基于克希霍夫偏移的槽波超前探测方法及应用.pdf

第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China; 3. MNR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments, Institute of Mineral Resources, CAGS, Beijing 100037, China Abstract In order to detect the geological structures in the front of the working face 1199 in Gequan mine of Xingtai mining area, underground channel wave seismic exploration was used to conduct advanced detection, linear Radon trans was used to extract the reflection wave from the front of the roadway, parameter ination of the surrounding rocks were obtained through velocity analysis in time domain, The abnormal geological bodies in the front of the roadway were imaged through Kirchhoff migration. The results indicated that there existed anoma- lies at 205 m and 237 m away from the geophone point G12 in the front of the excavating roadway, corresponding to the mined-out roadway and the fault SF4 respectively; The velocity parameters were extracted through velocity analysis, it was judged preliminarily that SF4 was water-bearing. The drilling verification results showed that Kirchhoff migration can image the faults in front of the roadway. Keywords channel wave; dispersion analysis; advanced detection; Kirchhoff migration; Gequan mine of Xingtai mining area 煤矿巷道掘进过程中，要求掘前必须探明前方 异常，钻探方法探测的成本较高，若采用槽波法进 行超前预报，在异常区利用少量钻探进行验证，不 仅提高工作效率，还可以降低成本。槽波是沿着煤 层传播的一种导波，因上下围岩地震波速度高于煤 层内地震波速度[1-5]，煤层内地震波向上下围岩辐射 传播时，超过临界角，地震波发生全反射，并且部 分频率的全反射波在煤层内发生相长干涉现象，并 第 4 期 赵云佩等 基于克希霍夫偏移的槽波超前探测方法及应用 187 向前传播，具有频散特征[6-11]。 20 世纪 70 年代，德国与英国合作，首先提出将 矿井槽波探测技术应用到隧道超前探测工作中， 并取 得了一定的成果[12-14]。瑞士的 Amberg 公司随后利用 地震反射波探测原理， 研制开发了第一套完整的超前 预报系统 TSPTunnel Seismic Prediction，目前该系 统升级为 TSP-303， 因该仪器由铁路系统首先引进并 推广，在铁路隧道预报中得到广泛应用[15]。 国内煤炭井下槽波超前探测工作源于铁路隧道 地震波法超前预报技术。而我国的铁路隧道地震波 法超前预报工作开展较晚，在经历学习、理解、创 新过程后，铁路隧道地震波法超前预报技术与仪器 取得重要进展[16]。基于直达波走时曲线和反射波走 时曲线成反八字型、且相位延伸线交点位于构造面 的位置，曾昭璜[17]在高信噪比数据前提下提出负视 速度法，该方法在围岩速度差异小，直观有效。 中国科学院及相关高校在借鉴医学上的 CT 成像 技术[18]、VSP 测井技术[19]、多波多分量技术[20] 等 多种地球物理技术的基础上，开发了相应的隧道与 矿井地震超前预报系统，并在超前预报中取得实用 效果。 随着槽波地震探测仪器硬件与处理解释软件技 术的发展，超前探测的距离、分辨率和精度不断提 高[21-24]，其探测仪器向智能化、抗干扰能力强方向 发展[25]。 探测掘进巷道前方断层构造要素是解决煤矿安 全生产的重要地质问题。超前探测不仅要查明断层 位置，也要查明断层含水性。本文利用克希霍夫积 分偏移成像获得迎头前方断层位置；通过速度分析 获得围岩与煤层速度信息，为掘进生产提供断层构 造详细的地球物理参数，并应用在邢台矿区葛泉矿 1199 工作面的井下槽波地震勘探中。 1 方法原理 1.1 超前预报工作原理 在靠近掌子面迎头位置布置多个震源，一般 在震源孔中放入一定量的炸药，炸药爆炸时会激发 地震波并向四周传播，在远离迎头位置布置检波器 接收地震波。地震波在向四周扩散传播过程中，检 波器首先接收的是向后传播的直达 P 波，其次是向 前方传播的波遇到反射界面回传到接收点的反射 波，在反射界面同时产生转换波。下面结合模型说 明提取反射波与成像原理图 1。 1.2 模 型 图 1 中有 2 个岩性界面，岩石纵波、横波、密 图 1 地震波法超前预报剖面模型图 Fig.1 Model of advanced prediction of seismic wave 度参数如图中所示。模型由 3 种不同岩性组成，其 弹性波参数分别为 介质1， Vp3 800 m/s， Vs2 000 m/s， ρ2 000 kg/m3；介质 2， Vp4 200 m/s， Vs 2 200m/s， ρ2 300 kg/m3； 介质 3， Vp4 500 m/s， Vs2 550 m/s， ρ2 500 kg/m3，介质 1 与介质 2 界面倾角 60，介质 2 与介质 3 界面倾角为 80，网格剖分 1 m1 m，模 型大小 500 m400 m，采用高阶交错网格有限差分 数值模拟。共接收点道集波场如图 2 所示反射 P1 为模型中第 1 个倾角 60界面产生的反射 P 波，反 射 S1为模型中第 1个倾角 60界面产生的转换 S波； 反射 P2 为模型中第 2 个倾角 80界面产生的反射 P 波，反射 S2 为模型中第 2 个倾角 80界面产生的转 换 S 波。利用线性拉东变换提取来自掘进巷道前方 的反射波，对反射波进行常速度扫描分析，其原理 是给定一个常速度，计算巷道正前方进网格剖分点 上的反射波旅行时，并将地震道对应振幅值放置在 以接收点、激发点、网格点构成的椭圆上，按照这 一原则对给定的区间速度进行扫描计算。当速度接 近介质速度时，反射点对应的旅行时位于地震记录 反射同相轴上，其振幅值最大，从而得到该网格点 对应的均方根速度；在时间域内实现速度扫描获得 均方根速度以最大偏移距双程反射时间为截距， 以速度倒数为斜率，沿直线方向将各道相应振幅求 和，并将求和振幅值放置在速度–时间域平面内，当 搜索的直线路径与反射同相轴一致时， 该速度–双程 时间对应的求和振幅值最大，从而获得双程旅行时 对应的均方根速度探测距离在150 m内及断层面与 巷道轴线夹角在 6090时反射同相轴为直线；通 过拾取速度谱获得巷道前方煤层及煤层异常体的 P、S 波速度；最后利用克希霍夫积分偏移获得巷道 前方异常体成像信息。 188 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 2 模型共接收点道集记录 Fig.2 Gather record of common receiver point of the model 1.3 克希霍夫积分偏移 将掘进前方任意一点 O 看成反射点，以接收点 Ri、激发点 Rj为焦点，以接收点 Ri、激发点 Rj到反 射点距离和为等长 r 形成椭圆图 3。假设给定的速 度模型与实际速度一致时，将相对应旅行时振幅分 布在椭圆上，当考虑反射波角度、传播距离、相位 因素时，对振幅进行倾角校正、距离校正、相位校 正，将校正后的振幅分布在椭圆上，这种将振幅校 正并按照椭圆分布归位方法即为克希霍夫积分偏 移。对所有数据按照上述原则将相应的振幅校正后 沿着各自的椭圆分布， 在反射点处将形成相长干涉， 振幅同相叠加达最大值，在非反射点不发生相长干 涉，振幅值非同相叠加。对所有点进行上述振幅校 正，并沿椭圆分布，获得前方成像结果，任意一点 振幅归位求和数学表达式如式1。 图 3 克希霍夫偏移 Fig.3 Kirchhoff migration SR out 11 cos ij NNR S ij ji ij A A rt      1 式中 Aout表示输出点的求和振幅值，NS表示激发点 数，NR接收点数，θ 表示反射角，r 表示地震波传 播距离， ij R S A表示输入点振幅值。 模型数据克希霍夫偏移结果如图 4 所示，岩层 分界面与成像反射弧相切。 图 4 模型数据偏移结果 Fig.4 Data migration result of the model 2 工程实例 2.1 地质概况 葛泉矿 1199 工区属于邯邢煤田， 位于太行山隆 起带与华北沉降区的过渡地带。据已知钻孔揭露， 区内由老至新发育奥陶系、石炭系、二叠系及第四 系地层。井田范围内地表全被新生界第四系松散沉 积层覆盖，第四系与下伏地层呈不整合接触。 井田内主要含煤地层为石炭系、二叠系地层， 即二叠系下统山西组P1s、石炭–二叠系太原组 C2–P1t 和石炭系上统本溪组C2b， 总共含煤 1314 层，其中可采及局部可采煤层 6 层。 井田范围内断层走向以 NNENE 最为发育， 多为高角度正断层。根据井田三维地震及钻探资料 共解释断层 53 条， 其中落差大于 30 m 的断层 8 条， 占 13.5； 落差在 1030 m 的断层 12 条， 占 23.1； 落差在 510 m 的断层 14 条，占 26.9；落差小于 5 m 的断层有 19 条，占 36.5。 2.2 观测系统 断层探测观测系统平面图如图 5 所示，试验共 设计 4 个激发点，左右帮均分布 2 个激发点，间距 20 m，药量为 100 g，炮孔深 2 m；检波点间距 5 m， 布设 12 个检波器，最小炮检距 50 m 和 70 m。 地震勘探数据处理采用 TSP-SK 地震数据处理 软件，处理主要步骤定义观测系统、初至拾取、 炮时基校正、能量均衡、扩散补偿、带通滤波、反 Q 滤波、反射波提取、波场分离、速度分析、偏移 成像、岩石参数与反射信息提取。 第 4 期 赵云佩等 基于克希霍夫偏移的槽波超前探测方法及应用 189 图 5 葛泉矿东井观测系统图 Fig.5 The observation system of the eastern shaft of Gequan mine 2.3 数据处理与结果 在葛泉矿区进行的井下超前探测施工条件较 好，从原始共接收点地震记录看，围岩直达 P 波速 度约 4 500 m/s，煤层直达 P 波速度约 2 750 m/s，围 岩直达 S 波速度约 2 350 m/s，煤层直达 S 波速度约 为 1 650 m/s、直达槽波波速约为 900 m/s，各组直 达波同相轴连续性较好、初至呈线性分布、各道能 量一致性好图 6，从总体上看地震数据可靠、质量 较好。 用线性拉东变换方法提取前方反射波，见图 7， 在小偏移距及反射面与巷道轴向夹角大于 60条件 下，反射波时距曲线为线性同相轴分布。按照时间 域速度分析方法获得速度谱并计算相应层速度，如 图 8 所示。图 8a 为 P 波速度谱，图 8b 为 S 波速度 谱，图 8c 为拾取的均方根速度换算的层速度。图 8b、 图 8c 中坐标起止点 0 m 坐标位置为图 5 中 G12 检波点位置。 图 6 S1 炮 x 分量记录与直达波速度分析 Fig.6 x component record of shot S1 and velocity analysis of direct wave 图 7 炮集数据与反射波提取 Fig.7 Shot gather data and extraction of reflection wave 190 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 8 速度谱与速度参数 Fig.8 Velocity spectrum and velocity parameters 图 9a 为葛泉矿东井试验偏移成像结果图， 本次 试验探测目标为掘进巷道前方 SF4 断层。在偏移结 果中显示了探测范围内煤层各处的地震波振幅大 小，正相位振幅越大、对应区域颜色越偏红色，表 示附近存在地质构造正异常体如断层的几率越 大；反之负相位振幅越大、对应区域颜色越偏深蓝 色，表示附近存在地质构造负异常体如巷道的几 率越大。克希霍夫偏移成像法处理结果显示，探测 范围内有多个正负振幅组成的反射弧，分别对应于 不同的反射波组。 2.4 综合解释 根据波速变化与成像结果地震波法超前地质 预报对前方异常体识别具有如下规律[26] a. 反射振 幅高低与界面反射系数或前后围岩波阻抗大小正相 关；b. 正反射系数表示波速增加、岩性刚性变强， 负反射系数表示波速降低，岩性刚性变弱；c. 波速 比或者泊松比突然增大，表示围岩流体存在；d. 相 同围岩内纵波波速下降，表示围岩节理发育或孔隙 度增加。 钻探验证孔揭露断层 F4 位置。钻孔位于巷道 迎头位置。钻探 1 孔方位角 315，倾角–18，孔 深 89.5 m，未见断层；钻探 2 孔方位角 335，倾 角–18，孔深 76.1 m，见断层；钻探 3 孔方位角 22，倾角–18，孔深 81.5 m，见断层。图 9 中坐 标 205 m参考点 0 m 为 G12 检波点附近为巷道反 射，显示为负反射与实际巷道反射一致，在 237 m 附近为断层，显示正强反射，与钻探揭示断层位 置一致。237 m 附近断层走向垂直于巷道，与 SF4 断层一致。断层反射处纵横波波速增大，同时波 速比增加，表明 SF4 含水。 3 结 论 a. 井下超前探测数据采集受观测空间的限 制，排列短、观测系统不规则，且对地质目标体成 像精度要求高。 克希霍夫偏移成像方法不仅适用于 非规则采集的数据体， 而且能够对前方异常体准确 成像。 b. 通过速度分析提取 P、S 波速度及波速比， 为识别异常体及判断异常体性质提供了一种有效 手段。 c. 本次超前探测解释只利用了巷道前方反射 波信息，而井下全空间波场成像与分析可提高井下 槽波超前预报，解决煤矿更多地质问题。该技术是 进一步研究方向。 第 4 期 赵云佩等 基于克希霍夫偏移的槽波超前探测方法及应用 191 图 9 葛泉矿东井试验综合解释成果图a 偏移结果；b 工区图黑色线为断层和巷道异常位置 Fig.9 The comprehensive interpretation results of the test in the eastern shaft of Gequan mine 参考文献 [1] 刘天放，潘东明，李德春，等. 槽波地震勘探[M]. 徐州中 国矿业大学出版社，1994. [2] EVISON F F. A coal seam as a guide for seismic energy[J]. Na- ture，1955，17644951224–1225. [3] AKI K，RICHARDS P G. Quantitative seismologyTheory and s[M]. San Francisco W H Freeman and Company， 1980. [4] BUCHANAN D J. The propagation of attenuated SH channel waves[J]. Geophysical Prospecting，1978，26116–28. [5] BUCHANAN D J，JACKSON P J，DAVIS R. Attenuation and anisotropy of channel waves in coal seams[J]. Geophysics， 1983， 482133–147. [6] DRESEN L， FREYSTATTER S. Model seismic investigations on the use of Rayleigh channel waves for the in-mine seismic detec- tion of discontinuities[C]//Proceedings of Coal Seam Disconti- nuities Symposium. Pittsburgh，Pennsylvania，USA1976. [7] DRESEN L，FREYSATTER S. Rayleigh channel waves for the in-seam seismic detection of discontinuities[J]. Journal of Geo- physics，1976，42111–129. [8] DRESEN L，FREYSTATTER S. The influence of oblique-dip- oblique-dipping discontinuities on the use of Rayleigh channel waves for the in-seam seismic reflection [J]. Geophysical Prospecting，1978，261–15. [9] DRESSEN L，KERNER C，KUHBACH B. The influence of an asymmetry in the sequence of rock/coal/rock on the propagation of Rayleigh seam waves[J]. Geophysical Prospecting， 1985， 33 519–539. [10] EWING W M，JARDETZKYW S. Elastic waves in layered media[M]. New YorkMcGraw-Hill，1957. [11] FRANSSENS G R， LAGASSES P E， MASON I M. Study of the leaking channel modes of in-seam exploration seismology by means of synthetic seismograms[J]. Geophysics，1985，503 414–424. [12] 杨思通，程久龙. 煤巷小构造 Rayleigh 型槽波超前探测数值 模拟[J]. 地球物理学报，2012，552655–662. YANG Sitong，CHENG Jiulong. The of small structure prediction ahead with Rayleigh channel wave in coal roadway and seismic wave field numerical simulation[J]. Journal of Geo- physics，2012，552655–662. [13] 程久龙，李飞，彭苏萍，等. 矿井巷道地球物理方法超前探测 研究进展与展望[J]. 煤炭学报，2014，3981742–1750. CHENG Jiulong， LI Fei， PENG Suping， et al. Research progress 192 煤田地质与勘探 第 47 卷 and development direction on advanced detection in mine road- way working face using geophysical s[J]. Journal of China Coal Society，2014，3981742–1750. [14] 程建远，江浩，姬广忠，等. 基于节点式地震仪的煤矿井下槽 波地震勘探技术[J]. 煤炭科学技术，2015，43225–28. CHENG Jianyuan，JIANG Hao，JI Guangzhong，et al. Channel wave seismic exploration technology based on node digital seis- mograph in underground mine[J]. Coal Science and Technology， 2015，43225–28. [15] 殷瑞华，徐义贤. TSP-203 在鹰嘴岩隧道超前地质预报中的应 用[J]. 工程地球物理学报，2009，63112–116. YIN Ruihua，XU Yixian. The application of TSP-203 to the ad- vanced geological prediction of the Yingzuiyan tunnel[J]. Chi- nese Journal of Engineering Geophysics，2009，63112–116. [16] 张夏阳. 煤矿巷道前方中小型断层地震波特征及应用研究[D]. 北京中国矿业大学北京，2016. [17] 曾昭磺. 隧道地震反射法超前预报[J]. 地球物理学报，1994， 372268–271. ZENG Shaohuang. Prediction ahead of the tunnel face by the seismic reflection s[J]. Acta Geophysica Sinica，1994， 372268–271. [18] DU L Z， ZHANG X P， NIU J J， et al. The seismic CT in measuring rock bodies[J]. Applied Geophysics，2006，33 192–195. [19] 查欣洁，王伟，高星. 拟 VSP 与克希霍夫偏移法在隧道超前 预报中的应用[J]. 物探与化探，2016，401214–219. ZHA Xinjie， WANG Wei， GAO Xing. The application of pseudo VSP and Kirchhoff migration to the tunnel advanced geological prediction[J]. Geophysical and Geochemical Explora- tion，2016，401214–219. [20] 梁庆华， 宋劲. 矿井多波多分量地震勘探超前探测原理与实验 研究[J]. 中南大学学报自然科学版， 2009， 405 1392–1398. LIANG Qinghua，SONG Jin. Advanced detection theory and experimental research of multi-wave and multi-component seis- mic exploration in mine[J]. Journal of Central South University Science and Technology，2009，4051392–1398. [21] WANG E L，HAN L G，WANG D L. Multi-azimuth three- component surface seismic modeling for viscoelastic cracked monoclinic media[J]. Applied Geophysics，2007，4116–24. [22] ZHAO Y， LI P F， TIAN S. Prevention and treatment technologies of railway tunnel water inrush and mud gushing in China[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2013，56468–477. [23] 姬广忠. 反射槽波绕射偏移成像及应用[J]. 煤田地质与勘探， 2017，451121–124. JI Guangzhong. Diffraction migration imaging of reflected in-seam waves and its application[J]. Coal Geology Explora- tion，2017，451121–124. [24] 乐勇，王伟，申青春，等. 槽波地震勘探技术在工作面小构造 探测中的应用[J]. 煤田地质与勘探，2013，41474–77. LE Yong，WANG Wei，SHEN Qingchun，et al. Application of ISS in detection of small structures in working face[J]. Coal Ge- ology Exploration，2013，41474–77. [25] ZHAO Y B，CHEN S G，TAN X R，et al. New technologies for high-risk tunnel construction in Guiyang Guangzhou high-speed railway[J]. Journal of Modern Transportation，2013，214 258–265. [26] 叶英. 隧道地质预报手册[M]. 北京人民交通出版社股份有 限公司，2016. 责任编辑 聂爱兰