道SN兩側分別布置11個三分量檢波器。圖2為點源起爆后60 ms時刻煤層中心面(XOY面)的三分量波場快照。由圖2可以看出，強能量的煤層槽波被約束在采空區、斷層邊界與巷道空間的煤層內，特征明顯;縱波、橫波及其槽波的轉換體波透過圍巖與采空區邊界繼續向前轉播;巷道內空氣聲波、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行激發接收時，槽波與聲波能量較強，可以看到不同方向的近程反射槽波，反射體波存在于直達槽波窗口內，形成混疊;聲波束縛在巷道內混響傳播，部分信號在巷道面會轉換成干擾體波，遠程的反射體波、槽波將會被其淹沒。

圖1 數值模擬模型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

實際礦井巷道及煤層地質條件下，存在非均勻對稱的煤層及其煤層頂、底板巖性組合，斷層、陷落柱及其采空區不均勻分布，波場更復雜，圖3為礦井現場三分量原始記錄，可以看出現場不同分量信號存在差異，同一種信號在不同分量上均有所體現。其中可以看出Y分量槽波及體波反射較為清晰，其他兩個分量受巷道聲波影響，反射槽波不清晰。同時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行單一的波型處理解釋，難以避免出現“指鹿為馬”的現象，導致誤判率增高。因此，在實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、接收與成像點的3者關系，根據勘探需求與地質條件提取不同波型，進行多波成像，相互補充與驗證，以提高礦井地震成像的可靠性和成像精度。

圖3 礦井現場三分量原始記錄(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在于不同波場信號的分離與提取，主要有兩類方法:一為基于地震波運動學特征的τ-p變換法和FK變換法等;二為基于地震波動力學偏振特性的極化濾波方法。筆者利用基于Hilbert變換的時間域自適應極化分析方法，在礦井地震數據散射偏移過程中集成極化方向濾波方法，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變換的自適應瞬時極化分析方法[16-17]

(1)在時間t附近的信號可以利用解析信號ci(t)近似表達，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表示復數實部;

式中，N用于刻畫不同極化屬性，N取較大值時可刻畫三維復雜極化屬性。

(2)偏振系數

T的范圍為(0,1)，T=1時表現完全線性極化特性，T=0時表現橢球極化特性。

(4)傾角特征參數

2.2 散射極化偏移

散射波的定義廣泛，根據惠更斯-菲涅爾原理，任何由地質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。故可將地質三維體理解成由無數個散射點構成，入射波在散射點位置產生擾動，形成新的震源。在進行散射偏移時將探測空間網格化，將離散網格看作散射點，基于克希霍夫積分偏移方法，根據炮檢對與散射點空間關系將相應旅行時刻ti的振幅，進行傾斜因子、擴散因子和濾波整形因子的校正后進行繞射求和，形成該散射點處的振幅。

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，極化濾波函數隨空間成像點實時變化，具有方向性，可實現目標空間任一點的多波成像。

3 試驗情況

3.1 巖石巷道多波成像試驗

礦井永久大巷、瓦斯預抽巷一般都布置在煤層頂底板，在無煤層的情況下，槽波勘探無法進行，只能利用體波進行地震勘探，利用三分量地震信號進行縱、橫波成像。某礦首采工作面設計位于西翼回風大巷北部區域，其地質情況不明，首采工作面區域地表為露天采煤矸石堆放區，無三維地震勘探條件，同時由于尚未揭露煤層，亦無槽波勘探條件。故利用回風大巷及輔運大巷對其北側區域進行地震構造探測，炮線布置于回風大巷，三分量檢波器布置于輔運大巷，水平分量X,Y分別平行和垂直于巷道走向，Z分量垂直于頂底板方向。試驗布置50個三分量檢波器接收，64炮激發，采用惠洲院YZD11礦井槽波地震電法分布式采集系統，具有自存儲基站，道數無限擴展，滿足此試驗多道地震數據采集。

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

在對記錄進行去噪、一致性校正、擴散補償后進行多波散射偏移成像，當進行某種波成像時，根據其振動方向設計相應濾波器，可達到壓制其他干擾波的作用，三維偏移成像結果如圖5(a)所示。由于設計的首采工作面煤層傾角為15°，故對三維成像體沿15°傾角進行切片，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域不受測線約束，可達到測線以外區域成像的目的，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強反射特征，在回風巷以北的探測目標區域中發現2處明顯較強反射特征區域(圖中紅色虛線區域)。

3.2 煤層巷道多波成像試驗

在煤巷進行地震勘探，通常存在槽波及體波，槽波在傳統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，才能進行體波、槽波的分離并成像。某礦東南采區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工作面的設計與布置。試驗于采區總回風巷煤層布置炮孔，檢波點采用在煤層、頂板各布置1個三分量檢波器，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。采集設備采用惠洲院YZD11礦井槽波地震電法分布式采集系統。

對現場數據沿著煤層傾角方向進行不同波的偏移成像，在進行反射槽波成像時，有效波主要以勒夫型槽波為主，根據勒夫型槽波極化屬性設計濾波器進行偏移成像，結果如圖6所示，可以看到淺部存在較強反射槽波能量，根據鉆探驗證此2處存在兩處斷層(回風-1和回風-2)，同時與膠帶延長巷道揭露斷層76-1位置吻合，而深部區域無明顯能量，這是因為在淺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。此時可進行反射體波成像，體波沿著煤層頂底板傳播，不受限于煤層的連續性，由于P波信號弱且有效窗口小，故采用S波進行偏移成像，其結果如圖7所示，在淺部同樣存在較強反射波能量，與槽波偏移結果較吻合，符合實際驗證情況;剖面深部存在多處強反射區，在膠帶延長巷后續施工中揭露斷層76-2(揭露點位于剖面深度400 m處);其余位置仍有待進一步根據實際揭露來驗證其屬性。由此可見體波槽波聯合勘探可解決在存在斷層時，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 論

(1)礦井地震波場復雜，礦井地震勘探中應接收全波場，根據勘探需求與地質條件提取不同波型進行成像，相互補充與驗證，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接收，形成槽波、體波六分量記錄，作為槽波、體波聯合勘探的基礎數據。

(2)基于Hilbert瞬時時窗的極化分析方法使得時窗的選取工作自適應化，提高了極化參數的準確度，由此可獲得精確的極化特征參數;散射極化偏移方法基于散射波理論，理論上可實現空間任一點的探測;同時此偏移方法可為空間任一點提供相應的極化濾波函數，使得極化濾波工作動態化，由此可實現在空間任一點處的多波成像，使得礦井多波多分量地震探測得以實現。

(3)試驗結果表明，在無煤層巷道的情況中，利用此方法可進行縱波和橫波的分離成像，結果剖面吻合度高，多波的成像相互對比與驗證將有助于提高探測準確度;同時其探測區域空間位置不受地震測線的約束，可實現測線范圍外的地震探測，適合礦井復雜施工環境。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，從而進行多波成像，可解決在存在斷層時，槽波探測距離受限的問題。