槽波波場分析-馬云

1、 煤炭是我國主要能源之一，為了提高煤炭的產(chǎn)量， 綜合機械化是采煤的必由之路。然而在機械化生產(chǎn)中，首先遇到的問題是不能準確地預測回采工作面內(nèi)有何種地質(zhì)異常以及準確位置，規(guī)模大小，以致造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。僅僅依靠已有的傳統(tǒng)物探方法、地質(zhì)學方法、數(shù)學地質(zhì)統(tǒng)計預測方法、鉆探及巷探的手段是不夠的，必須尋找一種新的有效的技術(shù)方法來解決上述問題，煤礦井下諸多地球物理方法中，槽波地震勘探是礦井物探中最受各國關注、最有發(fā)展前景的一種地球物理方法。 槽波地震勘探具有探測距離大、數(shù)據(jù)量大、精度高、抗電干擾能力強、波形特征較易識別以及最終成果直觀的優(yōu)點。槽波地震勘探示意圖槽波地震勘探示意圖接收排列激發(fā)排列工

2、作面布置采集數(shù)據(jù)1、槽波形成地質(zhì)條件、槽波形成地質(zhì)條件2、槽波觀測方法、槽波觀測方法3、槽波波場分析、槽波波場分析在地質(zhì)剖面中，煤層是一個典型的低速夾層，在物性上構(gòu)成一個“波導”層。煤層中激發(fā)的能量由于頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層中(簡稱煤層波或槽波)1v1v2v21v v1v1v2v21v v圖1 槽波形成示意圖1、槽波形成地質(zhì)條件、槽波形成地質(zhì)條件2、槽波觀測方法、槽波觀測方法2.1 、槽波透射法探測、槽波透射法探測2.2 、槽波反射法探測、槽波反射法探測2.3 、槽波超前預報探測、槽波超前預報探測槽波勘探的基本觀測方法有兩類，透射法和反射法。它們的原理都很簡單：由震源在煤層中激發(fā)的槽

3、波，沿煤槽傳播，如果工作面或巷道前方煤層不連續(xù)，槽波就完全或不完全被阻斷，反射槽波遇到阻斷面時，就將產(chǎn)生反射或部分反射，而透射槽波不能有效地穿過異常體，因此觀測不到透射槽波。2、槽波觀測方法、槽波觀測方法2.1透射法探測透射法探測圖2 槽波透射勘探示意圖透射法測量中，震源與檢波器（排列）布置在不同的巷道內(nèi)。在一條巷道內(nèi)激發(fā)，在另一條巷道中接收通過采區(qū)或盤區(qū)的透射槽波。根據(jù)透射槽波的有無強弱，尤其是頻散特征，來判斷震源與接收排列間射線覆蓋的扇形區(qū)內(nèi)煤層的連續(xù)性。當斷層落差大于煤厚時，槽波完全阻斷，一般接收不到透射槽波；在落差相當于煤厚3070左右，槽波部分阻斷，接收到的透射槽波能量較正常情況下有

4、不同程度的減弱，速度也發(fā)生變化，（如圖2所示）。目前在厚約13.5m的中厚煤層中，最大透射距離可達1000m以上。圖3 透射槽波原始記錄P波波S波波槽波槽波2.2反射法探測反射法探測 圖4 槽波反射勘探示意圖圖5 槽波反射法原始數(shù)據(jù)震源與檢波器排列布置在同一巷道內(nèi)，在煤層中激發(fā)和接收槽波。如果工作面內(nèi)煤層連續(xù)，沒有任何地質(zhì)異常，則槽波就能傳播到對面巷道然后反射回來，被檢波器接收，形成巷道反射波，巷道反射波沒有應用價值，如果工作面存在斷層等地質(zhì)現(xiàn)象使得煤層出現(xiàn)橫向不連續(xù)，它就是一個很強的波阻抗分界面，就將產(chǎn)生反射或部分反射。P波波S波波槽波槽波圖6 超前預報布置圖和模擬記錄2.3超前預報探測超前

5、預報探測目前國內(nèi)有10家煤業(yè)集團和高校利用槽波地震進行井下探測工作，在查找斷層、陷落柱、煤厚變化、煤層破碎帶等方面都有可喜的成果。槽波勘探主要利用的是勒夫波，主頻即埃里震相。埃里震相的特點是頻率高、強度大、速度低、衰減慢。目前透射法槽波勘探主要建立在槽波的頻散分析基礎之上，較少的考慮槽波記錄的原始波場，但我們對一些工作面的槽波勘探原始波場記錄分析后，發(fā)現(xiàn)埃里震相的波場特征可以解釋多種地質(zhì)現(xiàn)象，如斷層位置、煤厚變化、陷落柱位置、煤層破碎帶等。3.1、波場總體特征分析、波場總體特征分析3.2、埃里震相分析、埃里震相分析3、槽波波場分析、槽波波場分析透射槽波按其到時可分為直達P波，直達S波和 勒夫波

6、（L），勒夫波中的埃里震相最強，最清晰。 勒夫波沿煤層傳播，質(zhì)點垂直傳播方向做水平運動。埃里相位是勒夫波的主相位，它的幅度最強，隨激發(fā)源距離衰減慢，傳播速度最低。勒夫波的頻散特征、即波速隨頻率變化特征，對煤層厚度變化，矸石層分布和煤層內(nèi)的各種地質(zhì)異常反映最敏感。勒夫波CT速度成像能清晰地顯示煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各種地質(zhì)異常的位置和大??；勒夫波CT能量成像能清晰地反映煤層的完整性和遭受破壞的程度，是開采安全評估的重要依據(jù)。瑞利波也是槽波，它的質(zhì)點沿水平傳播方向做垂直運動，由于我們應用x，y雙向水平檢波器記錄槽波，所以瑞利波很難顯現(xiàn)。我們通過對16個工作面的槽波原始記錄的綜合分析，發(fā)現(xiàn)不同工作面煤層和頂

7、底板之間的速度不同和地質(zhì)條件不同，槽波總體的記錄形態(tài)有很大差異。晉煤5308工作面記錄的單炮槽波原始記錄，該工作面煤厚為6.07m，較穩(wěn)定，條帶狀結(jié)構(gòu)，煤芯完整，頂?shù)装遢^完整，可見槽波記錄清晰、規(guī)整，埃里相連續(xù)，振幅強，無明顯變化， 通過原始記錄P波和S波的初至和傳播距離，估算其頂?shù)装宓腜波速度約4000m/s,S波速度2700m/s,通過頻率分析計算煤層勒夫波速度1190m/s，可見煤層穩(wěn)定，頂?shù)装逅俣炔畲?，所以槽波質(zhì)量好3.1.1波場總體特征分析波場總體特征分析圖7 晉煤5308工作面單炮記錄 義馬云頂11100工作面的單炮槽波原始記錄，該工作面煤厚0.4-10.8m變化較大，頂?shù)装逋暾?

8、通過原始記錄P波和S波初至和傳播距離，估算其頂?shù)装錚波速度約3760m/s,S波速度2500m/s,通過頻率分析計算煤層勒夫波速度1000m/s。可見由于煤厚變化大，雖然槽波整體質(zhì)量尚好，但不像上圖那么規(guī)整。3.1.2波場總體特征分析波場總體特征分析 圖8 云頂11100工作面單炮記錄該工作面煤質(zhì)差，屬于面煤，很軟，煤厚0.5m到13m變化劇烈，頂?shù)装鍨檐浤鄮r。P波速度約2290m/s,S波速度1340m/s,從圖6可見，很難區(qū)分出槽波3.1.3波場總體特征分析波場總體特征分析 圖9 寶雨山12121工作面單炮記錄小小 結(jié)結(jié) 頂?shù)缀兔簩又g的速度差明顯影響槽波的形成和質(zhì)量頂?shù)缀兔簩又g的速度差

9、明顯影響槽波的形成和質(zhì)量煤層越穩(wěn)定槽波質(zhì)量越好煤層越穩(wěn)定槽波質(zhì)量越好煤層變化越大，槽波越復雜煤層變化越大，槽波越復雜2.2 埃里震相分析埃里震相分析2.2.1、埃里相變異、埃里相變異2.2.2 、埃里相缺失、埃里相缺失2.2.3 、埃里相中斷及錯動、埃里相中斷及錯動2.2.4 、埃里相頻率及振幅變化、埃里相頻率及振幅變化2.2.1、埃里相變異判斷陷落柱、埃里相變異判斷陷落柱根據(jù)已知資料晉煤5308工作面內(nèi)有較大型陷落柱存在，其位置如圖10所示。 圖10 5308工作面透射槽波布置及陷落柱分布示意圖2.2.1埃里相變異判斷陷落柱埃里相變異判斷陷落柱圖 11 炮點S6激發(fā)透射槽波原始記錄（根據(jù)晉煤

10、資料）炮點炮點透射勘探結(jié)果表明，在陷落柱左側(cè)6號炮點激發(fā)時，位于陷落柱左側(cè)的G1-G22采集站均能接收到高質(zhì)量的的埃里相，但G23到G30似乎沒有埃里相顯示，如果有的話，其振幅也明顯減弱，頻率也發(fā)生了變化。埃里相變異埃里相變異埃里相埃里相圖 12 炮點S6激發(fā)透射槽波射線穿過陷落柱示意圖炮點炮點2.2.1埃里相變異判斷陷落柱埃里相變異判斷陷落柱在陷落柱左側(cè)27號炮點激發(fā)時，位于陷落柱右側(cè)的G9-G29采集站均能接收到高質(zhì)量的埃里相，但在G4-G8采集站埃里相似乎消失，G1-G3采集站埃里相有重新顯現(xiàn)，（圖11）。圖13炮點S27激發(fā)透射槽波原始記錄（根據(jù)晉煤資料）炮點炮點埃里相變異埃里相變異埃

11、里相埃里相圖 14 炮點S6激發(fā)透射槽波射線穿過陷落柱示意圖炮點炮點通過槽波的透射速度CT成像結(jié)果及已知揭露的地質(zhì)資料綜合分析，異常1、異常2推測是煤柱引起的壓力增高帶，高壓導致煤層壓實，速度增高。異常3、異常4推測為煤層破碎帶或者瓦斯富集區(qū)導致速度增高。異常5推測為煤層內(nèi)陷落柱，由于陷落柱被頂板巖石所填充，其速度值高于煤層，所以表現(xiàn)為高速體。圖15透射法速度CT成像結(jié)果（晉煤資料）2.2.1埃里相變異判斷陷落柱埃里相變異判斷陷落柱 2.2.2埃里相缺失埃里相缺失是同煤東周窯煤礦8102工作面在S42和S30號炮點激發(fā)時反射槽波原始記錄，可見12-20采集站均未接收到埃里相，結(jié)合已知地質(zhì)資料該

12、區(qū)為無煤區(qū)。圖16 同煤東周窯煤礦S42炮原始記錄(根據(jù)楊真資料)炮點位置炮點位置埃里相缺埃里相缺失無煤區(qū)失無煤區(qū)離炮點近離炮點近P波、波、S波、波、勒夫波壓縮一塊勒夫波壓縮一塊距離太遠距離太遠噪聲干擾噪聲干擾圖17 同煤東周窯煤礦S30炮原始記錄(根據(jù)楊真資料)炮點位置炮點位置埃里相缺埃里相缺失無煤區(qū)失無煤區(qū)2.2.3埃里相中斷及錯動判斷斷層埃里相中斷及錯動判斷斷層圖18 #29右二回采工作面S9炮點激發(fā)透射槽波原始記錄炮點炮點圖18為雞西新發(fā)礦西三采區(qū)#29右二回采工作面S9單炮槽波原始記錄， 在9和10號采集站接收的埃里相有明顯的相位錯動。圖19為新發(fā)礦西三采區(qū)#29右二回采工作面透射法

13、勘探能量CT成像結(jié)果，可見在S9放炮，在38和10號兩個采集站接收到的埃里相發(fā)生錯動，10號采集站的埃里相到時出現(xiàn)延遲，可能是煤層錯動所致，這與能量傳播CT成像結(jié)果一致的。斷層斷層圖19 透射法能量CT成像結(jié)果（龍煤資料）2.2.3埃里相中斷及錯動判斷斷層埃里相中斷及錯動判斷斷層圖20 義安11061工作面透射槽波布置圖（義馬資料）圖21 義馬11061工作面S20炮點激發(fā)的透射槽波原始記錄（義馬資料）炮點位置炮點位置圖21為義馬新安礦11061工作面S20炮激發(fā)透射槽波原始記錄，可見在1-14采集站均能接收到埃里相，在15-22采集站均接收不到埃里相，根據(jù)已知地質(zhì)資料在14與15號采集站附近

14、有一斷層，槽波波場單炮原始記錄埃里相中斷位置與已知斷層位置一致，說明通過埃里相位中斷可判斷斷層的大致位置。圖22義馬11061工作面S6的透射槽波原始記錄（義馬資料）斷層斷層炮點位置炮點位置S20位置位置S6位置位置2.2.4埃里相頻及振幅變化判斷煤厚埃里相頻及振幅變化判斷煤厚義馬11061工作面多點放炮10號采集站接收的槽波原始記錄，在工作面左側(cè)S1-S17號炮點激發(fā)能明顯看到埃里相頻率相對較低，振幅較弱，通過原始記錄粗略計算為埃里相主頻為125Hz，S18到S36號炮點激發(fā)明顯看到埃里相頻率相對較高，振幅較強，通過原始記錄粗略計算為埃里相主頻為160Hz。頻散分析CT成像結(jié)果顯示，在煤層變

15、厚區(qū)速度相對較低，原始槽波記錄埃里相頻率較低，振幅較弱，在煤層變薄區(qū)速度相對較高，頻率相對較高，振幅較強。原始槽波波場記錄與CT透射法槽波成像結(jié)果對應較好?？梢娡ㄟ^槽波原始波場記錄中埃里相的頻率及振幅變化可判斷煤厚的變化。 圖23 埃里相位頻率和振幅變化和煤厚變化有關圖24為義馬云頂11100工作面多點放炮在34號采集站接收的槽波原始記錄，可見在31-33號炮點放炮時，由于炮點處煤厚僅為0.4m,未接收到埃里相。2.2.4埃里相頻及振幅變化判斷煤厚埃里相頻及振幅變化判斷煤厚 圖24 槽波透射法G34采集站接收多點放炮原始記錄接收點接收點煤厚煤厚0.4米米2.2.4埃里相頻及振幅變化判斷煤厚埃里相頻及振幅變化判斷煤厚 圖25 槽波透射法G29采集站接收多點放炮原始記錄 接收點接收點圖25為云頂11100工作面多點放炮在29號采集站接收的槽波原始記錄，可見在31-38號炮點放炮時，由于煤厚僅為0.4m，未接收到埃里相，17-24炮點放炮時，炮點處煤層厚，埃里相頻率頻率低。煤層變厚煤層變厚頻率變低頻率變低煤厚變薄煤厚變薄 圖26 透射法速度CT成像成果圖（義馬資料）煤厚煤厚8米米煤厚煤厚0.4米米總結(jié)總結(jié) 槽波的波場分析