煤矿井下地震勘探资料特殊处理方法及效果_金丹.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.4 Aug. 2014 COAL GEOLOGY seismic exploration; delay time coπection; surface consistency; amplitude correction 与地面地震勘探技术相比，煤矿井下地震勘探 具有较大的技术优势，如探测深度浅、分辨率高、 适于陡倾角勘探、不受上部采空区影响等，能够解 决地面地震勘探无法解决的地质问题，可以达到很 高的分辨率［1-4］。实际上，国外很早就开展了矿井高 分辨率地震反射技术的研究，Gendzwill等［5］首先采 用在水平巷道底板上布设地震仪器和检波器进行折 射地震勘探方式，用来探测巷道下方地质异常体的 分布。20世纪90年代，法国、加拿大等国在深层 饵盐矿、铜矿以及铁矿矿井巷道内进行了地震勘探 t作，获得极高分辨率的地震剖面［6］。国内在煤矿 井下巷道内的高分辨率地震勘探还处于研究阶段， 程建远等［7］在淮南八里塘煤矿开展了煤矿井下高分 辨率地震勘探试验，井获得高陡倾角煤层的良好成 像效果；方良成等问l在谢桥矿试验了多种井下二维 收稿日期2013-04-28 地震勘探的激发、接收方式，用井下二维地震勘探 方法查明巷道内煤层及小构造的发育情况。这些 作为煤矿井下巷道内的高分辨率地震勘探提供了很 好的基础。但是，煤矿井下地震勘探技术也涉及到 很多更为复杂的问题，如全空间波场带来的不利影 响、矿用雷管不符合地震勘探要求、井下地震的激 发与接收条件差异较大等问题。受煤矿井下激发、 接收条件限制，采集的地震数据在各接收炮集之间 存在时差；由于煤矿井下地震勘探的激发、接收条 件不一致，会造成记地震数据之间存在能量不一致 的问题，影响后续的处理效果。 围绕煤矿井下地震勘探技术所面临的特殊问 题，本文重点研究了煤矿井下地震勘探资料处理的 关键技术，并结合实际资料进行了处理前后效果对 比，取得了较好的效果。 基金项目国家科技重大专项课题。o11 ZX05040-002）；国家科技支撑计划课题。012BAK04804 作者简介金丹（1987一），女，陕西洋县人，博士研究生，从事高分辨率地震数据处理技术的研究． ChaoXing 第4期金丹等煤矿井下地震勘探资料特殊处理方法及效果 73 1 雷管延迟时校正 1.1 问题的提出 受煤矿井下实际工程技术条件和防爆要求等限 制，煤矿井下地震勘探只能采用矿用雷管，而无法 使用地震勘探专用的瞬发雷管。矿用电雷管按延迟 时间可以分为瞬发电雷管、秒和半秒延期电雷管、 毫秒延期电雷管。其中瞬发电雷管是通电后立即起 爆的雷管，它从通电到起爆时间不大于13ms，一 般为4～7ms，多适用于露天采矿工程；秒和半秒延 迟电雷管的延迟间隔时间是以秒计算，分为若干 “段 下无瓦斯岩巷全断面一次爆破；毫秒延期电雷管延 期时间间隔以毫秒计，适于露天和井下毫秒爆破作 业。因此，煤矿井下地震勘探使用矿用雷管时，难 以避免各炮数据之间存在时差。图l是煤矿井下实 际采集的两炮记录，在零偏移距处的初至时间分别 为126.9ms和875.6ms，而从理论上讲，零炮检距 的初至时间应为Oms。实际采集的数据中各炮之间 存在不同的延迟时间，从几十到几千毫秒不等，平 均延迟时为860ms，为此需要进行各炮之间的时差 i直号 200 400 ∞∞ ’00 δ 的E＼一＝ 一』’ E I 000 I 200 I 400 I 600 校正，反之将无法进行地震资料的叠加处理。 1.2 校正方法 煤矿井下各炮地震数据之间延迟时的校正，可 依据各炮在零偏移距处初J至时间为零．且初至时间 与炮检距之间存在线性关系的思路进行校正。 利用统计学原理，将采集的各炮记录t.i卖取的 每一道初至时间，按不同炮检距ff小到大进行排列。 由于在巷道激发井接收地震信号时没有风化层及其 折射波的影响，地震波是直达波，其时距曲线理论 上应为直线，为此可利用统计规律拟合出一条直线、 作为每一炮初至时间与偏移距的拟合关系曲线。该 直线与Y轴的交点一时间截距，理论上讲在零偏移 距的初至时间应为零，贝lj实际资料在零偏移距的时 间截距为该炮雷管延迟时的校正时间。以某炮数据 为例．图2为根据不同烟检距对应的初至时间拟合 出的初至时间直线，拟合曲线模型为yl4.64x I 359.2。图2拟合出的直线与Y轴交点．即零偏移 距处的时间为I359.2 ms，以此作为该炮的时差校 正时间。对所有炮集做同样处理．得到消除雷管时 差后的地震炮集记录。 Aυ 吨，‘ AU l υ AU AU ny nυ 。。 叫 UO 迫 7 nυ ro nυ F、J AV A- Y AU 吨J nυ 啕｝ 句，‘Aυ Fig.I 图l煤矿井下原始炮集 The original shot gathers in underground coal mme I 480 I 460 I 440 却∞ AU叮A饨 的E＼厅一」 μ巳 I 380 I 360 折线为偏移－llfi初j主二MlilJ关系Jllj线 11线为偏移－距宇gJ豆AtlilJ拟含曲线 I 340 0 50 I 00 150 200 250 300 350 400 off民νm 图2某炮延迟时校正计算图 Fig.2 Calculation figure of delay time correction for a shot 经过延迟时校正后所有炮记录在零偏移距处都 由零时间点起跳，不存在时差。延迟时校正是后续 常规处理的必经步骤，校正的准确性决定着有效反 射能否同相叠加。 1.3 应用效果 以XLZ煤矿井下二维地震数据采集试验为例，i亥 数据采集时所用雷管为毫秒延期电雷管，原始数据中 未经延迟时校正的各炮集之间的时差都较大，为几毫秒 至几千毫秒不等。因此在资料采集时为了保证全面记录 有效信号，选取了足够长的记录时间。根据探测目的层 深度（约150～200时，实验记录长度定为5000 ms。 由图3可以看出，经过延迟时校正后，雷管时 差校正后的叠加剖面反射波更清晰，利于地震剖面 的后续解释工作。 ChaoXing 74 煤 田地质与勘探第42卷 CDP 41 51 b 111线拟含延迟RJ校正后登Jmrr1Jilif ｜羽3延迟时校正对比图 Fig.3 Comparison for delay time co盯ection 2 振幅一致性校正 2. 1 问题的提出 煤矿井下地震勘探的激发、接收条件不一致，会 造成记录到的地数据存在能量不一致、波形畸变 等，影响后续的处理效果。如果采用常规的振幅校正 方法．如AGC等，虽然能够实现振幅均衡，但无法 保抖振l阳之间的相对强弱关系．影响AYO属性分析 及精细的振幅解怦19J为此．将地表一致性振幅校正 的方法引入煤矿井下，i衷方法将地表一致性因素分解 为震源响应、接收器响应、炮检距响应和共中心点响 应4个分量，FR地表一致性分解得到补偿系数，通过 对地震道的振幅乘以补偿系数来实现地表一致性振 幅校正［10-15］。通过一致性分解得到校正系数，对井下 数据在时间域的原始记录做一致性振。高校正。 2.2 校正方法 地表一致性处理的基本假设为［16-19]a.地表和 近地表因素对整个地震记录的影响是不变的，这些 因素包括震源响应、震源搞合、近地表层的衰减、 检波器的灵敏度及捐合。b.在时间上具有一致性的 上述因素也是地表一致性的噜即与地表某一位置有 关的影响因素对地震道产生的影响是不变的，与地 震波的传播路径无关。例如共炮点道集中各道所受 到的来自同一炮点的影响是一致的；同样，检波器 效应也是地表一致的，即在地表某一特定位置接收 的不同炮点激发的地震信号所受到的检波器的影响 不变。c.假定共中心点道集包含相同的共反射点信 息，来自某一共中心点处的所有接收道都具有相同 的地下地质信息。 在经过球面扩散校正、静校正、动校正等处理 后，消除了传播路径及时间等一些非地表一致性因 素对振幅的影响，使得在振幅校正所用的计算时窗 内地震道都符合地表一致性假设。根据上述假设， 可以将地表一致性影响因素分解为4部分，得到地 表一致性校正模型 Q川tS,,t* Rm t*Ck t*D1 t 式中Q，认t）为炮点n和接收点m的记录道在时窗L 范围内的振幅；S，ρ）为在地表t位于n处的炮点响 应，代表近地表对震源的下行波前的影响；Rmt）为 在地表t位于m处的接收响应，代表近地表对上行 反射波前的影响；Ckt）为地表位于m处下方的地下 响应，代表地震道集的共中心点响应，k\/2mn; D1t）为偏移距为l的偏移距响应，代表与偏移距有 关的面波、剩余动校正等的影响，lm-n。 基于地表一致性假设，在给定时窗内，地震道 的数据可表示为与炮点n、接收点m、中心点位置k 及与炮检距l有关的振幅分量四者的福积。转换到 频率域，在频率域求其对数得到4个分量与振幅的 对数值在对数／频率域的线性关系式，再由已知的振 幅观测值通过迭代计算出来的振幅值，即经过一致 性校正后的振幅值。根据极值理论，使方程解的最 小平方误差和达到最小值，因此对各分量求偏导， 令其导数为零。用高斯．赛德尔方法依次对4个分量 进行迭代平均，使二范数达到最小。求解方程组得 到4个振幅分量．再将这4个分量代回原方程得到 理论振幅值Q,,n,。将校正因子云叫／频率域转 换至时间域，再应用于计算时窗内的原始数据，经 过校正因子校正后，消除不一致因素对振幅的影响， 也就消除了各炮、道之间能量不一致的现象。 2.3 应用效果 受煤矿井下地震施工条件的限制，各炮震源激 发的能量存在差异，井下检波器藕合也各不相同． 因此对有效波振幅产生了不利影响。 图4的共炮点道集中，校正前的单炮记录能量 呈带状分布（图4a），而地表一致性振幅校正后的能 量比较均匀（图4b）。对比叠后剖面（图4c和图4d 同样可以看出，未做地表一致性振幅校正的数据通 ChaoXing 第4期金丹等煤矿井下地震勘探资料特殊处理方法及效果 75 F、J 勾’－ ，、J F、J nu 5 n uJ ζJ OO U U7 吐 血创 ，、J AU丁 吨、J 、，－ nu 100 LF UV UZ ”’ t nUAU AυAU q＆、、 d m E \Eh vE 400 a）地表一致性振幅校正1lii共炮点j重集 舍eι」 i旦’J 41 51 61 71 81 IOI 91 Ill 121 nυ nu 气／－ mE＼E」 V E 300 400 反u I旦’J 11 21 31 41 51 61 71 85 95 I 05115 125 100 的200 , fiii 主300 400 500 b l也表－一致性振中币校正民共处1点j豆f 道可 31 41 51 61 71 81 IOI 91 Ill 121 c f也哀－一致性振幅校正1i1J登Jm自Jffild）地表一致性振幅校正Jri叠Jms-1J而 图4地表一致性校正前后剖面对比 Fig.4 Sections before and after surface consistency co盯ection 过常规流程处理后，叠加剖面上能量分布不均匀， 强弱变化较大，有效波或被强能量压制，或因能量 过弱而无法显露（图4c）；而经地表一致性振幅校 正后的数据（图4d），叠加剖面t各道间能量基本 保持一致，信噪比有较大提高，有效波组的连续 性增强。 3 煤矿井下地震勘探数据处理流程 在对煤矿井下环境引起的延迟时、振幅一致等问题 采用针对性处理的基础上，结合常规地震资料处理流程 的优点，提出了煤矿井下地震勘探数据处理的建议流程 （图匀，据此可得到如图6所示的叠后地震记录。由图6 的叠加剖面可以看出，依据上述针对井下数据的一致性 校正方法，对井下地震数据进行延迟时和振幅校正后， 消除了由激发、接收条件不一致引起的时差及能量不均 匀现象，所得到的叠加剖面能量分布均匀，分辨率提高， 有效层位清晰可见；由能量过强造成的同相轴难以从背 景振幅中分辨出来的现象也在校正后显示出同相轴的 细节特征，整个剖面的信噪比得到改善。叠后剖面对下 J斤射i皮i挣校正（基ilt而45m.替快速度1700mis 去H朵、井下一致性振帆校iE 二维KirchhoffDMO 1}fJO FlJli1J树，I主0.25 EE 输1h、J仕SEGY恪式f.\il数知体 罔5井下二维地震数据优化处理流程 N2 Fig.5 Optimized flowchart for two dimensional seismic data in underground coal mine ChaoXing 76 煤田地质与勘探第42卷 CDP 100 nu nu 气，－ mE与工一 言300 400 500 罔6井下地震处理的叠加剖面 Fig. 6 Stacked section after seismic data processmg 组煤有了明显反映，下组煤的结构及赋存状态在井下地 震剖面上有了更明显的特征。 4结论 针对煤矿井下地震勘探由于激发、接收条件受 限而存在的延迟时、地震能量不一致的问题，根据 初至时间统计得到的时差来进行延迟时校正；将地 表一致性校正模型用于井下地震资料处理，确定了 反射振幅一致性校正模型。在对数／频率域分解得到 4个振幅分量，由此求得校正系数，用于时间域各 道数据的校正。对井下地震数据进行振幅一致性处 理后，目的层的成像效果有了较大改善。 噪音的存在对煤矿井下地震资料校正处理结果 的影响较大，因此校正前的预处理工作较为关键。 另外．煤矿井下三维地震勘探是今后的发展方向， 对其数据处理与校正方法，尚需进一步研究。 参考文献 [I］程建远．李渐龙．张广忠，等煤矿井下地震勘探技术应用现 状与发展展望［几勘探地球物理进展，2009.322 96-100. 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