地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (4): 1885-1888   PDF    
引用本文
赵思为, 余年, 曹云勇, 李坚, 章丹贵 . S变换数据重构地震映像在六威线六盘水车站煤窑采空区勘探中的应用. 地球物理学进展, 2016, 31(4): 1885-1888, doi: 10.6038/pg20160462  
ZHAO Si-wei, YU Nian, CAO Yun-yong, LI Jian, ZHANG Dan-gui . Application of S-transform data-reconstruction in seismic imaging to coalfield mined-out areas under Liupanshui station along the high-speed railway from Liupanshui to Weining. Progress in Geophysics, 2016, 31(4): 1885-1888, doi: 10.6038/pg20160462   
S变换数据重构地震映像在六威线六盘水车站煤窑采空区勘探中的应用
赵思为1, 余年1,2, 曹云勇1, 李坚1, 章丹贵1     
1. 中国中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031
2. 重庆大学电气工程学院, 重庆 400044
收稿日期: 2015-10-10; 修回日期: 2016-03-11.
基金项目: 国家自然科学基金资助项目（41504061）和中国博士后科学基金面上项目（2014M562088）联合资助.
作者简介: 赵思为，1982年，男，硕士，工程师，主要从事工程物探研究.(E-mail:44557200@qq.com)
通讯作者: 余年，1984年生，男，博士后，高级工程师，主要从事工程物探、矿产勘探和深部构造研究.(E-mail:yunian@126.com)
摘要: 地震映像对现场施测条件的要求较低，非常适合小煤窑采空区的勘探，应用前景十分广泛.传统的地震映像方法通常通过观察岩溶附近绕射波的方法来识别，但常常受制于噪声的影响，探测效果不佳，制约了该项技术的发展.本文提出在选择最佳偏移距，最佳频段的基础上，将地震映像资料经S变换数据重构至频率域，以地震波频率衰减的强弱作为识别物探异常区域的标志，并将其应用至六威线六盘水车站煤窑采空区铁路工程物探中，经过与同测线超高密度电法资料对比，物探异常分布基本一致，且与钻孔验证吻合.通过对地震映像法资料进行S变换等特殊处理，为小煤窑采空区物探技术发展提供了一种新思路.
关键词： 地震映像     S变换     超高密度电法     小煤窑采空区    
Application of S-transform data-reconstruction in seismic imaging to coalfield mined-out areas under Liupanshui station along the high-speed railway from Liupanshui to Weining
ZHAO Si-wei1 , YU Nian1,2 , CAO Yun-yong1 , LI Jian1 , ZHANG Dan-gui1     
1. China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd, Chengdu 610031, China
2. School of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing 40004, China
Abstract: The seismic imaging is suitable for the exploration of small coalfield mined-out areas owing to its relatively low requirements for field working conditions, and is expected to be widely applied in the future. Its Conventional data processing methods, however, usually relied on identifying diffracted waves nearby the karst region, and produced little due to the interference of noises, which, in turn hindered the development of the seismic imaging technology. This paper puts forward that by choosing the best offset and best frequency range, the seismic imaging data can be applied to the frequency domain through S-transform data-reconstruction, and the degrees of the frequency attenuation of seismic waves regarded as indicative signs of detecting anomaly areas during the geophysical prospecting process. In this regard, the application of S-transform data-reconstruction in seismic imaging can be introduced to the geophysical prospecting process of exploring coalfield mined-out areas under Liupanshui station along the high-speed railway from Liupanshui to Weining. the distribution of anomalies detected successfully in the process is roughly consistent with that identified by the ultra-high density electric method along the same survey line of the same side, is confirmed by drilling holes. The application mentioned above may therefore offer a creative way of employing the seismic imaging method to small coalfield mined-out areas.
Key words: seismic imaging     S-transform     ultra-high density electric method     small coalfield mined-out areas    
0 引 言

2004年以来，我国开展大规模的高速铁路建设，对铁路工程地质勘探提出了更高的要求，其中小煤窑采空区的勘探是铁路工程物探急需解决的技术难题.小煤窑生产设备简陋、规模小，其巷道与采空区经常由于年代久远而垮塌、封闭，且无资料可查询；另因其分布规律差、与围岩物性差异不大、径深比较小等特点，一直是困扰工程地质勘探的难题(李坚，2012).

目前探测小煤窑采空区的主要方法有超高密度电法、地震CT法、钻探法和地震映像法等，其中超高密度电法野外采集效率较高，但对接地条件要求严格；地震CT法和钻探法精度高，但成本高、速度慢，资料只能反映钻孔或孔间信息，无法反映整个剖面信息.地震映像对施测条件的要求相对较低，而且速度快、成本低，非常适合小煤窑采空区的勘探，应用前景十分广泛.

以往在地震映像方法探测中，通常通过观察岩溶附近绕射波的方法来识别，但常常受制于噪声的影响，效果不明显.本文提出在选择最佳偏移距，最佳频段的基础上，将地震映像资料经S变换数据重构至频率域，然后识别出频率衰减较强的区域，作为物探异常区域，并将其应用至新建铁路六威线六盘水车站工程物探中，经过与同测线超高密度电法资料对比(雷旭友等，2009)，物探异常分布基本一致.经过勘探，基本查明了六盘水车站煤窑采空区埋深和平面分布位置，为线位方案的比选和采空区的病害整治提供了基础资料，也为小煤窑采空区的勘探以及地震映像法的应用提供了新的思路.

1 S变换概述

S变换是Stockwell等(1996)提出的，以Morlet小波为基本小波的连续小波变换的延伸，S变换结合了短时傅里叶变换与小波变换的优点，因此S变换有其独特的优点：(1)信号S变换的时一频谱的分辨率与频率有关；(2)且与其傅立叶谱保持直接的联系；(3)基本小波不必满足相容性条件等等(高静怀等，2003；刘振明等，2010).

根据Stockwell提出的S变换表述如下(邹文等，2006)：

设函数x(t)∈L2(R)，(L2(R)表示能量有限函数空间)，X(t)的S变换定义为

(1)

在S变换中，基本小波函数为

(2)

X(t)的S变换谱与其傅立叶变换谱有如下关系：

(3)

其中X(f)是表示X(t)的傅立叶变换.

S变换的逆变换为

(4)

S变换是广义S变换的特例.

利用傅立叶反变换实现完全无损的广义S逆变换式：

(5)

图 1a中λ=1，p=1，为标准的S变换时窗；图 1b中λ=2，p=0.5

图 1 广义S变换的高斯窗三维显示 Figure 1 3D display of generalized S-transform Gaussian window

从图 1可以看出，在没有明显降低低频部分时频分辨率的情况下，广义S变换高频部分的频谱窗口更小，频率分辨率更高.根据信号的特点，通过调节高斯窗中的参数λ、p，即可获得时间分辨率和频率分辨率更高的高斯窗，得到更适合信号特点的时频谱(许多，2014).

在地震映像探测得到的时间一振幅剖面中，地震波频率的变化是识别煤窑采空区的一个重要标志.采空区相比周围围岩更加破碎、松散，会吸收地震波中的高频部分，仪器主要采集到低频信号.因此，若能发现频率衰减比较严重的频率段，即可划定了煤窑采空区的位置，但实际实施难度较大，且频率的细微变化在时间一振幅剖面中难以分析.通过S变换提取时间一频率剖面，获得信号的能量分布、观察信号的特征，就比较容易获得异常的具体位置.

2 应用实例 2.1 地形及地质概况

新建铁路六威线六盘水车站工区位于贵州省六盘水境内，属构造低、中山地貌，地形连绵起伏，绝对高程1898～2011 m，相对高差小于100 m.自然坡度10°~50°不等，局部陡立，山坡植被发育.测区附近分布有村庄，交通条件较为便利.

工区属植被较发育，上覆第四系全新统坡残积(Q4dl+el)粉质黏土，下伏二叠系下统梁山组(P1l)地层，为一套陆相及海陆相交互相为主的含煤沉积地层，岩性主要以石英砂岩、页岩、灰岩为主，夹砂质泥岩、泥质粉砂岩及煤层、煤线.

地质调绘资料显示预设的六盘水西站附近小煤窑分布众多，大部份属独眼井开采，生产规模小，采空巷道宽约1.5 m，高约1.0 m，开采长度50～300 m不等；钻探资料显示小煤窑采空区可采煤层主要有两层：第一层煤分布深度10～15 m，层厚约0.6 m；第二层煤分布深度30～35 m，层厚约0.8 m.

2.2 方法选择

工区拟设置车站，根据工区的地形地质条件和物探目的要求，选用地震映像法和超高密度电法等综合物探手段探测小煤窑采空区的分布情况，为线路方案比选和病害治理提供基础资料.

2.3 地球物理特征

地震映像法是依据地震波速度及频率差异来探测煤窑采空区的空间分布，根据地震映像法的反演结果分析，并结合钻探资料，得出各岩(土)层及采空区的地震波速(详见表 1).由表 1可知，煤窑采空区与围岩之间存在一定的波速差异，因此工区具备开展地震映像法的地球物理勘探前提条件.

表 1 勘探区岩体地震波速参数统计表 Table 1 Statistical table of seismic wave velocity of rock mass in exploration area
2.4 资料采集

结合地质调绘资料，在可能有小煤窑采空区分布的CK7+340~+580(1340~1580)段铁路左线布置一条纵测线，长度为240 m.采用6道接收方式，炮间距、偏移距以及道间距以均为1 m，激发震源为24磅铁锤，使用美国S-LAND数字化地震仪采集数据，检波器主频为28 Hz，采样率为250 μs.

2.5 资料处理

对地震映像资料处理采用VISTA软件抽道集和预处理，经多次频率扫描分析可知，频率成分中小于20 Hz主要为面波，而大于260 Hz的主要为随机噪声干扰.由于检波器主频为28 Hz，获得的信号能量主要集中在20~70 Hz.对比分析六种炮检距的地震映像时间一振幅剖面可知，3 m炮检距地震波一致性较好，且频率衰减较其他剖面更明显.根据工区的地球物理特征可知100 ms的时间剖面即可满足勘探深度的要求.因此抽出最具代表性的炮检距为3 m、主频范围为20~70 Hz、截取时间为100 ms的排列剖面资料.在对其进行能量补偿、噪声衰减、频率域滤波之后，其剖面道间能量已基本均衡，线性干扰、随机干扰被有效压制，然后对该资料进行S变换，数据重构后，将其转换至频率域，并利用该区域高程数据对其进行高程静校正，最后得到数据重构后的时频振幅断面成果图(图 2上)，把该图作为资料分析解释的基本图件.

图 2 CK7+340~+580(1340~1580)段成果与综合解释图 (a)地震映像S变换数据重构剖面；(b)超高密度电法视电阻率剖面 Figure 2 Results and comprehensive interpretation chart of CK7+340~+580(1340~1580)segment (a)The S-transform data-reconstruction section of seismic imaging; (b)Apparent resistivity section of high resolution resistivity method.

地震映像基本处理流程为：数据转换→抽道集→去噪→能量补偿→频率域滤波→异常道剔除→线型干扰与随机噪声衰减→频率域滤波→S变换与数据重构→高程静校正→输出时频振幅断面成果图.

2.6 资料解释 2.6.1 资料分析

图 1为CK7+340~+580(1340~1580)段综合成果图，其上为地震映像时频振幅断面成果图，其下为超高密度电法视电阻率剖面.纵观时频振幅断面成果图和超高密度电法的电阻率断面图，横向上在频率衰减较强地段(绿色、蓝色区域)，一般对应了超高密度电法资料上的低阻异常(绿色、蓝色区域)，因此推测地震映像时频振幅断面成果图中频率衰减较强地段一般对应了煤窑采空区，分析其原因是：小煤窑采空区较周围基岩更加破碎、松散，吸收了地震波中的高频成分，仅低频成分的地震波能够返回地面.

2.6.2 解释原则

依据上述资料分析，确定资料解释原则如下： 将时频振幅断面成果图的振幅衰减异常区域(对应超高密度电法资料低阻区域)判释为煤窑采空区或煤层或全风化、极破碎、极软弱、岩溶强烈发育岩体，即物探异常(1)区.

2.6.3 解释结果

由图 2可知，物探异常(1)区主要集中在CK7+360~+490(1360~1490)和CK7+530~+570(1530~1570)段，两种物探方法资料的异常区域吻合较好，印证了经S变换数据重构后的地震映像资料的有效性.

在CK7+410(1410)右2 m处为一已知小煤窑巷道(如图 3所示)，对比该位置两种物探资料可知，S变换数据重构地震映像资料物探异常区域较超高密度电法视电阻率资料更明显，横向展布吻合更好.

图 3 CK7+410(1410)位置测线右2 m处小煤窑竖井采空巷道 Figure 3 The tunnel of shaft mining in 2 m right of profile(CK7+410(1410))

在CK7+543(1543)物探异常(1)区位置，验证钻探(CZ-01-01-2孔)资料岩芯照片如图 4、图 5和图 6所示

图 4 钻孔CZ-01-01-2岩芯15~20 m Figure 4 The drill core of CZ-01-01-2(15~20 m)
图 5 钻孔CZ-01-01-2岩芯20~25 m Figure 5 The drill core of CZ-01-01-2(20~25 m)
图 6 钻孔CZ-01-01-2岩芯30~35 m Figure 6 The drill core of CZ-01-01-2(30~35 m)

从钻孔取芯结果上可知，在19.70~20.30 m深度孔段揭示一采空区，在28.90~34.50 m孔段为强风化页岩(煤层)，上述两段均对应物探(1)类异常区域，物探解释结果与钻探验证揭示情况基本吻合，较好反映了采空区和煤层.

3 结 论

对选定偏移距、频段的地震映像资料经S变换，划分出其中的频率衰减较强的区域，结合超高密度电法物探资料，判释了工区中存在的小煤窑采空区发育地段，地震映像资料异常与超高密度电法资料异常以及钻探验证结果亦吻合较好，证明了经过S变换地震映像资料在探测煤窑采空区的有效性，较以往常规利用地震映像振幅一时间剖面识别小煤窑采空区，探测的准确性有较大提高，为小煤窑采空区物探技术的发展提供了一种新的思路.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！
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