槽波旅行時拾取數據合理性檢測方法

杜艷艷 馮 磊 余為維

(1.河南省地質礦產勘查開發局第三地質勘查院，河南省鄭州市，451464；2.河南理工大學資源環境學院，河南省焦作市，454000；3.中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院，北京市海淀區，100083)

近年來，槽波地震勘探技術發展日趨完善，在煤礦生產開采領域發揮的作用日益顯著，在斷層、陷落柱等小構造探測方面的研究與應用愈加廣泛，其中，姬廣忠等對三維槽波數值模擬進行了初步探索；馮磊等對槽波波場分離進行了相關研究并取得較為良好的分離效果。同時，眾多學者對槽波在煤厚及隱伏構造探測方面的應用進行了研究，使得槽波地震勘探的研究達到了新的高度。礦井透射法槽波地震勘探通過拾取特定頻率下槽波旅行時數據，進行層析反演得到槽波速度，進而推測煤層厚度分布。根據以往研究結果表明，拾取槽波旅行時數據的合理性極大地影響了層析成像的結果，為此通過對透射法槽波旅行時數據進行分析、檢測、判斷，從而達到提高槽波層析反演結果精度的目的。

1 透射槽波探測煤厚基本原理

透射法槽波地震勘探是將震源和檢波器分別布置在兩個不同巷道內，在其中一條巷道內沿直線布置間隔為5～20 m的炮孔作為激發點，在另一條巷道中沿直線布置間隔為10～30 m的鉆孔作為接收點，由此，在一條巷道中激發的地震波經煤層和頂底板透射到另一條巷道中產生槽波并接收。

當煤層橫波速度為900 m/s、圍巖橫波速度為2600 m/s時，煤層厚度分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m的槽波群速度頻散曲線如圖1所示。

圖1 不同煤厚頻散曲線

分析單條頻散曲線可知槽波群速度隨頻率的增大先減小至一個極小值(即埃里相速度)，再緩慢增大，最后趨近于煤層橫波速度。整體分析可知，在特定群速度下，不同厚度的煤層其槽波群速度隨煤厚的減小而增大，呈明顯的負相關，因此可以通過特定頻率下的群速度來有效識別煤層厚度。此外，分析頻率高低時可以看到，當選擇的特定頻率為頻低時(如100 Hz)，識別厚煤層較為有效；當選擇的特定頻率為高頻時(如300 Hz)，識別薄煤層較為有效。

2 透射槽波旅行時的拾取

依據勒夫型槽波的頻散特征進行槽波旅行時數據拾取，通過ISSTTA軟件對采集數據進行頻散處理及分析。為保證槽波旅行時數據的拾取精度，除了常規的去噪、濾波等處理步驟外，關鍵步驟是需要進行波場分離。通過橢圓率與方位角濾波獲得勒夫型槽波數據，再進行頻散處理，可以極大提高分析精度。以德國DMT公司SUMMIT槽波地震儀采集到的水平雙分量地震數據為例，利用ISSTTA軟件進行波場分離處理，得到5種不同類型地震波頻散曲線，分別為原始數據X分離、原始數據Y分離、平行波傳播分量、垂直波傳播分量以及勒夫型槽波數據。

結合理論頻散曲線所確定的主頻，對分離后的時間域或時頻域頻散曲線拾取槽波旅行時數據，如圖2所示。篩選出質量最好的頻散曲線來進行槽波旅行時拾取，拾取過程中根據頻散曲線質量的優劣可以相應評估槽波旅行時數據的優劣。當頻散曲線質量較差而無法有效拾取槽波旅行時數據時，可以通過單道估算速度、炮集估算速度或圍巖橫波速度來修正頻散曲線，以達到便于槽波旅行時拾取的最佳效果。若修正后效果仍不理想，可以舍棄該道槽波旅行時數據的拾取，以避免數據差異對整體數據質量造成影響。

圖2 槽波旅行時數據拾取

拾取處理完成后，可以通過檢測板及相應的射線路徑、槽波旅行時曲線等直觀地查看拾取槽波旅行時數據的整體分布，如圖3所示，以便于從宏觀上對數據拾取質量進行把控。

圖3 槽波旅行時數據分布情況

3 槽波旅行時數據合理性檢測

在透射法槽波層析反演中，槽波旅行時數據作為層析反演的輸入數據，決定著反演結果的精度。拾取槽波旅行時數據的微小誤差都會對反演結果造成較大的影響。因此，槽波旅行時數據合理性的檢測是透射槽波煤厚探測中所不可或缺的關鍵步驟。通過ISSTTA軟件中槽波旅行時數據檢測模塊，可以直觀有效地對槽波旅行時數據的合理性進行檢測，以提高層析反演結果的準確度。具體分為以下兩個方面。

(1)采用綜合手段對拾取的槽波旅行時的數據進行初步檢測和校正。為了解決槽波旅行時數據的合理性問題，ISSTTA軟件依據槽波旅行時數據的顏色分布和曲線形態提供了多種檢測方式，包括道集排列、槽波旅行時曲線、網格顏色、射線顏色、頻散質量評價以及射線路徑等，如圖4所示。

圖4 槽波旅行時數據檢測方法

例如，基于槽波旅行時曲線的檢測方法是將拾取的槽波旅行時數據大小以折線圖的方式表示，每條折線段和折線端點處的顏色對應于槽波旅行時數據大小，在此基礎上可以快速準確地對單個槽波旅行時數據進行初步校正，如圖5所示。

圖5 槽波旅行時曲線檢測方法

(2)對拾取完的槽波旅行時數據進行整體校正。在槽波地震數據采集中，由于炮點和檢波點的間距都很小，因此相鄰位置的槽波旅行時數據應該變化不大，理論上檢測板中所拾取的槽波旅行時數據整體應表現為自然過渡的漸變特征，可據此為標準進行槽波旅行時數據的整體校正。

4 應用實例

以義馬煤業新安煤礦11061工作面為例，初始拾取的槽波旅行時數據在檢測板上顯示的整體分布情況及其對應反演結果如圖6所示。由圖6可以看到，盡管檢測板上中間部分顯示所拾取的槽波旅行時較為完整，但右上角與左下角的槽波旅行時數據缺失較為嚴重，且整體數據分布并沒有呈現出自然過渡的特征。從對應的反演結果來看，中低速區都集中在右側，速度最低為800 m/s，高速區較為突出，速度最高為2800 m/s，且沒有出現速度空白區，表明所拾取的槽波旅行時數據存在偏差。

首先采用綜合方法對初始拾取的槽波旅行時進行檢測和校正，對前7個震源的16～21道(即檢測板右上角)以及第30～35個震源的1～4道(即檢測板左下角)槽波旅行時數據進行了補充完善。隨后對槽波旅行時數據進行整體校正，由于第24～28個震源的17～19道的槽波旅行時數據質量較差，對其進行了部分刪減，從而使得校正后的槽波旅行時數據整體呈自然過渡的漸變特征。通過以上兩個方面對義馬煤業新安煤礦11061工作面的槽波旅行時進行處理后，其數據特征及其反演結果如圖7所示。由圖7可以看出，利用校正后數據所得出的反演結果相比原反演結果存在顯著差異，其中低速區集中在右側，速度最低為900 m/s，高速區基本集中在中部，速度最高為2500 m/s，且左上角為速度空白區。結合實際生產情況，該反演結果與校正前的原反演結果相比更為精確可信。

圖6 初始拾取的槽波旅行時數據及其反演結果

圖7 修正后的槽波旅行時數據及其反演結果

5 結論

(1)在特定頻率下，煤層厚度與相應的槽波群速度呈負相關，據此原理通過特定頻率下的層析反演結果可以實現煤厚的有效判識。

(2)槽波旅行時數據拾取中的微小誤差均會導致反演結果的不穩定，進而對煤厚預測產生不良影響，因此檢測分析槽波旅行時數據的合理性直接影響層析反演的精度，這也是預測煤層厚度的關鍵。

(3)基于道集排列、槽波旅行時曲線等綜合方法對拾取槽波旅行時進行的數據初步檢測與校正以及槽波旅行時數據的整體質量校正可以有效地減小槽波旅行時數據的拾取誤差，增強反演結果穩定性，從而提高煤厚預測精度。