CO2集中力源的地震波場特征及應用

王 勃，孫華超，李興興，邢世雨，丁 昕

(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.中國礦業大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

煤礦井下非接觸類勘探方法中地震波法被廣泛使用且效果顯著[1]，其中槽波地震勘探已成為回采工作面采前的常規工作[2]。合理震源選擇及激發方式對于槽波地震勘探尤為重要，差異化的震源激發方式及激發條件產生不同特征的地震波場[3-4]，故針對震源開展研究具有重要意義。

震源按照力的性質可分為壓力源(脹縮源)[5]、剪切源[6]、集中力源[7]、偶極子源[8]、雙力偶源[9]、矢量源[10]、矩張量源[11]等。地震勘探中常用震源主要有壓力源、剪切源、集中力源[12]，其中壓力源激發后只產生縱波，剪切源激發只產生橫波，集中力源激發既產生縱波也產生橫波[13]。董清華[14]利用傅氏變換法分析了脹縮源、方向力震源、剪切源在均勻各向同性介質中的傳播特征。全紅娟等[5-6]利用二維數值模擬研究了脹縮源、集中力源、剪切源在各向異性介質中的波場特征;并且探究了不同震源在三維裂縫介質中的橫波分裂特征[7]。蔣錦朋等[15]通過數值模擬發現垂直于頂板的Z方向集中力源激發的地震波場受巷道干擾小，更易于識別特征波。

CO2震源通過調節泄壓頭的出氣口方向控制能量的激發方向，滿足集中力源的加載方式，進而實現震源的定向激發，同時CO2震源具有安全、無污染等優勢，可在高瓦斯礦井中安全使用[16]。該震源由CO2相變致裂技術演變而來[17]，2018年，筆者[18]發現其具有地震勘探震源的應用前景。隨后，李海軍、李穩等[19-20]證明了CO2震源作為地面勘探震源的可行性。2020年，筆者[21]開展了井下CO2震源槽波地震勘探研究，發現CO2震源的集中力源激發方式有利于槽波發育，但未考慮CO2差異集中力源的方向特性及波場特征。

基于此，筆者通過三維數值模擬研究不同集中力源在“巖-煤-巖”介質中的地震波場特征，以均勻介質模型波場特征為參照，探究集中力源的震源機制及三維三分量傳播特性，獲取煤層條件下不同集中力源的優勢激發方向和檢波器的最優接收方向，并利用CO2集中力源開展透射槽波勘探試驗研究。

1 原 理

1.1 CO2集中力源激發

啟爆器接通引爆電流后，加熱棒迅速釋放大量熱量，管內液態CO2轉換為高壓氣體，致使管內氣壓急速升高，氣體壓力超過剪切片控制壓力閾值時，剪切片被擊穿，超高壓CO2通過泄壓頭從出氣口噴出，定向釋放爆破力，產生地震波[22]。CO2震源通過改變泄壓頭的出氣口結構控制能量的激發方向(圖1(b)～(d))，進而實現X，Y，Z方向集中力源的定向激發。

現場施工時，將CO2震源送至鉆孔中，在鉆桿輸送夾持裝置進行標記，標記位置與震源出氣口方向一致，輸送及增加鉆桿時確保鉆桿與輸送夾持裝置緊密連接，直至送至孔底，實現定向激發。同時為了進一步確定鉆孔的實際軌跡，在CO2震源裝置后安裝隨鉆裝置[23]，獲取震源準確位置，為后期數據處理提供準確的觀測系統參數。

1.2 集中力源

集中力源模擬是差分網格某個結點上施加一個隨時間變化的作用力[7]，力的作用分別沿著X,Y,Z方向，其中X，Y,Z單向集中力源加載公式為

(1)

式中，x,y,z分別為坐標軸的3個方向;ρ為彈性介質中質點的密度;σxx，σyy，σzz為正應力分量;τxy，τyz，τxz為切應力分量;u,v,w分別為三維坐標系中x,y,z軸上的位移分量;t為地震波的傳播時間;ρfx,ρfy,ρfz分別為力函數在X,Y,Z方向上的等效體力分量，如式(2)所示:

(2)

式中，S為震源函數;ex,ey,ez為X，Y,Z軸方向單位向量;α,β和γ分別為集中力與坐標軸x,y和z的夾角，可表示為

α=〈f,x〉,β=〈f,y〉,γ=〈f,z〉

(3)

其中，X方向集中力源的α,β,γ夾角為0°,90°,90°，所以fx=Sex;同理，fy=Sey,fz=Sez。

2 數值模擬

2.1 模型參數及觀測系統

設計“巖-煤-巖”三維層狀模型，如圖2(a)所示。以模型邊界交點為原點，X軸方向沿著煤層走向方向，Y軸方向垂直于走向方向，Z軸方向垂直于頂底板，利用不同方向集中力源(X方向、Y方向、Z方向)進行激發，模型大小為300 m×300 m×300 m，煤層中心位于Z=150 m處，煤厚條測線沿著X方向，1號檢波器位置為(80 m，80 m，150 m)，15號檢波器位置為(220 m，80 m，150 m)，第2條測線沿著Y方向，16號檢波器位置為(80 m，80 m，150 m)(與第1條測線1號檢波器位置重合)，30號檢波器位置為(80 m，220 m，150 m)，檢波器道間距為10 m，震源位置為(150 m，150 m，150 m)，觀測系統示意圖如圖2(c)所示。模型采用典型地震參數[15,21]，利用高階交錯網格有限差分算法進行三維數值模擬[24]。

圖2 模型示意Fig.2 Model diagram

2.2 波場特征分析

圖3為40 ms時刻的X,Y,Z方向集中力源的三分量三維波場快照，波前面1為折射縱波，波前面2為折射橫波和轉換折射橫波的混合波列，波前面3為槽波、波前面4為透射縱波，波前面5為透射轉換橫波，波前面6為混合波列，由縱波在煤層界面形成的透射轉換橫波和透射橫波混疊形成。分別對3種集中力源波場快照進行分析:①X方向集中力源:X分量上，各類縱波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失，槽波在垂直于震源位置的XOY面上沿著X軸方向振幅缺失，沿著Y軸方向振幅最強;Y分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上振幅均缺失;Z分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失，同時折射縱波在垂直于震源位置的XOY面上振幅相對較弱;②Y方向集中力源:X分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上振幅缺失;Y分量上，各類縱波在垂直于震源位置的XOZ面上振幅缺失，槽波在垂直于震源位置的XOY面上沿著X方向振幅最強，沿著Y方向振幅缺失;Z分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的YOZ平面上振幅缺失，同時折射縱波在垂直于震源位置的XOY面上振幅較弱;③Z方向集中力源:X分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失;Y分量上，各類縱波、各類橫波以及槽波在垂直于震源位置的XOZ面上振幅缺失;Z分量上，各類橫波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上沿著Z軸方向上振幅出現缺失，折射縱波在垂直于震源位置的XOY面上振幅出現缺失，折射橫波、槽波振幅強。

圖3 X,Y,Z方向集中力源三維三分量波場快照Fig.3 Three-dimensional three-component wave field snapshot of X direction,Y direction and Z direction concentrated force source

圖4為X,Y,Z方向集中力源振幅歸一化后的三分量地震記錄，同相軸1為折射縱波，同相軸2為折射橫波和轉換折射橫波的混合波列，同相軸3為槽波。分別對3種震源三分量地震記錄進行分析:①X方向集中力源地震記錄:X分量地震波振幅最強，Y分量次之，Z分量最弱，在X分量地震記錄中，第1條測線中心位置槽波振幅最強，第2條測線槽波在測線中心位置振幅出現缺失;在Y分量地震記錄中，兩條測線中心位置地震波振幅均缺失;Z分量地震信號信噪比相對較低，因此，X分量中沿著震源位置的Y方向為震源優勢分量的優勢方向。②Y方向集中力源地震記錄:Y分量地震波振幅最強，X分量次之，Z分量最弱，X分量地震記錄中，兩條測線中心位置的地震波振幅均出現缺失;在Y分量地震記錄中，第1條測線中心位置槽波振幅出現缺失，第2條測線中心槽波振幅強，Z方向振幅相對較弱，因此，Y分量中沿著震源位置的X方向是震源優勢分量的優勢方向。③Z方向集中力源地震記錄:主能量集中在Z分量，且兩條測線的槽波振幅均未缺失，X分量和Y分量地震波振幅相對較弱，因此震源Z分量為優勢分量。

圖4 X，Y，Z方向集中力源三分量地震記錄(歸一化處理)Fig.4 Three component seismic records of concentrated force source in X direction,Y direction and Z direction (normalization processing)

綜上所述，Love型槽波的優勢分量為X分量和Y分量，Z分量是Rayleigh型槽波的優勢分量[25]。假設以X方向為巷道掘進方向(通常為煤層走向)以及Y方向為面內方向(通常為煤層傾向)時，Y方向集中力源適合Love型槽波超前探測，由于檢波器和震源在同一巷道，因此檢波器應采集Y分量信號;X方向集中力源適合面內探測，當檢波器與震源在同一條巷道，檢波器應采集X分量地震記錄;當檢波器與巷道不在同一條巷道但與震源巷道平行時，檢波器應采集X分量地震記錄，當檢波器與震源不在同一條巷道且與震源激發巷道垂直時，檢波器應接收Y分量地震記錄;Z方向集中力源適合Rayleigh型槽波勘探，此時，檢波器只需要采集Z分量地震信號，由于兩條測線均不缺失，因此，既適合地震超前探測，也適合面內地震勘探。

3 力學機理

3.1 均勻模型集中力源的體波形成機理

根據震源力的加載方式進行物理分析，以均勻模型為背景條件，分析X方向集中力源力學特性(圖5，其中，P波為縱波，S波為橫波，其質點振動方向與傳播方向垂直的波，具體在三維空間下可分為2種：質點振動發生在與波的傳播面相垂直的面內的波為SV波,質點振動發生在與波的傳播面相平行的面內的波為SH波)。縱波的偏振方向與傳播方向一致，橫波的偏振方向與傳播方向垂直，在XOY面上，根據地震波的傳播方向將震源力沿著縱波的偏振方向和橫波的偏振方向進行分解(圖5(b));再將縱波偏振方向的力沿著X分量和Y分量進行投影，如圖5(c)所示;同時將橫波偏振方向的力沿著X分量和Y分量進行投影，如圖5(d)所示。X分量的XOY面上，垂直于震源位置X方向上沿著地震波傳播方向力的投影值最大，因此縱波沿著該方向振幅最強，Y方向上沿著地震波傳播方向力的投影值為0，所以縱波振幅缺失，而其他方向沿著地震波傳播方向力的投影值均不為0，因此縱波振幅不缺失，但弱于X方向縱波振幅;沿著震源位置的Y方向上垂直于傳播方向力的投影值最大，因此橫波沿著該方向振幅最強，沿著X方向上垂直于傳播方向上力的投影值為0，橫波振幅缺失，而其他方向上垂直于傳播方向力的投影值均不為0，因此橫波振幅不缺失，但弱于Y方向的橫波振幅。Y分量的XOY面上，由于震源位置的X方向和Y方向上沿著地震傳播方向和垂直方向上力的投影值均為0，所以縱波、橫波沿著震源位置的X方向和Y方向振幅均缺失，但其他方向上沿著地震波傳播方向和垂直方向力的投影值均不為0，因此其他方向縱波、橫波振幅均不缺失;Z分量的XOZ面上，由于Z分量在XOY面上沿著地震波傳播方向和垂直方向力的各方向投影值為0，因此Z分量XOY面上地震波振幅缺失。為了驗證力學分析的準確性，利用X方向集中力源在均勻介質中進行三維數值模擬(將圖2中巖-煤-巖模型中的煤層用圍巖參數充填)，數值模擬結果與力學分析完全吻合(圖6)。

圖5 X方向單向集中力源物理分析Fig.5 Physical analysis diagram of X direction concentrated force source

圖6 均勻介質模型中X方向集中力源40 ms時刻的三維波場快照Fig.6 Three-dimensional wave field snapshots at 40 ms of the X direction concentrated force source in the uniform medium model

同理，在XOZ面上，根據地震波的傳播方向將震源力沿著縱波的偏振方向和橫波的偏振方向進行分解，如圖5(e)所示;再將縱波偏振方向的力沿著X分量和Z分量進行投影，如圖5(f)所示;同時將橫波偏振方向的力沿著X分量和Z分量進行投影，如圖5(g)所示。X分量的XOZ面上，震源位置X方向上沿著地震波傳播方向力的投影值最大，因此縱波沿著該方向振幅最強，Z方向上沿著地震波傳播方向力的投影值為0，所以縱波振幅缺失，而其他方向沿著地震波傳播方向力的投影值均不為0，因此縱波振幅不缺失，但弱于X方向縱波振幅;沿著震源位置的Z方向上垂直于傳播方向上力的投影值最大，因此橫波沿著該方向振幅最強，沿著X方向上垂直于傳播方向上力的投影值為0，橫波振幅缺失，而其他方向上垂直于傳播方向力的投影值均不為0，因此橫波振幅不缺失，但弱于Z方向的橫波振幅。Y分量的XOZ面上，由于Y分量在YOZ面上沿著地震波傳播方向和垂直方向力的各方向投影值為0，因此Y分量XOZ面上地震波振幅缺失;Z分量的XOZ面上，由于沿著震源位置的X方向和Z方向上沿著地震傳播方向和垂直方向上力的投影值均為0，所以縱波、橫波沿著震源位置的X方向和Z方向振幅均缺失，但其他方向上沿著地震波傳播方向和垂直方向力的投影值均不為0，因此其他方向縱波、橫波振幅均不缺失。在YOZ面上，沿著地震波傳播方向力的投影值為0(圖5(h)～(j))，因此X分量、Y分量、Z分量上的縱波振幅均缺失;沿著垂直于地震波的傳播方向上在Y分量和Z分量上力的投影為0，因此，Y分量、Z分量在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失，但相對于X分量而言，相當于在YOZ面上加載剪切力，因此，X分量橫波振幅強，且各方向上無振幅缺失。上述研究結果與三維波場快照結果完全吻合(圖6)。

綜上所述，均勻介質條件下X分量中縱波沿著震源位置的X方向振幅最強，在垂直于震源位置沿著Z方向上振幅缺失;橫波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅最強，在垂直于震源位置的XOY和XOZ沿著X方向振幅缺失；Y分量上，縱波、橫波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上振幅均缺失;Z分量上，縱波、橫波在垂直于震源位置的XOY面和YOZ平面上振幅缺失。Y方向集中力源與Z方向集中力源力學機理與X方向集中震源同理類推。

3.2 煤-巖-煤模型集中力源的槽波發育機理

對比均勻介質條件下的波場特征，發現X方向集中力源在煤層中激發的地震波更為復雜，當震源在煤層中激發后，地震波在煤層上下界面發生波的轉換[26]，同時在煤層中干涉形成槽波，地震波能量被禁錮在煤層中[27]，進一步分析均勻介質和“巖-煤-巖”3層介質的波場快照:①X分量波場快照，煤層條件下存在槽波，沿著震源位置的X方向上折射橫波振幅不缺失，原因是由于折射縱波在頂底板界面轉換產生轉換折射橫波，彌補了均勻介質條件下的振幅缺失;由于沿著震源位置的Y方向折射橫波能量最強，該方向上干涉形成的槽波能量最強，因此為該震源優勢分量的優勢方向。②Y分量波場快照，煤層條件下存在槽波，由于各類縱波、橫波在沿著震源位置的XOZ和YOZ面上均缺失，沒有發生波的轉換，所以煤層條件下各類縱波、橫波以振幅缺失，進而無法干涉形成槽波，因此在2個平面上槽波振幅缺失。③ 煤層介質條件下Z分量的煤層中有地震波，而均勻介質條件下地震波振幅缺失。其原因是煤層的存在使得地震波被禁錮在煤層中，所以Z分量的XOY面上地震波振幅不缺失，但振幅相對較弱。同理，Y方向集中力源與X方向集中震源相似。Z方向集中力源力的加載方式相當于在XOY面上加載了剪切力，因此Z分量的XOY面上橫波振幅不缺失。當滿足Love型槽波的激發條件時，SH波干涉形成槽波，振幅能量不缺失;當滿足Rayleigh型槽波的激發條件時，當P波遇到煤層界面后，產生的各類反射波被禁錮在煤層中，為P波和SV波的干涉形成條件，P波和SV波均不缺失，因此干涉形成Rayleigh型槽波振幅不缺失;綜上所述，槽波在兩個方向上振幅不缺失(圖4(i))。

當滿足Love型槽波激發條件時，Z分量地震記錄信噪比低于X分量和Y分量，所以，Love型槽波的優勢震源為X方向集中力源和Y方向集中力源，具體應根據不同的勘探目的選擇合適的震源。當滿足Rayleigh型槽波的激發條件時，Z分量沿著力的方向縱波振幅最強，在煤層中的橫波振幅能量強且不缺失，因此振幅強的P波和SV波相遇后干涉形成的Rayleigh型槽波振幅最強;而X方向集中力源和Y方向集中力源產生的地震波均不能滿足振幅強P波和振幅強的SV波在煤層中發生干涉，因此，Z方向集中力源激發產生的Rayleigh型槽波振幅更強。

因此，X方向集中力源適合面內Love型槽波探測，Y方向集中力源適合Love型槽波超前探測，Z方向集中力源適合Rayleigh型槽波勘探。

4 應 用

4.1 觀測系統

在陽泉礦區3417工作面進行探測試驗[21]，煤層厚度2.10～2.55 m，平均為2.35 m。利用上述數值模擬研究的優勢集中力源及優勢方向結論，開展面內透射勘探試驗，CO2集中力源激發方向設定為X方向(沿著巷道方向)，采用單分量檢波器接收X分量地震記錄，在輔助進風巷布設X方向CO2集中力源，共計11個，在進風巷布設40個檢波器，道間距為10 m，觀測系統如圖7所示。以R1檢波器的位置為原點建立坐標系，以進風巷方向為X軸，以垂直于進風巷方向為Y軸，垂直于頂底板為Z軸。

圖7 CO2集中力源與檢波器布置Fig.7 CO2 concentrated force sources and receivers layout

圖8 透射地震記錄Fig.8 Transmission seismic records

4.2 地震記錄及衰減成像結果

圖8為CO2集中力源的原始透射地震記錄(S1震源和S11震源)，由于R19,R22,R24,R39錨桿耦合效果差，這4個檢波器設置無效。從地震剖面中可以看出典型的3組地震波。第1個到達信號是折射縱波，縱波速度3 500 m/s；第2個到達信號是折射橫波，橫波速度1 800 m/s；第3個到達是槽波，該信號是透射槽波的埃里震相，速度約900 m/s。對上述11個地震信號中的槽波進行衰減成像[28]，如圖9所示，進風巷存在一處地質異常區，其位于X方向350～390 m，結合巷道掘進情況異常解釋為小型陷落柱，后續利用鉆探資料和探測結果進行對比，驗證結果與探測結果基本一致。

圖9 衰減成像Fig.9 Attenuation imaging

5 結 論

(1)煤-巖-煤三維模型中，X方向集中力源在X分量中沿著震源位置的Y方向槽波振幅最強，Y方向集中力源在Y分量中沿著震源位置的X方向槽波振幅最強，Z方向集中力源的優勢分量為Z分量;X方向集中力源適合面內Love型槽波探測，Y方向集中力源適合Love型槽波超前探測，Z方向集中力源適合利用Rayleigh型槽波勘探。

(2)力學分析了均勻模型及煤-巖-煤模型X方向集中力源縱波、橫波及槽波差異特征，研究了煤層界面對地震波傳播的影響機制，有助于進一步解釋煤層內部激發X方向集中力源加載下的體波、槽波波場特征和傳播機理。

(3)在受炸藥限制的高突礦井，采用X方向CO2集中力源進行面內透射槽波勘探，利用優勢X分量接收11炮CO2震源地震信號，地震信號縱波、橫波及槽波波組清晰且易于分辨，槽波衰減成像解釋的陷落柱與實際基本吻合。

同時，CO2震源可以調整泄壓頭的出氣口組合、位置進而實現震源激發方式升級，如偶極子源，雙力偶源等，下一步重點圍繞CO2震源多類型激發條件下的波場特征，以及匹配精準地質構造探測的CO2震源優勢加載方式及接收分量類型開展研究。