薄层状介质中反射地震超前探测的特性分析.pdf

第 2 5卷第 6期 2 0 0 6年 1 2月 河 南 理工 大学 学 报 J OURNAL OF HENAN P OLYTEC HNI C UNI VERS I TY Vo 1 ． 2 5 No． 6 De c ． 2 0 0 6 薄层状介质中反射地震超前探测的特性分析 胡运兵 一，吴燕清 一，宋劲 1 ．煤炭科 学研究 总院 重庆分院，重庆4 0 0 0 3 7 ；2 ．中南大学 信息物理工程学 院。湖南 长沙4 1 0 0 8 3 摘要南方煤矿薄层状介质存在各向异性和横向各向同性并存的情况，其煤层的物性条件及 其赋存情况的几何形态又有利于槽波的形成 ，且地层地质构造发育，瓦斯、水等 灾害严重， 这些特征造成了南方煤矿薄层状介质中反射地震超前探测技术的复杂性和特殊性．作者从薄 层状介质模型出发 ，对地震波的传播 特性及反射地震超前探测技术的特征进行分析认为煤 层近似于横向各向同性介质，因此反射地震超前探测的动态弹性常数反映的是前方介质的物 理性质，在测线布置时应尽量布置在横向各向同性介质层 中，而不能布置在两层不同的介质 中，也不能布置在两层介质的交界面上 ；否则理论模型变得比较复杂，用数字描述 的难度 大，使资料解释的准确度和可信度降低 ． 关 键 词 薄层状介质；超前探测 ；横向各向同性 ；南方地区 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 4 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 7 3 3 2 2 0 0 6 0 6 0 4 6 9 0 5 1 问题的提 出 我国在 2 0世纪 9 0年代初就 开始进行反射地震超前探测方法 的研究 工作 ，并称为 “ 负视速度 法” l 1 】 ．国外在反射地震隧道超前预报的研究工作方面 ，瑞士 A mb e r g测量技术公 司较为成功，其开 发的 T S P T u n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n 超前预报方法在隧道工程 中已经有较好 的应用 J ． 在煤矿巷道的超前探测方面 ，传统的巷道超前预报方法主要是进行近距离的预测预报 ．随着煤矿 机械化程度的提高 ，传统的超前预报方法 已不能满足生产的需要，这为反射地震法远距离超前探测技 术提供了应用空间 ；但值得注意的是 ，煤巷中的反射地震法超前探测技术有其特殊性 ，特别是在我国 的南方煤 田地层中 ，其煤层较薄，煤层的物性条件及其赋存情况的几何形态复杂，有利于槽波的形 成，这些特征对其反射地震超前探测技术的影响都值得进行探讨 ． 2 薄煤层 中地震波的传播特性 2 ． 1 南方煤 田地 层的特 点 南方煤田地质构造复杂 ，瓦斯和水等灾害严重 ，且煤层较薄 ，厚度为 1 m以上就属于可采煤层 ， 甚至几十厘米的煤层也在进行开采；因此南方煤 田的地层属于薄层状岩层组成 的层状介质地层 ．图 1 为重庆某矿的地层柱状图，其中 M6 3煤层是当前主采煤层 ．从 图 1可以看 出，岩层非常薄，最薄的 只有0 ． 2 m，最厚的才 2 ． 5 8 m．图 2为在该地层条件下测得的地震波图谱 ．图 3是该地震波 的频谱 ， 由图 3可以得到该区地震波的主频为 4 3 8 Hz ． 2 ． 2 薄层状介质模型的波动理论 层状介质和平行的裂隙带趋于形成横向各向同性介质 ．一系列各向同性的地层 如沉积层 ，如 果波长远大于单层的厚度 8 d，其 中 d是层位厚度 [ 引，就会形成薄层各 向异性 ，对称轴垂直 于层位．以图 1的地层为例 ，波的频率 厂4 3 8 H z ． 收稿 日期 2 0 0 6 - 0 6 - 1 1 ；修回 日期2 0 0 6 - 0 7 - 1 2 基金项 目国家 9 7 3计划资助项 目 2 0 0 5 c b 2 2 1 5 0 0 ；国家 自然科学基金重点资助项 目 5 0 5 3 4 0 8 0 作者简介 胡运兵 1 9 7 3 一 ，男 ，四川泸县人 ．在读博士生 ．工程师，主要从事矿井物探设备 及方法 的研究工作 E - ma i l i f d g c q c c r i 1 2 6 ． c o m 维普资讯 4 7 0 河南理工大学学报 自然科 学版 2 0 0 6年第 2 5卷 粤 蜷 厚 度／ m 岩层 岩石 曩 计 真 厚 柱状 名称 岩 性 描 述 厚度 度 2 _ 3 9 2 - 3 9 石 灰岩B 4 灰色、致密，斑状结构 ，黄铁矿呈薄层状分布在断 口面上，含少量动物化石 2 ． 5 9 0 ．2 0＼ M6 ． 1 煤层 黑色、油脂光泽，含量点状黄铁矿，光亮煤 3 ． 7 0 1 ． 粉砂岩 深灰、黑色，粉砂结构，坚硬，层面平坦 4 ． 5 3 0 ． 8 3、 眇质泥岩 灰黑色 ，质硬，性脆 ，含菱铁矿结核，层面平行且平坦 4 ． 8 9 0 ． 3 6／ 叠 M6 ． 2 煤层 黑色，粉末状，无光泽，暗淡型煤 5 ． 8 8 0 ． 9 9 ／ 一 、 眇 质泥 岩 灰 黑 一 深 灰色， 含 管状 黄铁 矿和 菱 铁矿 结核， 性 脆 6 ．8 7 0 ． 9 9／ M 煤层 灰黑色，金刚光泽，性脆 ，易成鳞片状及粉末状 9 ．4 5 2 ． 5 8 眇质泥岩 深灰色，夹不规则泥质条带，显水平层理，层面平行 ，含菱铁矿结构 1 0 ．8 l l - 3 6 、 蠹／ 石 灰岩 B 3 灰褐色，致密、质硬 、性脆，含灰质团块和腕足类动物化石，下部裂隙发育 l 1 ．2 8 0 ． 4 7、 王 M 7 ．1 煤 层 灰 黑 色 ， 块 状 ， 含 黄 铁 矿 结 核 l 1 ．7 8 0 ． 5 0 ／ ■ ＼ 泥 岩 灰 白 色， 含 大量 植物 根部 化 石及 少量 铁锰颗 粒 l 3 ．0 3 1 ． 2 5 ／ 、 MT ．2 煤层 灰黑色，块状 ，亮暗型煤，节理明显，含少量黄铁矿结核 图 1 重庆某矿的地层柱状图 F i g． 1 S t r a t i g r a p h i c c o l u mn i n a c o a l mi l l e i n Ch o n g q i n g 时间／ ms 图2 薄岩层中测得的地震波 Fi g． 2 S e i s mi c wa v e s i n t h i n r o c k l _5 馨1 ． 0 鞲 O ． 5 O ～一一⋯． ． 4 o 0 图 3 F i g． 3 8 O O 1 2 0 0 1 6 O O 20 0 0 24 O O 2 8 0 0 频率， H z 薄岩层中的地震波频率 S c i s toi cwa v ei nt h i n r o c k 由于波长 ．【 、波的频率 ，与波速 之间的基本关系式为． 【 ．波速 取 3 5 0 0 m／ s 的纵波速 度，就得到 ． 【7 ． 9 9 m ；因此图 1的地层属于薄层各向异性和横 向各向同性并存的情况 ，对称轴垂 直于层位 ．对于薄层各向异性的情况，波的能量首先穿过高速层 ，平行层位 的振动的波传播速度快 ； 垂直层位振动的波 ，每个层位按 比例分配传播时间，其传播速度较慢 ．对于各向异性的程度 ，通常用 最大速度和最小速度的相对变化描述 ，即 V 一V i i v ，有时也用最大速度和最小速度之比 v ／ V i 来描述 ．对于接近地表的岩石 ，各向异性值是1 2 ～1 4 由于地震波在煤层 中的速度较低 ，因此煤层近似于横向各向同性介质．反射地震超前探测时 ，地 震波是在 面内传播 ，对称轴沿 z轴 ，位移相对于 轴的导数为零 ，但横 波可 以在 轴方 向振动 这种情况下横 向各 向同性介质的波动方程为 l D 2 ． 【 上 ， 1 a ． 一0 2 “ O ． ． 一0 2 “ O 2 lD II一3x2 O Z 2’ 一 l D 巾上2 3 在 3 式和 5 式中， 和 是相互关联的， 它表征了纵波和S V遮成对出现的原因； 2 式 描述 的 S H波 与纵 波和 S V 波没 有联 系 ，它是 独立 的 ． 2 ． 3槽波 现象 地震有效槽的存在是产生槽波的先决条件 ，这种槽通常就是夹在 2个岩层之间的煤层 煤层在物 理上具有这样的特性 ，即煤层与 围岩相比，煤层的密度小，波在煤层 中的传播速度慢，煤层的顶底界 维普资讯 第 6期 胡运兵等 薄层状介质中反射地震超前探测 的特性分析4 7 1 面就形成波反射的地震界面 ；因此在煤层 内激发的地震 波，通常是在煤层的上下界面反射 ，一定条件下，在煤 层中形成特殊槽波I 5 - 6 J 图 4 ． 槽 波 的频散越 大 ，煤层 中 的槽 波能量 就越 多 ．当频 率增高时 ，槽波的振幅在 围岩中较小 ，在煤层 中较大． 槽波具有标准的频散 ，所以槽波波列开始时频率低 ，结 束时频率高．埃里相就在波列末端 ，其振幅很大． 3 薄层状介质 中反射地震超前探测技术 图 4 槽波形成原理 F i g ． 4 Ch a n n e l wa v e o f f o r mi n g p r i n c i p l e 3 ． 1 反射地 震超前 探测 技术 反 射地震 超前 探测 是在 巷道侧 帮打孔布 置检 波器和震 源点 ，检 波器 和震 源点 在平行 巷道走 向 的一 条直线上．检波器和震源点埋入到巷道侧帮煤岩体中 1 ～1 ． 5 m ，这样能有效地避免面波和巷道驻波 的干扰 ，提供信噪 比．观测时在震源点用小药量激发产生地震波．地震波在煤岩 中以球面波形式传 播 ，当遇到岩石物性界面 即波阻抗差异界面 ，例如陷落柱等构造时，一部分地震信号反射 回来 ， 一 部分信号透射进入前方介质．反射的地震信号将由高灵敏度 的三分量地震检波器接收．由测得的从 震源点直接到达检波器的纵波传播时间换算出地震波的传播速度 Vp X l ， 4 式中， X1 为爆破孔与传感器的距离 ，m；T 1 为直达纵波的传播时间，s ． 已知地震波的传播速度 ，就可以通过测得的反射波传播的时间推导出反射面与检波器的距离 以及 与巷道 掘进面 的距离 ，即 X2 X3 2X2 X1 一 一 一 一 一 ’ 式中， T2 为反射波传播时间，s ； X2为爆破孔与反射面的距离，m； X3 为传感器与反射面的距离 ， m． 3 ． 2 测线布 置 的特点 煤矿 巷道 掘进 的特 点是 沿煤层 掘进 ，这对反 射 地震超前探测提供了一个较理想的横向各 向同性介 质模型，对超前探测的资料解释更有利 ，特别是对 有效利用弹性常数辅助进行资料的分析解释提供 了 可能．为了利用煤层近似于横向各项同性介质的有 利条件 ，测线布置时需要把测线尽量布置在煤层或 岩层中；值得特别注意的是测线不能布置在两层不 同的介质 中，也不能布置在两层介质 的交界 面上 图 5 ． 对于图 1所示 的地层条件 ，当测线布置在煤层 ■__ 二 - ．- - - - - - _ -- - - - - - - - - -- - ，二- - -L-．￡- - 二 | ￡ 己． 1 ， I 一 一一 一一 一一 一一 一 一一I I 一一 一一 一一 一 一一 ， 一l ■_一 图5 薄层状介质中测线布置示意 F i g． 5 L i n e s l a y o u t i n t h i n - l a y e r e d me d i a 中的时候 ，煤层的物性条件及其赋存情况的几何形态都有利于形成槽波 ．频散和极化分析中很容易区 分纵波、横波和槽波三大能量团的存在 ，在这种情况下槽波的影响较大 ． 3 ． 3 弹性 常数 在资料 解释 中的应 用 常用的弹性常数有杨氏模量 E 、泊松比 、体积模量 k、拉梅常数 和 ， 又称为剪切模量． 这些弹性常数都是在假定介质为各向同性 的基础上进行推导的，它们都定义为正值 ．事实上，岩石大 多数是成层的，每一层有不同的弹性， 且弹性还常随方向而变化，如果考虑各向异性问题就会变得非 常复杂．对于横 向各 向同性介质来说 ，在其一个面上是各 向同性 的，即具有相同的弹性 ；而在垂直于 该面的方 向，弹性是变化的 ，好多岩石，特别是页岩，是横向同性的；更重要 的是层状介质 ，尽管每 一 层是各向同性的，但层与层之间的弹性是变化的，它的总体效应是横向各向同性 的． 维普资讯 4 7 2 河南理工大学学报 自然科学版 2 0 0 6年第 2 5卷 由于煤层 近似于横向各 向同性介 质 ，因此 ，反射地震超前探测的动态弹 性常数 反映的是前 方介质 的物理性质 表 1 ，这为利用弹性常数辅助进行资 料解释以及提高解释结果的准确性和精 度提供了保障 ．不过现场测试 的动态弹 性常数不同于实验室测试的静态弹性常 数，如果对动态弹性常数进行实验测试 校正，它会发挥更大的作用 ． 4 探测实例分 析 以图 6所 示矿 区反射地 震超前 探测 为例，现场工作时把测线布置在 M6 3 煤层 中 ．从采 集 的原 始数 据看 ，数 据质 量 比较 理想 ，达到 了预想 的效果 ． 表 1 岩层动态弹性系数 Ta b ． 1 Dy n a mi c e l a s t i c i t y C O e f f i c i e n t 通过对探测数据 的速度分析 ，P波、S波分离 ， 偏移处理 ，提取出反射界面．从提取的反射界面可以 看到沿巷道轴 向上 ，在掘进工作面前方 2 0余米和 5 0 余米段存在明显的反射界面，但仅此还不足以判定探 测的异常体的性质 ，需要结合煤岩层的弹性常数进行 综合分析．提取的反射界面还显示在掘进工作面前方 大约 2 0 ～2 6 I T I 段存在较小的反射界面，主要为节理 或小构造影响区域 ．在掘进工作面前方约 5 0 ～5 8 IT I 段反射信号较强 ，主要为煤层夹矸影响或构造影响区 域 图 7 ． 5 结 论 薄层状介质地层在一定条件下同时存在 各向异性和横向各 向同性的情况 ，因此在测 线布置时应尽量布置在横向各向同性介质层 中，而不能布置在两层不同的介质中，也不 能布置在两层介质的交界面上 ；否则理论模 型变得 比较复杂 ，用数字描述的难度大，使砉 资料解释的准确度和可信度降低 ． 当测 线布置 在煤层 中的时候 ，煤 层 的物 性条件及其赋存情况的几何形态都有利于形 成槽波．频散和极化 分析 中很容易 区分纵 波、横波 3大能量团的存在．在这种情况下 槽波的影响较大 ．由于煤层近似于横向各向 同性介 质 ，因此反射 地震超 前探测 的动态 弹 性常数反映的是前方介质的物理性质，这为 。 。 一 ■ ．． T ’ ’ ’ 一 IL一 - 二 一 ， |二 二 | 二 _ J ． -、 二 二1 一 ■■ l ． l1 。一 ⋯⋯I⋯一一 一⋯．⋯⋯⋯一 ． l ’ 一一 一 ． Jrl r ． ． 一 rl 11 T _ 一 。 ．．1 1 r ． ■ ． _．． ■ ． ■．．．．．．．．。．．。 8 l 2 l 6 2 o 2 4 2 8 3 2 3 6 4 o 4 4 4 8 5 2 5 6 6 o 时间／ ms 图 6 原始数据图谱 F i g． 6 Ra w d a t ama p 超前探测距离， m 图 7 资料解释结果 Fi g． 7 Re s u l t s o f d a t a i n t e r p r e t a t i o n 利用弹性常数辅助进行资料解释 ，以及提高解释结果的准确性和精度提供了保障．如果对现场测试的 动态弹性常数进行实验测试校正 ，还可以利用校正后的数据实现一定程度的定量解释 ． ∞ ∞ 勰 ∞ I I 萄 维普资讯 第 6 期 胡 运兵等 薄层状介质中反射地震超前探测的特性分析4 7 3 参考 文献 [ 1 ] 何振起 ，李海 ，梁彦忠 ，等．利 用地震反射法进行 隧道施工 地质超 前预 报 [ J ] ．铁道 工程学 报 ，2 0 0 0 4 8 1 - 8 5． [ 2 ] [ 3 ] [ 4 】 [ 5 ] [ 6 ] 曾昭璜 ．隧道地震 反射法超前预报 [ J ] ．地球物理学报 ，1 9 9 4 ，3 7 2 2 6 8 2 7 1 赵永贵 ，刘浩 ，等．隧道地质超前预报研究进展 [ J ] ．地球物理学进展 ，2 0 0 3 ，1 8 3 4 6 0 4 6 4 ． S H E R I F F R E，G E L D A R T L P ．E x p l o r a t i o n s e i s m o lo g y[ M】 ．C a mb r i d g e Camb r i d g e Un i v e r s i t y P r e s s ，1 9 9 5 刘玉忠 ．采区槽波探测 的适应性分类 [ J ] ．煤 田地质与勘探 ，1 9 9 7 ，2 5 4 5 4 5 7 ． 王文德 ．煤层的槽波赋存状况及其分类 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 7 ，2 2 4 3 6 6 3 6 9 ． An a l y s i s o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f Re fl e c t i o n S e i s mi c Pi l o t De t e c t i n g Te c h n o l o g y i n Th i n La y e r e d Me d i a HU Yu n b i n g ， 一 ，W U Ya n - q i n g ，S ONG J i n ， 1 ．C h o n g q i n gBr a n c h o fC h i n aC o a l R e s e a r c hI n s t i t u t e ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7，Ch i na ；2 ．S c h o o l of I n f o p h y s i c s a n dG e o m a t i c s En n e e r i n g，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y t h e u n i q u e n e s s a n d c o mp l e x i t y o f r e fl e c t i o n s e i s mi c p i l o t d e t e c t i n g t e c h n o l o g y i n s o u t he rn co a l f i e l d， a n d a c co r di n g t o t he S ou t h e r n Co a l f i e l d s t r a t i g r a p hi c f e a t u r e s a nd c ha r a c t e r i s t i c s o f s e i s mi c wa v e s o b s e r v e d，t h e t h i n d i e l e c t r i c mo d e l b o t h t r a n s v e r s e l y i s o t r o p i c a n d a n i sot r o p i c wa s s e t u p ．Th e p r o p a g a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f s e i s mi c wa v e a n d t h e na t u r e o f d y na mi c e l a s t i c c o ns t a n t s i n t hi n l a y e r e d me d i L l m we r e d i s c u sse d，a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c o f d e t e c t i o n t e c h n o l o g y a n d d a t a - p r o c e s s i n g f o r r e fle c t i o n s e i s mi c pi l o t de t e c t i ng t e c hn o l o gy i n t h i n l a y e r e d me di u m we r e s u mme d u p． Ke y wo r d s t hi n l a y e r e d me d i a； p i l o t d e t e c t i ng t e c hn o l o g y； t r a ns v e r s e l y i s ot r o p i c ； s o u t h 科技论文参考文献著录的 目的 责任编辑胡秀芳 1 著录参考文献可以反映论文作者的科学态度和论文具有真实 、广泛的科学依据 ，也反映了论 文的起点和深度．科学技术研究工作都有继承性 ，现在的研究都是在过去的研究基础上进行的，今人 的研究成果或研究工作一般都是前人研究成果或研究工作的继续和发展 ．因此 ；在论文中涉及研究的 背景、理 由、目的等的阐述 ，通过著录参数文献就能明白交待出该论文的起点和深度 ．这在一定程度 上为论文审阅者、编者和读者评估论文的价值与水平提供了客观依据 ． 2 著录参考文献 ，能方便地将论文作者的成果与他人研究成果 区别开来 ．论文所报道的研究成 果虽然是论文作者 自己的，但在阐述和论证过程中免不了要引用前人的研究成果 ，包括观点、方法、 数据等 ．若对引用部分加以标注 ，则他人的成果将表示得十分清楚 ．这不仅表明了论文作者对他人劳 动的尊重 ，而且也免除了抄袭、剽窃他人成果的嫌疑． 3 著录参考文献能起索引作用．读者通过著录的参考文献 ，采用追溯法即可方便地查阅到与此 研究方向相关的一系列文献资料 ． 4 著录参考文献能够节省文章篇幅．论文 中需要表达的某些 内容 ，凡已有文献所载者不必详 述 ，只需标注参考文献顺序编码 ，而将相应的参考文献著录于文后 即可 ． ’ 5 著录参考文献有助于科技情报人员进行情报研究和文献计量学研究 ． 维普资讯