随采地震井–地联合超前探测的试验研究.pdf

第 44 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.6 2016 年 12 月 COAL GEOLOGY Key Projects of Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG2014ZD006 作者简介 覃思1981，男，湖南吉首人，博士，助理研究员，从事随采地震勘探研究工作. E-mailqinsi 引用格式 覃思. 随采地震井–地联合超前探测的试验研究[J]. 煤田地质与勘探，2016，446148–151. QIN Si. Underground-surface combined seismic while mining advance detection[J]. Coal Geology seismic while mining; advance detection; underground–surface combination 煤炭采掘前对采空区一定要提前探明，否则有 可能造成极大的损失。 然而在井下进行超前勘探时， 超前距离有限，对距离较远的异常构造勘探效果不 尽理想。若能用井下激发、地面接收的方式进行勘 探，超前距离会大大增加，勘探效果也更好[1]，这 种勘探方式称为“井–地联合地震勘探”。 煤矿井下的采掘活动会激发出能量足够的震动 波，若能利用采掘活动激发的震动作为震源，探测 工作面内部或者掘进面前方一定区域内的地质构 造，则井下勘探可以摆脱放炮的安全隐患及对正常 采掘生产的影响。采用这种勘探方式，煤矿的采掘 活动可以成为地震勘探的“免费”震源，实现在采掘 的同时进行超前探测[2-9]，这种勘探方式称为“随采 地震勘探”。 煤矿的采掘会引起上覆岩层的变化。对于放顶 式采煤，上覆岩层会塌陷，而对于老式的房柱式采 煤，上覆岩层由于应力改变会出现地震波速改变。 此外，地震波传播到巷道边界，会产生散射，形成 新的震源[1,10-13]。这为探测采空区、废弃巷道等地质 异常创造了条件。 若将随采地震勘探与井–地联合地 第 6 期 覃思 随采地震井–地联合超前探测的试验研究 149 震勘探结合在一起，在采掘机械附近布置参考地震 道，在地表合适区域布置地震检波器，就有望实现 煤矿地质构造的超前探测。此种技术构想的关键在 于，用采掘机械的震动做震源，震波穿透地层被接 收到后，其效果能否与放炮震源相比拟 为了回答这个问题，我们在陕北某煤矿进行了 井–地联合随采地震勘探试验。 1 勘探区概况及观测系统 勘探区位于陕北黄土塬向内蒙古草原过渡地 带，地表地形为风沙草滩与丘陵沟壑。附近区域有 一口钻井，其岩心资料显示，该区表层是约 5 m 厚 的风积沙层，其下是 46 m 厚的黄土层，基岩面下是 约 9 m 厚的泥岩层及约 48 m 厚的砂岩层夹杂一层 1.3 m 厚的煤层。采掘目标煤层距离地表约 120 m。 在采煤工作面上方地表，顺切眼方向用地面地 震仪布置了一条测线，共 54 道，道间距 5 m 左右。 用 3 台可连续采集的节点式地震仪， 经 GPS 授时后， 3 号机布置在井下采煤机附近，1、2 号机布置在地 表，且将其中 2 道分别与测线第 2 道、第 48 道同穴 埋置。地表测点如图 1 所示。 井下采煤工作面的位置在地表测线下方， 如图 1 所示意。因采煤机工作时沿切眼来回运动，为采集 到源场信号，井下采煤机附近节点式地震仪的测点 必须跟随采煤机阶段性移动，因此无法在图 1 中给 出其确切的位置。 图 1 地表观测系统设计 Fig.1 Design of surface acquisition system 由于 3 台节点式地震仪自带时钟同步，故通过 地表两处同点埋设，能实现井下源场节点式地震仪 与地面常规地震仪所采数据的精确对时。 2 方法原理 掘进机震动信号是长时延信号，必须设法将其 转化为类似脉冲信号， 才能用其进行地震勘探。 此处 借鉴可控震源的滑动相关处理法对数据进行处理[2]。 可控震源扫描信号 st理论上具有这样的优良性质    d00 d00 s ts tt s ts tt            1 式中 δτ是单位冲击函数。 st被可控震源送入地下 后，遇到一系列反射界面，生成一系列反射波，这 些反射波混叠在一起被检波器记录下来。当用 st 与混叠的反射波信号相关，由式1，可知能将叠加 的多层反射波信号压缩成近脉冲信号，从而区分出 来自各反射层的反射波，如图 2 所示。 图 2 可控震源工作原理图 Fig.2 The schematic diagram of Vibroseis 对于采煤机震动信号，由于其频率、相位、振 幅、延续长度均无法如可控震源扫描信号那样高度 可控，因而不具有式1的优良性质，直接应用相关 法一般只能得出各道与参考道的大致走时差，很难 观察到反射波。 一个信号若其频谱中存在频带较窄、幅度相对 很大的优势频率，其自相关结果会出现延续度较长 的振荡，这对提高相关结果的分辨率很不利，采掘 机械的震动信号就是如此。但是，采掘机械产生的 震动信号频带足够宽，这为我们应用相关法创造了 条件[2]。 设采掘机械的震动信号为 et，通过快速傅里 叶变换FFT将其变换至频域信号 E FFT e tE  2 将 Eω进行谱白化，获得频谱函数 E1ω 1 EEE 3 将 E1ω经快速逆傅里叶变换IFFT变换至时 域信号 e1t IFFT 1 1 Ee t  4 经过改造，e1t中各频率分量的强度相等，这 可使相关结果主峰的旁瓣衰减大大加快，能大大提 高相关结果的分辨能力。 150 煤田地质与勘探 第 44 卷 3 试验数据处理 数据分为 2 部分，第一部分为地面观测记录， 包括地面地震仪采集的54道数据及2台节点式地震 仪采集的 6 道数据；第二部分为 1 台节点式地震仪 在井下综采机附近采集的 3 道数据。图 3 是地表地 震仪所采集的部分数据截图，可观察到割煤机破煤 时有大能量输出。 图 3 地表地震仪所采部分数据 Fig.3 A part of data acquired by surface seismometer 图 4 是节点式地震仪 1 号机所采部分数据截图， 可观察到采煤机割煤与暂停割煤时的震动能量差异。 图 4 节点式地震仪地表所采部分数据 Fig.4 Surface data of node seismometer 由于井下采集点无法与地面采集点实时通讯， 二者实际上是独立采集的数据，为综合二者所采数 据进行分析，必须进行时间比对。 在设计观测系统时，节点地震仪 1 号机第 2 道 与地面地震仪第 48 道安置在同一位置、2 号机第 1 道与地面地震仪第 1 道安置在同一位置图 1。3 台 节点地震仪在工作前经 GPS 卫星授时，可保证时间 一致。两套仪器所采数据的时间比对可这样进行 选两套仪器的同穴道，取时长为 16 s 的地面地震仪 数据 A，取节点式地震仪中时段足够覆盖数据 A 的 数据 B，然后将二者进行滑动相关，若 a. 在某时移位置 T0上相关值取得最大； b. 相关值最大的前几个时移位置都在 T0附近。 则可以确信数据 A 的第 1 个样点与数据 B 的第 T01 个样点为同时刻采集的样点。 在获得两套数据的时间同步信息之后，通过滑 动相关求得相关剖面，就能获得类似于井下放炮、 地面接收的波至信息。本例中具体的数据处理流程 是选取一个地表地震仪记录，计算出它相对于井 下参考道数据的时移量，然后自此时移量开始，截 取 15.5 s 的井下参考道数据，与 16 s 的地表地震仪 数据滑动相关，获得长度 501 ms 的剖面。图 5 是用 此法得到的相关后剖面。从图 5 可观察到P 波波 至同相轴右翼的能量衰减厉害，频率降低，说明出 射此处的地震波经过的地层可能存在破碎，导致经 过此区域的地震波能量被吸收得较厉害。 图 5 随采地震井–地联合勘探数据相关后剖面 1 Fig.5 Underground-surface combined SWM data1 after correlation 图 5 中能隐约看到横波能量，但由于震源位置 在测线中间，偏移距不够大，横波能量很不清晰。 选用采煤机位置移动到测线端头时的数据处理结果 图 6，则能更清晰地观察到横波能量。 图 6 随采地震井–地联合勘探数据相关后剖面 2 Fig.6 Underground-surface combined SWM data2 after cor- relation 4 与炸药震源的对比 为评估随采地震技术处理的剖面与放炮震源的 差异，需要对比在相同条件下两种不同震源采集到 第 6 期 覃思 随采地震井–地联合超前探测的试验研究 151 的数据。为此，利用同一煤矿的相邻采区某掘进巷 道煤层中放炮、 在地面布设 10 m 道距测线接收到的 透射波数据，如图 7 所示。为与图 6 比对，仅截取 记录的前 28 道，其展布范围为 270 m，与图 6 展布 范围 265 m 接近。 图 7 炸药震源井–地联合勘探数据 Fig.7 Underground-surface combined seismic data using explosive source 对比图 7 与图 6，可见纵波的波至均清晰可辨， 能量都较强，且横波能量团的可辨识程度接近。这 说明在采煤机附近布设检波器采集源场信号，与远 场信号相关，能获得拟地震放炮震源的记录。 另外，地表采用的地面地震仪，其连续记录长 度极限为 16 s， 若能全部更换为连续记录的地震仪， 增加参与相关的数据长度，相关结果会更好。 5 结 语 本次试验利用采煤机为震源，进行了随采地震 井–地联合超前探测的可行性研究。 试验与同一煤矿 井下放炮、地面接收的数据做了对比，对比结果显 示随采数据处理出的纵波波至与放炮记录同等清 晰可辨，能量都很强；随采数据处理出的横波能量 团的可辨识程度与放炮记录相近。 可见，在采煤机或者掘进机附近布设检波器采 集源场信号，与地表的远场信号相关，能获得类似 放炮震源的良好记录。 而以放炮震源进行井–地联合 勘探，能准确探测到采空区、废弃巷道的边界位置。 因此，此技术有望实现边采掘边探、井–地联合地震 超前探测。 参考文献 [1] 覃思，程建远，胡继武，等. 煤矿采空区及巷道的井地联合地 震超前勘探[J]. 煤炭学报，2015，403636‒639. 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