地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (3): 1054-1062   PDF    
槽波层析成像方法在煤田勘探中的应用——以河南义马矿区为例
王伟1 , 高星1 , 李松营2 , 乐勇2 , 胡国泽3 , 历玉英1,4     
1. 资源与环境信息系统国家重点实验室,中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;
2. 河南义马煤业集团股份有限公司,河南义马 472300;
3. 吉林大学, 长春 130029;
4. 东北石油大学地球科学学院,辽宁大庆 163318
摘要: 在地下煤田的开发中,工作面内的小构造、异常体、煤层厚度变化等是需要解决的关键问题,而槽波探测则为这些问题的解决提供了重要的物探方法.本文对河南义马矿区11061工作面进行槽波透射法测量,在巷道显示的煤层厚度变化为1.5~8 m,从理论频散曲线分析速度与厚度关系,确定125 Hz频率槽波主要用于观测厚度约为2~5 m的煤层厚度变化;有效提取了684个频散曲线,并分别拾取了125 Hz时槽波群速度与走时,采用走时层析成像方法获得工作面内煤层速度、厚度以及高应力区分布特征,回采验证了结果的正确性.
关键词: 槽波      频散      群速度      层析成像     
Channel wave tomography method and its application in coal mine exploration : An example from Henan Yima Mining Area
WANG Wei1, GAO Xing1, LI Song-Ying2, YUE Yong2, HU Guo-Ze3, LI Yu-Ying1,4     
1. The State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China;
2. Henan Yima Coal Group Co.,LTD, Yima Henan 472300,China;
3. Jilin University, Changchun 130029,China;
4. Northeast Petroleum University, Daqing Liaoning 163318, China
Abstract: It is the key problems to detect the small structure, abnormal body and the coal thickness changes in the development of underground coal mining, and channel wave detecting provides important geophysical exploration methods to solve those problems. Transmission measurement was carried out on 11061 working face mining in Yima Mine. Thickness of coal seam from roadway changes from 1.5 m to 8 m, so it is not suitable for travel-time tomography. From theoretical dispersion curve analysis of velocity and thickness relations, we chose 125 Hz frequency channel wave to image about 2 m to 5 m thickness of coal seam thickness. Calculating the 684 dispersion curves and picking up the group velocity and travel-time at 125 Hz of channel waves respectively, we obtain the distribution of velocity, thickness distribution and stress within working face, and the result is verified by mining..
Key words: Channel wave      Dispersion      Group velocity      Tomography     
1 引言

在煤矿开采过程中常因遇到未探明的异常地质体使开采技术复杂化、开采成本增加、可开采煤炭储量降低,甚至导致灾难性事故频发,并使井下开采人员的生命安全受到威胁,造成巨大经济损失.因此在开采之前,探明更小的地质构造,对煤矿的开采计划、储量估计、危害评价、以及矿水管理等至关重要.而地面地震勘探具有不可克服的缺点,如高频成分随传播距离的增加而很快衰减、激发频率低、层间多次波干扰严重等,致使其分辨率精度不高,为解决这些问题,在实际工作中,普遍采用槽波探测技术[1-4].

槽波是在煤层中传播的一种导波(围限波或者管波),其传播距离远、能量强、波形特征易于识别,具有明显的频散特征.槽波地震勘探就是利用此特性来探测煤层内异常体[5-6].事实证明,这种方法不仅能够有效地确定异常体位置,而且探测范围也是其他物探方法无法比拟的.一般而言,反射方法探测的距离一般为煤层厚度的120 倍,而透射法探测距离能达到煤层厚度的300倍[7].

槽波探测技术首先应用于断层的识别,它可以提供断层的走向、类型,延伸程度与方向[8].由于槽波探测技术提供非直接信息,因此易于引起误差,误差大小与煤层的槽导性以及探测距离有直接关系.其探测结果的准确性、可靠程度随探测距离增加而减小.另外地质结构的复杂性也降低了对数据处理结果的解释精度.为了增加解释的可靠性,应做进一步的详细探测,如辅以其他物探方法,或增加探测精度[9-12].尽管如此,槽波对断层的识别率可达90%.

层析成像一般用易于识别的直达P 波或者折射波到时对地下结构进行速度结构成像[13-20].然而在槽波探测中,直达P 波反映的是围岩速度信息,但后续的槽波具有频散特性,与煤层的结构-煤厚变化、夹矸层、密度、速度、异常地质体等有直接关系.一般而言,在煤层内传播的槽波速度较低,煤层与顶底板围岩之间波阻抗差异大,在此条件下形成的槽波频散特征明显[21],长波长、低频成分波传播速度快,先于高频成分波到达,易于识别.

槽波波列上有一个特殊震相---埃里震相,其频率高、能量强,表现在群速度曲线上的极值点位置.槽波波列包含多个具有不同相速度的相位,拾取单一相速度到时比较困难,因此槽波走时成像,一般按一组波列包络极值点的走时进行反演计算[22-23].其中埃里震相就是这些波组包络中速度最低、能量最强、衰减较慢的一组波列.故埃里震相信息特别适用于走时反演,以了解煤层内的异常地质体信息.

对Love波和Rayleigh 波进行频散分析,可通过多次滤波技术[24-25]、时窗移动法[26]、Gabor矩阵分析[27]、小波变换[28]、以及基于多道处理技术的F-K 域变换[29]和拉东变换[30]等方法计算得到的.在频散分析曲线上能够容易地识别出埃里震相.

对每道数据进行滤波以增强埃里震相的能量.提取基阶模式曲线埃里震相到时进行反演计算,类似于P波到时层析成像反演.分别提取Love波和Rayleigh波埃里震相走时进行反演,这两类波反演得到煤层内速度扰动信息,结合围岩信息与显示的地质结构进行综合解释[31].

煤层厚度变化对Love 波频散曲线影响明显[232-35],随着煤厚增大,Love波所含主要频段向低频移动,因此主频段槽波携带煤厚信息,应用层析成像方法获得速度分布与煤层厚度分布.

运用层析成像进行反演计算的算法有:反投影法(BG),求解逆矩阵的共轭梯度法(CG)与最小平方法(LSQR),代数迭代法(ART),瞬时迭代法(SIRT)等[36-41].我们选用瞬时迭代算法,主要是因为:(1)SIRT 适用于稀疏、不规则、信噪比低的实测数据[42];(2)易于加入先验信息,适用于弯曲射线;(3)方法稳健,但是该方法计算量大,耗时长[24].

本文通过对共检波点道集数据分析,得到围岩纵波波速、频率变化信息、巷道反射槽波以及具有完整槽波的路径信息;采用移动时窗法计算频散曲线并提取125Hz震相走时,应用于11061工作面透射层析成像,圈定了高速异常区;通过速度与厚度拟合曲线,获得工作面内煤层厚度分布图,为井下煤矿安全、高效开采设计提供了更详细、合理的物理参数.

2 层析成像方法原理

射线是几何光学中导出的概念,它是用射线长度的仿射参数来描述的.在层析成像中要使用射线理论,首先需要对地震波的传播做几何光学近似,近似的条件为波速的空间变化在一个波长范围内很小,这实际上就是取波动方程的高频近似解.当用射线来描述地震波的传播时,由震源i到接收点j的理论走时Tij可用线积分表示为

(1)

式中u(xyz)表示波的慢度(速度的倒数),V(xyz)表示波速,receive表示接收点位置,source表示震源位置,dl表示沿射线路径的线元.根据费马原理和斯涅尔定律,在各向同性、完全弹性的分层介质模型中,可以追踪出地震波射线路径.

在层析成像中,对介质进行网格离散化(图 1),积分公式转变为离散化形式

(2)

其中tkcalcdkjsjN分别表示第k条射线的走时,第k条射线经过第j面元的长度,第j面元的慢度,射线经过的网格剖分点数.

图 1 直射线描述网格离散化积分公式 Fig. 1 Net describing the integral formula for straight ray paths

所有射线路径走时方程可以写成矩阵形式:

(3)

其中TM维时间向量,SN维慢度向量,D为(M×N)矩阵算子,利用瞬时迭代重构法求解,得到速度分布图像.

瞬时迭代重构法求解过程:

(1) 用方程(2)对给定的初始模型计算走时;

(2) 计算射线经过每一个面元的慢度校正量;

(3) 将上述结果加上初始慢度产生新的慢度;

(4) 重新计算走时,并与实际走时结果进行比较,直到满足最小误差条件.

在槽波层析成像中,从频散曲线中拾取埃里相走时(速度)或某一频率震相走时(速度)信息,用于反演计算.

3 实例分析 3.1 施工设计与数据采集

为验证上述理论,我们将槽波透射法应用到河南义马矿区11061工作面的实际探测中,以预测煤层厚度变化以及压力异常区(图 2).工作面宽度135m, 勘探面长度420 m, 煤层厚度变化1.5~8 m, 显示的煤层中没有夹矸层,揭露的断层区域用红色椭圆标注,排瓦斯钻孔位于黄色椭圆范围内.需要探测煤层厚度分布情况.观测系统布置如下:炮线安置于轨道巷(红色星号位置),检波器安置于皮带巷(绿色箭头指示位置).图中上下部分为皮带巷与轨道巷揭露的煤层厚度变化分布.

图 2 槽波透射测量方法 工作面宽度:135 m, 所勘探面长度:约420 m(接收排列长度),煤层厚度变化:1.5〜8 m, 红色椭圆圈定了主要断层区域,断层要素描述依次为走向、倾角、落差(n),黄色椭圆范围为排瓦斯钻孔区域,炮线安置于轨道巷,炮点为红色星号位置,检波器安置于皮带巷,检波点为绿色箭头指示位置,上下部分为皮带巷与轨道巷揭露的煤层厚度变化分布. Fig. 2 Channel wave transmission survey method Panel width: 135m, length of surveying area:〜420 m(receiver array length),seam thickness: 1.5 〜8 m, read ellipse: zone of some faults, and the faults elements are strike, dip angle and throw CH) ,yellow ellipse: zone of degasification boreholes, red starts: sources in track gate, green arrows: geophones in belt gate, upper and below parts: variation of coal seam thickness.

激发震源为炸药类型,药量200g, 炮距10 m, 共36炮,采用2分量检波器接收,检波点距为20m, 共22个检波点.

3.2 数据分析

原始数据分析:将共炮集数据抽成共接收点集数据,并经过滤波处理,只有编号06(见图 3)、07、08、09检波器可以采集到完整的煤层波信息,由此可以推测此处的地质异常体比较小.从编号10 检波器Y分量数据分析得到P波速度,从X分量观测到槽波频率变化情况(见图 4).

图 3 06检波器记录的详细的煤层波信息 Fig. 3 The detail ISS information from common receiver gathers of 06
图 4 10检波器记录的煤层波信息 Fig. 4 The detail ISS information from common receiver gathers of 10

频散曲线分析:根据模型分析对比[2843-45],可得到该工作面的一些参数,工作面巷道揭露的煤层厚度变化剧烈,厚度在1.5~8m 之间;1000m/s的速度值区域表示该区域煤层厚度大于或等于5 m 左右;速度大于2200m/s的区域表示该区域煤层厚度小于或等于2.0 m.该速度值与围岩和薄煤层的S波的速度相近(图 5).根据对理论频散曲线的分析,确定以125Hz槽波的理论到时进行层析成像反演计算.

图 5 煤层厚度变化与频散曲线变化关系(对称模型) 红色圆圈高速区约2200m/s所对应的煤层厚度是2m, 厚度继续变小超过1.5m 时,图上无数据显示,拾取误差±100m/s.黑色圆圈低速区约1000m/s所对应的煤层厚度大于或等于5m, 拾取误差±200m/s.探测厚度2m 左右煤层时,取250~300Hz成像.探测5m 以上煤层时,取75~100Hz成像. Fig. 5 Dependency of dispersion from coal seam thickness(symmetrical model) Red circleshowshighestvelocityof 〜2200 m/sat thicknessof 2 m, less thickness not visible.Pick error ±100 m/s.Black circleshows lowestvelocityof 〜1000 m/sat thicknessof 5 m, pick error ± 200 m/s.For investigation of thickness around 2 m: 250〜300 IIz.For investigation of thickness more than 5 m: 75〜100 Hz.

图 6为从实际数据提取的频散曲线,这些数据来自不同的炮点检波点(S20-G05,S29-G06,S26-G14).从图中可确定埃里相速度及125 Hz槽波速度与走时.

图 6 频散曲线图及125HZ所对应的速度 (a)S20-G05;(b)S29-G06;(c)S26-G14. Fig. 6 Dispersion relation and group velocity at 125 Hz
3.3 成像结果

作为一个实例,我们选择125Hz频率用于观测厚度约为2~5m 的煤层的厚度变化(图 7).从图 7所示的速度分布分析,红色部分(高速度区)表示此处有一个与工作面掘进方向近乎垂直、近乎西北至东南走向、宽约为150 m 的较大地质异常体.分析表明这些断层的延伸范围不会太大或者工作面内的断层落差与煤层厚度比小于0.5.

图 7 工作面内层析成像结果:速度分布 Fig. 7 Imaging of working face: velocity distribution
3.4 速度与煤层厚度的关系

煤层厚度的变化对槽波频散特征影响十分明显,随着厚度的增加,勒夫波主频段降低,同时对应于同一频率波速降低,即同一频率,波速随厚度增加而减小.按照巷道内显示的煤层厚度与层析成像结果,采用4阶多项式拟合速度-厚度关系(图 8),并转换成煤层厚度分布图(图 9).从图 8 可看到从巷道内显示的煤层厚度与速度分布对应关系,速度范围800~2400m/s, 厚度变化范围1.5~8m, 变化趋势为随速度增加煤层厚度减薄.从图 9 可看到煤层厚度分布情况为中间薄、两端厚,从右至左的变化是,在右侧煤层厚度达6 m, 到工区中部,煤层变薄,在左侧煤层厚度又增加到5m 左右.

图 8 速度-厚度关系拟合曲线 红色曲线为手工拾取曲线,蓝色为拟合曲线.蓝色空心圆为巷道内显示的煤层厚度与层析成像速度分布对应关系. Fig. 8 Fitting curve of velocity-thickness relation Red curve stands for manual picking curve, while blue’s stands for fitting curve.Blue empty circles show the relation of seamthickness and velocity distribution in roadway and beltway.
图 9 煤层厚度分布图 Fig. 9 Coal seam thickness distribution
4 结论与讨论

由于沿着巷道煤厚变化剧烈,进行精确的层析成像十分困难,成像使用的125Hz频率是一个折衷的办法,它不适用于煤厚较大的区域(煤厚大于5m),对煤厚小于2m 的区域也不完全适用,仅对2~5m之间变化的区域比较可信.

图 7中是以速度等值线分布的形式显示的层析成像结果,1000m/s的速度值指的是煤厚大于等于5m 的区域,5~8 m 或8 m 以上的区域则无法区分,只有选择小于100 Hz的频率才可能区分.煤厚小于等于2.5m 区域波速值高于2000m/s, 这个速度接近横波在围岩中的传播速度,在煤层较薄的区域波速不会明显地改变,针对较薄的煤层需要选择较高的频率才能获得较高的分辨率.成像结果里显示了一个宽达150 m 走向为NW-SE 的、与工作面走向垂直的高速异常区,这个异常区可能与工作面东边界的断层有关.由较高的速度变化可以看出东部边界非常明显,高速区域常常显示的是煤层结构变化较大的地方或反应该区域具有较高应力分布,这个断层的规模不是很大,在工作面内部落差只有煤厚的1/2左右;另外煤层顶板或底板的岩性可能会有变化,从勘探区域的末端煤厚又开始变厚.在实际回采中也验证了本研究成果的准确性.

当然,影响成像质量的因素很多,如煤厚的变化使槽波在其中的传播像经过透镜体一样,其传播路线发生弯曲,造成以直射线层析成像结果存在误差;另外,煤厚变化较小的区域也无法识别,这不仅与所选频率成分有关,亦与勘探选择的精度,比如炮检距及其坐标有关,因此,需要根据研究问题的特殊性选择施工方案和参数,以期达到更好的效果.

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