面波多道分析法精細(xì)探測(cè)淺部煤層采空區(qū)應(yīng)用研究.docx

1、第7卷第1期礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào)Vol.7No.12022年2月JOURNALOFMININGSCIENCEANDTECHNOLOGYFeb.2022楊智.李宇.趙飛.等.面波多道分析法精細(xì)探測(cè)淺部煤層采空區(qū)應(yīng)用研究J.礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào).2022.7(1):113-122.DOI:ki.jmst.2022.01.011YangZhi.LiYuZhaoFeivetal.Finedetectionofshallowcoalseammined-outareabymultichannelanalysisofsurfacewavesJ.JournalofMiningScienceandTechnology,2022

2、,7(1):113-122.DOI:ki.jmst.2022.01.011面波多道分析法精細(xì)探測(cè)淺部煤層采空區(qū)應(yīng)用研究楊智巳李宇U,趙飛3,衛(wèi)紅學(xué)3,管建博L2,靳朝彬L2,趙猛1.21.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院.陜西西安710054;2.K安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.陜西西安710054：3.山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西運(yùn)城044000摘要：為精細(xì)探測(cè)淺部煤層采空區(qū)分布范圍，在相移法中引入低頻聚焦因子,提出一種低頻聚焦型相移法，其具有在短接收排列上提取低頻頻散能量的優(yōu)勢(shì)。模擬結(jié)果表明：該方法顯著改善了頻散能量在低頻端的聚焦性，擴(kuò)展了可拾取的頻帶范圍，增大了探測(cè)深度，縮短

3、了計(jì)算頻散能量所需的排列長(zhǎng)度，提高了面波多道分析方法(MASW)的橫向分辨率。淺部煤層采空區(qū)實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明：采用低頻聚焦型相移法提取頻散能量，通過(guò)MASW方法獲得了高精度的橫波速度水平切片，可以清晰識(shí)別出采空區(qū)范圍、保安煤柱位置及其兒何形態(tài)。證實(shí)了低頻聚焦型相移法可提高M(jìn)ASW橫向分辨率的有效性與精細(xì)探測(cè)淺層煤層采空區(qū)的可行性。關(guān)鍵詞:煤層采空區(qū);面波多道分析;低頻聚焦型相移法;頻散能量;橫波速度中圖分類號(hào):P315.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào):2096-2193(2022)01-0113-10Finedetectionofshallowcoalmined-outareasbymulticha

4、nnelanalysisofsurfacewavesYangZhi1,2,LiYu1,2,ZhaoFei3,WeiHongxue3,GuanJianbo1,2,JinChaobin1,2,ZhaoMengSchoolofGeologicalEngineeringandGeomatics,Chang*anUniversity,Xi*anShaanxi710054.China;1. KeyLaboratoryofWesternChinaMineralResourcesandGeologicalEngineenngChang*anUniversity,Xi*anShaanxi710054,China

5、;TheInstituteofGeophysicalandChemistryExplorationofShanxi,YunchengShanxi044000,ChinaAbstract:Inordertofinelydetectthedistributionrangeofshallowcoalmined-outareas,alow-frequencyfocusedfactorisintroducedintothephaseshiftmethod,andalow-frequencyfocusedphaseshiftmethodisproposed,whichhastheadvantageofex

6、tractinglow-frequencydispersionenergyonashortreceiverarray.Thesynthetictestresultsshowthatthelow-frequencyfocusedphaseshiftmethodsignificantlyimprovesthefocusofthedispersionenergyatthelowfrequency,extendstherangeoffrequencybandsthatcanbepickedup,andincreasesthedetectiondepth.Meanwhile,themethodshort

7、ensthespreadlengthrequiredtocalculatethedispersionenergy,ensuringthattheMASWmethodhasahighlateralresolution.Therealdataintheshallowcoalmined-outareashowsthatusingthelow-frequency收稿日期：2021-10-29修回日期：2021-11-12基金項(xiàng)目：國(guó)家垂點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018丫FC0807803）;陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2019JLM8）;長(zhǎng)安大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（300102260203）作者簡(jiǎn)介：

8、楊智（1994-）.男.貴州凱里人.碩士研究生.主要從事淺地表面波勘探方面的研究工作。TelE-mail:2019126070通信作者：李宇（1983）,男.湖北孝感人，博士.講師，主要從事淺地表地寇勘探方面的研究工作。TelE-mail:liyupa&Edge.2015.34(11):1360-1364.23 夏江海.高頻面波方法M.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社.2015.XiaJianghai.HighfrequencysurfacewavemethodEM.Wuhan:ChinaUniversityofGeosciencesPress,20

9、15.24 ParkCB,MillerRD,XiaJH.MultichannelanalysisofsurfacewavesLJ.GEOPHYSICS,1999,64(3):800-808.25 ParkCB.MillerRD.XiaJH.ImagingdispersioncurvesofsurfacewavesonmultichannelrecordC/SEGTechnicalProgramExpandedAbstracts1998.SocietyofExplorationGeophysicists,1998:1377-1380.26 RixGJ.LeipskiEA.Accuracyandr

10、esolutionofsurfacewaveinversionCRecentAdvancesinInstrumentation.DataAcquisition&TestinginSoilDynamics.ASCE.1991.27 VirieuxJ.P-SVwavepropagationinheterogeneousmedia:velocity-stressfinite-differencemethodJ.GEOPHYSICSJ986.51(4):889-901.28 VirieuxJ.SH-wavepropagationinheterogeneousmedia:velocity-stressf

11、inite-differencemethodEJ.ExplorationGeophysics,1984,15(4):265.29 閆英偉.淺地表高頻面波成像技術(shù)研究D.長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2019.YanYingwei.Researchonhigh-frequencysurfacewaveimagingtechniquefortheshallowsubsurfaceD.ChangchunzJinlinUniversity,2019.30 XiaJH,MillerRD.ParkCB.Estimationofnear-surfaceshear-wavevelocitybyinversionofRayl

12、eighwavesJ.GEOPHYSICS,1999.64(3):691-700.(責(zé)任編輯:陳貴仁)focusedphaseshiftmethodinthedispersionenergyextraction,theMASWmethodobtainshigh-precisionhorizontalslicesoftheshearwavevelocityandidentifiestheextentofthemined-outarea,thelocationofthesecuritypillaranditsgeometry.Itconfirmstheeffectivenessofthelow-f

13、requencyfocusedphaseshiftmethodtoimprovethelateralresolutionofMASWandthefeasibilitytodetecttheshallowcoalmined-outareafinely.Keywords:coalmined-outarea;multichannelanalysisofsurfacewaves;low-frequencyfocusphaseshiftmethod;dispersionenergy;shearwavevelocity由于小煤窯的開(kāi)采，在煤層埋藏較淺的礦區(qū)存在大量位置不明的采空區(qū)，引起了一系列安全問(wèn)題.如

14、采空區(qū)塌陷、瓦斯聚集、積水等。這些采空區(qū)具有隱伏性.對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成極大的威脅口F妹熾阪栗中區(qū)R有空間分布坎禪性差的符疝.精掀物原存夜成成.地球物理勘探方法在探測(cè)煤層采空區(qū)方面應(yīng)用廣泛,主要分為地震與電磁2類方法。在地震類方丫去方面楊彳點(diǎn)義等I認(rèn)為統(tǒng)彼時(shí)小尺住栗空“戚高的片禍率，祥說(shuō)明繞射就在求中火勘探的nJh雙安等6在地1W間剖面彩異常1.-”的坎1.加3區(qū)的地11|性火*18桃紫銀；衛(wèi)譏,，匕罕1；9frVi地F*體營(yíng)交電響應(yīng)的物野1叫利噴政將牡，的出地I也體的KP及其VI麥電釗用高密度電用宰技探#1爆屢呆空區(qū),分?jǐn)仉婖U率反演新面圖的異常彩奄以及電阻分布等特牡,報(bào)新出來(lái)空辰塌陪心;丹久久

15、萼1,基于探地雷達(dá)的探測(cè)原理,分析采空區(qū)探測(cè)的可行性,給出采空區(qū)的雷達(dá)反射波響應(yīng)特征.探討利用探地雷達(dá)在強(qiáng)干擾地區(qū)精細(xì)成像的技術(shù)方法。上述2種方法各自存在優(yōu)勢(shì)和局限性。地宸類方法要求反射波或繞射波具有一定的信噪比,而淺層煤層地震數(shù)據(jù)受淺地表介質(zhì)的影響較大，往往信噪比較低,還會(huì)受到而波的嚴(yán)重?cái)_；電磁類方法可能會(huì)受到井下、地面、城市環(huán)境的強(qiáng)電磁干擾，并面臨高頻電磁波的穿透深度問(wèn)題。因此，應(yīng)根據(jù)煤層采空區(qū)具體的地質(zhì)特征，綜合考慮不同地球物理方法的特點(diǎn),選擇合理方法進(jìn)行探測(cè)口幻針對(duì)淺層煤層環(huán)境地震數(shù)據(jù)中面波能量強(qiáng)、信噪比高的特點(diǎn)，本文基于而波(瑞利波)開(kāi)展淺層煤層采空區(qū)精細(xì)探測(cè)方面的研究工作。面波法在

16、探測(cè)煤層采空區(qū)方面的研究工作開(kāi)展得較早,20世紀(jì)90年代以來(lái)，瞬態(tài)瑞利而波法被廣泛應(yīng)用于工程勘探等相關(guān)領(lǐng)域。蠣財(cái)14自主岫了SWS財(cái)而諛多道敢揖栗集灶理拒統(tǒng)井ftttK用十媒in栗空區(qū)痛第；依W星等15-16街出.而欲傾散曲伐中的-Z-字形站錚祭低遺央辰出現(xiàn)多11氏理段的靖果；常!充等17的址球物理待征，擺時(shí)多帽牌；6璐利波妝術(shù)的探制機(jī)陽(yáng)，并分析該方法在找原嫌呆采空區(qū)禪弟中的災(zāi)用性和有效性;Nasscri-MoehaMam博18提出(埴分析法，溟/i!.WihK記錄的偵說(shuō)袁H律謂倫曉強(qiáng)19心；、曰，前采空區(qū)的勘探站果，說(shuō)明Mt/ill利城12禁探衡采空職忡方法；U2?！刻岢鲆环N基于面波衍射旅行

17、時(shí)方程的簡(jiǎn)單方法,可從單炮記錄中檢測(cè)到地下空洞；陳昌彥等21分析采空iMIKK地球物理場(chǎng)特征.付隱*1；61利族技木在探制采空HiaiX的可行憐；Rector22介紹了件新的H列坦8方式成打血誠(chéng)U析或整.井&用采釗1Mt.lRiV了&好的探測(cè)濁果。上堞嶗兜:L作祝段推活了而該法在采*!的曲用研兜，攜而在煤房采空&的棉編探測(cè)、it羸股劇植度方面仍雷前強(qiáng)研亢工作.thIit/?/.i-UJf和U目早、開(kāi)柔方式蓊后.導(dǎo)致采空&分布專航、勉國(guó)小，因此開(kāi)nut府國(guó)校粉1向分冊(cè)*方面的&兄本文通過(guò)分析MASW方法橫向分辨率的影響因素.改進(jìn)提取頻散能量方法，采用短接收排列提高頻散能量在低頻端的聚焦性.從本質(zhì)

18、上提高M(jìn)ASW方法的橫向分辨率,并對(duì)模擬數(shù)據(jù)與淺層煤層采空區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。1面波多道分析方法MASW方法的實(shí)施過(guò)程主要分為3個(gè)步驟a*：(D基于線性接收排列采集高信噪比的面波數(shù)據(jù);對(duì)面波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，提取頻散能量。(2)結(jié)合頻散能量極值與趨勢(shì),拾取頻散極值得到頻散曲線。(3)反演頻散曲線，獲得一維橫波速度剖面。對(duì)多個(gè)一維橫波速度剖面進(jìn)行插值，形成擬一維橫波速度剖面。一維橫波速度剖面是計(jì)算頻散能量所用接收排列下方地層結(jié)構(gòu)的綜合響應(yīng)，因此接收排列越長(zhǎng)，一維橫波速度剖面對(duì)地層結(jié)構(gòu)的橫向平均效應(yīng)越大，即橫向分辨率越低。另外，由于頻散能量的聚焦性與接收排列長(zhǎng)度成正相關(guān)性.因此步驟(1)中頻散

19、能量計(jì)算所需的排列長(zhǎng)度與頻散能量中低頻的聚焦性，直接影響MASW方法的橫向分辨率與探測(cè)深度。1.1相移法相移，去是Park等25a1998缶撾出的一神提取財(cái)波死散阪地的萬(wàn)法。該方法不懣距接收椅列、討鼻量小、而姓附校式貌故船修提畋效果蝦的優(yōu)京.而波貌ftt分WffiCftlH間-空伺/-0域的地表id汶換為和木-相速地(廣V)城的眼設(shè)Kx為也集裁&.沿時(shí)伺，方向偉-蛾*鬼葉麥諂的席枳形式：=A(l)P(x.co)(1)式中為振幅譜;P()為相位譜。在式(1)中，面波各頻率分量被分開(kāi),其走時(shí)信息包含在相位譜中，因此頻散信息均包含在相位譜P(七。)中。振幅譜包含球面擴(kuò)散、振幅衰減等信息。相位用指數(shù)形

20、式表示，其頻譜可寫(xiě)成：成為。)=。2項(xiàng)(刃)(2)P-M式中,切為單位距離相位差X。為圓頻率”為頻率分量0對(duì)應(yīng)的相速度小為炮檢距?？紤]球面擴(kuò)散與吸收衰減對(duì)振幅的影響，在X方向進(jìn)行振幅歸-化處理，然后對(duì)式(2)作積分：心仲)=eASXrCdA(3)iAQc)式(3)可理解為某一頻率的波場(chǎng)其相位移動(dòng)后沿a方向的疊加。對(duì)于某一給定頻率(八如果掃描相位們與切相等.即伊=一(4)】知?jiǎng)t對(duì)積分結(jié)果取模耿g會(huì)有極大值。根據(jù)式(4)將相位e轉(zhuǎn)換成相速度七由f=co/21,可獲得廣I，域頻散能量圖。%q)代表頻散能量值。通過(guò)拾取頻散能量圖的極值,即獲得頻散曲線。1.2頻散能量聚焦因子從物理意義上，式(3)中eK

21、止為相位部分,其中0.v表示向波傳播到炮檢距x處發(fā)生的相位變化總量。陸地地震面波一般符合正向頻散特征,0隨頻率的降低而減小，即在炮檢距x定的情況序低頻的相位變化總量0.v比高頻的小，導(dǎo)致在低頻端對(duì)掃描相位伊的敏感度降低.進(jìn)而在低頻端頻散能量聚焦性變差。提高低頻端頻散能量的聚焦性，直接途徑是增大炮檢距(接收排列長(zhǎng)度或接收道數(shù))和增大相位差總量。而通過(guò)增大炮檢距來(lái)提高低頻頻散能量的聚焦性，必然會(huì)降低橫向分辨率。在保持炮檢距或接收道數(shù)不變的情況下.研究與改善頻散能量在低頻端的聚焦性具有實(shí)際意義。給單位距離相位差0加上一個(gè)正相位因子T,炮檢距x處發(fā)生的相位變化總量(0+r)x變大，式(3)可改寫(xiě)成：=

22、fe吵Af山(5)A(x,(w)T=colV*式中/為聚焦因子為參考相速度。參考相速度要綜合考慮增大炮檢距X處的相位變化總量與避免高頻發(fā)生空間假頻兩個(gè)因素，建議在面波群速度與平均相速度范圍內(nèi)取值。引入聚焦因子提高了Wg在低頻端對(duì)掃描相位的敏感度，進(jìn)而改善了低頻端頻散能量聚焦性。在此稱N性(心為低頻聚焦型頻散能量。由式(5)g可獲得低頻聚焦模式廣U域頻散能量圖。根據(jù)式(4)可計(jì)算出頻率分量切對(duì)應(yīng)的真實(shí)相速度v(,：=二3(6)-r3八、-T經(jīng)驗(yàn)法則表明，瑞利波穿透深度接近最大波長(zhǎng)的_半26.飪緘電布W持爆松扣技拯收道我不安的情況F.J拊更任紓*的皈散饒虬尚正自帥特虬慚算的球A=%/M會(huì)隨之增大。

23、因此，低頻聚焦型相移法在保證橫向分辨率的同時(shí)提高了MASW方法的探測(cè)深度。2數(shù)值模擬地震波場(chǎng)數(shù)值模擬是地震勘探的一項(xiàng)重要研究手段。其通過(guò)假定的介質(zhì)模型和對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)，將彈性波動(dòng)方程進(jìn)行離散化求解，模擬地震波在已知介質(zhì)卜的傳播規(guī)律，最終生成地震記錄。對(duì)于二維各向同性介質(zhì)，滿足胡克定律的瑞利波-階速度-應(yīng)力彈性波方程2181為3/3xdz(A,Z)P(A,Z)Ph：(xrz,f)a公Ozf)y(x,z”)Tdt8a-dzp(x.z)SiGd)“Ki”，)、=E2(xfz)+2/(xrz).+人(x.z)ot=衣“)+2(3ot3xdza：(7)dz道序號(hào)圖2正演地震記錄Fig.2Theforwa

24、rdseismicrecord地震記錄中瑞利波能量占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)線性、式中，7xrx,U）、a：（x,z,決6：（x,z”）分別為平面內(nèi)應(yīng)力的3個(gè)分量汕（x.z/）、從x.z.f）分別為速度的水平分量和垂直分量疽（x.z）、“（x.z）為拉梅常數(shù)為密度*（*”）為震源項(xiàng)。震源置于地表.模擬垂向激發(fā)，加載震源項(xiàng)到垂向振動(dòng)v；（x,z,r）0采用橫向各向同性介質(zhì)替換法來(lái)實(shí)現(xiàn)模型上部的自由邊界；模型的底部、左右側(cè)吸收邊界條件，采用雙軸完全匹配層技術(shù)處理邊界反射問(wèn)題29。為驗(yàn)證低頻聚焦型相移法增強(qiáng)頻散能量在低頻端的效果，建立3層水平層狀模型，如圖1所示。模型密度為1800kg/m3,第一層厚度10

25、m.縱波速度600ms.橫波速度300m/s;第二層厚度10m.縱波速度800ms.橫波速度400ms：第三層為半20x/m40608020E云3040無(wú)限空間,縱波速度1000ms,橫波速度500m/s0差分網(wǎng)格401X201,網(wǎng)格步長(zhǎng)Ax=Az=O.25m.即模型長(zhǎng)度為100m、深度為50m,時(shí)間步長(zhǎng)Ar=0.1ms0震源布置于地表（10.0）處,選擇主頻為30Hz的Ricker子波，采樣率0.5ms,記錄時(shí)K0.5s。在地表布置40個(gè)檢波器，道間距2m,最小偏移距10m.即第1個(gè)接收點(diǎn)位于（20,0）。采用時(shí)間二階差分和空間十階差分精度的交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分求解上述正演方程,正演地震記錄如圖

26、2所不。p-l.8g/cm,v.=300m/s,%=600m/sp=.8g/cm,v.=400m/s、v,=800m/sp=1.8g/cm,v.=500m/s.vr=1000m/s頻散特性.其群速度約為300ms;體波能量很弱,無(wú)法觀察到連續(xù)的同相軸。設(shè)置相速度范圍50650mJs、速度增量5ms,頻率范圍360Hz、頻率增量0.1Hz,截取前16道（排列長(zhǎng)度30m）.分別采用相移法式（3）與低頻聚焦型相移法式（5）提取頻散能量，如圖3所示.其中后者的參考相速度為面波群速度。由圖3（a）可以看出.采用常規(guī)相移法提取的頻散能量.解析解與頻散能量極值趨勢(shì)相吻合；由排列長(zhǎng)度確定的最大波長(zhǎng)處的頻率為1

27、1Hz.其相速度為328m/s。由圖3（b）可以看出.采用低頻聚焦型相移法提取的頻散能量，由式（6）轉(zhuǎn)換解析解得到的亂，與頻散能量極值亦相吻合；由排列長(zhǎng)度確定的最大波長(zhǎng)處的頻率為5.8Hz,其相速度為174m/so對(duì)比可知,低頻聚焦型相移法頻散能量的聚焦性整體優(yōu)于常規(guī)相移法，尤其是低頻端的聚圖I層狀模型焦性得到明顯改善.且低頻從11Hz下降至Fig.IThelayeredmodel5.8Hz0U.S.E)安?rS.EV婪圖(a)常規(guī)相移法頻沖血(b)低頻聚焦型相移法(參與相速度為300m/s)從頻散能量圖中分離出5Hz、10Hz、20Hz、30Hz四個(gè)單頻成分.進(jìn)一步分析頻散能量的聚焦性(圖4

28、)。由圖4可以看出，相速度由低到高,單頻的頻散能量曲線總體面貌特征表現(xiàn)為震蕩-主極值-震蕩的變化過(guò)程。在5Hz頻散能量曲線圖4(a)中.常規(guī)相移法幅值從相速度300m/s開(kāi)始一直緩慢增大，未出現(xiàn)主極值。而5Hz解析解對(duì)應(yīng)的相速度為420.3m/s,這意味著無(wú)法按照極值原則提取正確的相速度。與常規(guī)相移法相比，低頻聚焦型相移法在相速度175.1m/s出現(xiàn)主極值，與解析解對(duì)應(yīng)的相一致，這體現(xiàn)了低頻聚焦型相移法較常規(guī)相移法具有低頻聚焦的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)頻率增大至10Hz、20Hz、30Hz時(shí)，常規(guī)相移法的單頻頻散能量曲線分別出現(xiàn)主極值340.1ms、287.8m/s.280.0ms.與解析解相一致.其主極值的

29、尖銳程度隨頻率的增大亦逐漸提高。對(duì)比相同頻率頻散能量曲線，低頻聚焦型相移法的主極值始終比常規(guī)相移法具有更高的尖銳程度，且與該頻率解析解對(duì)應(yīng)的vZ相-致。數(shù)值模擬結(jié)果表明:低頻聚焦型相移法不僅增強(qiáng)了頻散能量在低頻端的聚焦性.而且向低頻端擴(kuò)展了頻散能量。低頻聚焦型相移法不僅提高了MASW方法的橫向分辨率,而且增大了探測(cè)深度。20排列長(zhǎng)度確定的最大波長(zhǎng)圖3頻散能量圖譜Fig.3Dispersionenergyspectrum(a)5Hz單頻(020(d)30Hz機(jī)頻常短相移法圖4單頻頻散能最曲線Fig.4Thesinglefrequencydispersionenergygraph3實(shí)例分析3.1研

30、究場(chǎng)地概況研究場(chǎng)地選擇晉煤集團(tuán)古書(shū)院礦某處，地貌上屆于黃土丘陵,地形變化較小，現(xiàn)位于晉城市城區(qū)。場(chǎng)地內(nèi)含可采煤層共3層。3號(hào)煤層平均厚5.73m.埋深6070m;9號(hào)煤層上距3號(hào)煤層約53m.平均厚1.55m,埋深110120m;15號(hào)煤層上距9號(hào)煤層約28m.平均厚2m,埋深140150m。場(chǎng)地3號(hào)煤層采空區(qū)是本次探測(cè)目標(biāo)，由于該煤層開(kāi)采時(shí)間久遠(yuǎn)，基礎(chǔ)地質(zhì)資料缺失，旦隨著后續(xù)9號(hào)、15號(hào)煤層的開(kāi)采，采空區(qū)范圍不能完全掌握。目前研究場(chǎng)地內(nèi)建筑物較多，布設(shè)測(cè)線空間有限，且存在高壓輸電線、臨近省道與施工工地，環(huán)境條件復(fù)雜，對(duì)地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量帶來(lái)不利影響。3.2數(shù)據(jù)采集本次采空區(qū)探測(cè)選用MASW方法

31、。根據(jù)場(chǎng)地空間條件.平行布置6條測(cè)線(L1L6).方位北東75：測(cè)線均勻分布于研究場(chǎng)地.如圖5所示。測(cè)線L1L6長(zhǎng)度均為140m,測(cè)線間最大距離為16.5m(L5與L6線)，最小距離為8m(L2與L3線、L3與L4線)。圖5測(cè)線布設(shè)Fig.5Thesurveylinelayout地震設(shè)備采用ARIES數(shù)字地震儀、10Hz自然頻率20DX-10Hz型號(hào)檢波器。觀測(cè)系統(tǒng)采用固定接收排列，接收道數(shù)141.道間距1m.炮點(diǎn)距2m,采樣率1ms.記錄長(zhǎng)度Is。因場(chǎng)地具有強(qiáng)振動(dòng)噪聲與電磁噪聲，為保證地震數(shù)據(jù)信噪比與探測(cè)深度需求,震源選用錘體質(zhì)量為400kg的強(qiáng)能量夯擊震源車,原始地震記錄如圖6所示。地震記

32、錄中面波發(fā)育、能量強(qiáng)、頻散特征明顯,經(jīng)分析其群速度約300mJs.頻帶寬度360Hz.主頻26Hz。進(jìn)一步分析而波同相軸,存在多處局部連續(xù)性變差與波場(chǎng)紊亂現(xiàn)象,如圖6中紅色虛線圈定范圍.推測(cè)可能與地層塌陷和采空區(qū)有關(guān)。地震記錄中除面波外.還可清晰識(shí)別直達(dá)波與折射波.前者速度約為550ms.后者速度約為2200m/s。道序珍圖6原始地震記錄及頻譜Fig.6Originalseismicrecordandspectrum3.3數(shù)據(jù)處理與解釋由丁面波能量強(qiáng)、信噪比高，且與體波初至在時(shí)間窗口互不干擾，因此數(shù)據(jù)預(yù)處理僅進(jìn)行360Hz的帶通濾波。提取頻散能量所用的接收排列長(zhǎng)度或接收道數(shù)，是MASW方法中的

33、重要參數(shù).直接影響探測(cè)深度與橫向分辨率。一般情況下，增大排列長(zhǎng)度,頻散能量向低頻拓展，因而可增加探測(cè)深度。采取增大排列長(zhǎng)度來(lái)增加探測(cè)深度的方式，其副作用是地下介質(zhì)的橫向平均效應(yīng)隨之變大,降低了MASW方法的橫向分辨率。下面討論L2線第1033道、1045道、1057道3種排列長(zhǎng)度，即道數(shù)與排列長(zhǎng)度分別為24道(23m)、36道(35m)、48道(47m)的情況。采用常規(guī)相移法式(3)提取頻散能量，設(shè)置相速度范圍502000ms,增量5mJs.頻率范圍360Hz,增量0.1Hz0圖7(a)(b)(c)分別顯示了道數(shù)為24道、36道、48道的頻散能量圖。頻散能量主要集中于基階模態(tài),高頻至60Hz聚

34、焦性依然良好;低頻端頻散能量的聚焦性受道數(shù)影響較大，當(dāng)?shù)罃?shù)為24時(shí).低頻聚焦性差，可靠拾取頻率約為13Hz,對(duì)應(yīng)相速度為551ms;增大道數(shù)至36時(shí)，低頻聚焦性得到改善.可靠拾取頻率降至12.2Hz.對(duì)應(yīng)相速度為606ms二繼續(xù)增大道數(shù)至48,低頻聚焦性得到持續(xù)改善,可靠拾取頻率進(jìn)一步降至10Hz.對(duì)應(yīng)相速度為718ms0依據(jù)半波長(zhǎng)準(zhǔn)則初步估算，道數(shù)為24道、36道、48道的探測(cè)深度分別為21.2m、24.8m、35.9m,不能滿足70m的目標(biāo)煤層探測(cè)深度。同時(shí)，淺層煤層采空區(qū)探測(cè)需要MASW方法保持較高的橫向分辨率.因此在道數(shù)不增加的情況下,需(弓巨叔翅(弓巨叔翅1525354555頻孫z(

35、a)常規(guī)相移法(24道)0007004001008005002002IIb)常規(guī)相移法(36道)1525354555頻村Hz(d)低頻聚焦型相移法(36道)51525354555頻率/Hz(c)常燃相移法(48道)圖7頻散能量圖Fig.7Dispersionenergyspectrum部分頻散能量的低頻或高頻不穩(wěn)定，統(tǒng)一頻散曲線拾取范圍，最小頻率為5.6Hz,最大頻率為40Hz。設(shè)置計(jì)算頻散能量的排列滾動(dòng)距為1個(gè)道間距(1m),6條測(cè)線共計(jì)拾取頻散曲線606條(圖8)。可見(jiàn).頻散曲線形態(tài)相似.相速度范圍為1601570m/so初始速度模型用半波長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)法則

36、建立。采用等Xia30提出的w/只小&方法反滴在為柚技速度結(jié)構(gòu)。圖9給出65m深度的橫波水平切面圖.速度范圍7001600ms,可以看出高速區(qū)與低速區(qū)均具有一定的方向性特征。根據(jù)煤層采空1015202530354C頻率/Hz圖8頻散曲線Fig.8Dispersioncurves要采用低頻聚焦型相移法進(jìn)行頻散能量提取,以期提高探測(cè)深度。在此,選擇36道作為后續(xù)頻散能量提取的計(jì)算道數(shù)，依據(jù)在群速度與平均相速度范圍內(nèi)取值的經(jīng)驗(yàn),參考相速度設(shè)置為500m3.其余參數(shù)與常規(guī)相移法相同,頻散能量如圖7(d)所示。由圖7(d)可以看出,頻散能量在低頻端的聚焦性得到顯著改善.旦聚焦性良好，可靠拾取頻率降至5H

37、zo根據(jù)式(4)計(jì)算出為1040ms;依據(jù)半波長(zhǎng)準(zhǔn)則估算.探測(cè)深度達(dá)到104m,在保證較高橫向分辨率的基礎(chǔ)上，探測(cè)深度達(dá)到了目標(biāo)煤層深度要求。區(qū)橫波速度呈現(xiàn)低速、保安煤柱橫波速度呈現(xiàn)高速、低速區(qū)與高速區(qū)兒何特征.結(jié)合礦井基礎(chǔ)地質(zhì)資料進(jìn)行解釋,圈繪水平切片圖中速度大于1100m/s的高速區(qū)為保安煤柱，如圖9中藍(lán)色虛線所示；圈定速度低于1100m/s的低速區(qū)為采空區(qū).如圖9中紅色虛線所示。根據(jù)保安煤柱方向性特征，估算本場(chǎng)地主體采煤方向大致為北西23,這與研究場(chǎng)地所屬采區(qū)的實(shí)際回采工作面布設(shè)方向北西21基本吻合.從而支持了解釋結(jié)果的可靠性。-I000.X()()700速度/(ms，II600I500

38、國(guó)I40()I300I2001100圖9橫波速度水平切片(深度65m)Fig.9HorizontalsectionofS-wavevelocity(depth65m)4結(jié)論本文對(duì)常規(guī)相移法進(jìn)行改進(jìn)，引入低頻聚焦因了,提出了一種低頻聚焦型相移法，該方法具有在短接收排列上提取低頻頻散能量的優(yōu)勢(shì)。模擬數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表明：該方法顯著改善了低頻端頻散能量的聚焦性，擴(kuò)展了可拾取的低頻頻點(diǎn)，不僅增大了MASW方法探測(cè)深度.而且提高了橫向分辨率。應(yīng)用低頻聚焦相移法于淺層采空區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理.計(jì)算頻散能量的排列長(zhǎng)度為35m.達(dá)到了目標(biāo)煤層70m深度的探測(cè)需求。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明：MASW方法獲得J高精度的橫波速度水平

39、切片，清晰識(shí)別出采空區(qū)范圍、保安煤柱位置及其幾何形態(tài),證實(shí)了低頻聚焦型相移法提高M(jìn)ASW方法橫向分辨率的有效性與精細(xì)探測(cè)淺層煤層采空區(qū)的可行性，同時(shí)亦表明低頻聚焦型相移法與MASW方法在淺層煤層采空區(qū)的精細(xì)化探測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)劉菁華.王祝文.朱士，等.煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)的地球物理探查J.煤炭學(xué)報(bào),2005,30(6):715-719.LiuJinghua,WangZhuwen,ZhuShi.etal.ThegeophysicalexplorationaboutexhaustedareaandsinkingareaincoalmineJ.JournalofChinaCoalSo

40、ciety,2005.30(6):715-719.1 王鵬.程建遠(yuǎn),姚偉華.等積水采空區(qū)地而-鉆孔瞬變電磁探測(cè)技術(shù)J.煤炭學(xué)報(bào),2019,44(8):2502-2508.WangPeng,ChengJianyuan,丫aoWeihua.etal.Technologyofdetectingwater-filledgoafbesideboreholeusingdownholetransientelectromagneticmethodJ.JournalofChinaCoalSociety,2019,44(8):2502-2508.2 崔芳鵬，武強(qiáng)，林元惠，等.中國(guó)煤礦水害綜合防治技術(shù)與方法研究J.

41、礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào).2018.3(3):219-228.CuiFangpeng,WuQiang,LinYuanhui,etal.Preventionandcontroltechniques&methodsforwaterdisastersatcoalminesinChinaJ.JournalofMiningScienceandTechnology,2018,3(3):219-228.3 王家臣.JurgenKretschmann.李楊.關(guān)閉煤炭礦區(qū)資源利用與可持續(xù)發(fā)展的幾點(diǎn)思考J.礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào).2021.6(6):633-641.WangJiachen,JurgenKretschmann,LiYan

42、g.ReflectionsonresourceutilizationandsustainabledevelopmentofclosedcoalminingareasJ.Journalofminingscienceandtechnology,2021.6(6):633-641.4 楊德義,王黃.王輝.陷落柱的繞射波J.石油物探,2000,39(4):82-86.YangDeyi.WangYun,WangHui.DifractionwavesfromfallenpillarsJ.GeophysicalProspectingforPetroleum,2000,39(4):82-86.5 楊雙安，寧書(shū)

43、年.老窯采空區(qū)的地震探測(cè)與研究J.中國(guó)煤田地質(zhì).2004.16(1):44-47.YangShuangan.NingShunian.ResearchonseismicsurveyinggoafingoftheoldmineJ.CoalGeologyofChi-na,2004.16(1):44-47.6 衛(wèi)紅學(xué).查文鋒.馮春龍.來(lái)空區(qū)上地震時(shí)間剖面的特征分析J.地球物理學(xué)進(jìn)展0)14.29(4):1808-1814.WeiHongxue.ZhaWenfeng.FengChunlong.AnalysisofcharacteristicsofseismicsectioningoafareaJ.Pro

44、gressinGeophysics,2014,29(4):1808-1814.7 苑昊，劉佳朋，姜在興.煤礦采空區(qū)四維地震特征分析及識(shí)別方法：以淮南煤田張集礦區(qū)為例JL現(xiàn)代地質(zhì),2021.35(4):1018-1023.YuanHao,LiuJiapeng,JiangZaixing.4Dseismiccharacteristicsincoalminegobs:acasestudyfromthezhangjicoalmineinHuainancoalfieldJ.Geoscience,2021,35(4):1018-1023.薛國(guó)強(qiáng)，宋建平，閆述.等.瞬變電磁探測(cè)地下洞體的可行性分析LJ.石油大

45、學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2004.28(5):135-138.XueGuoqiang.SongJianping.YanShu.etal.FeasibilityanalysisoftransientelectromagneticmethodfordetectingundergroundcaveCJ.JournaloftheUniversityofPe-troleum,China,2004,28(5)135-138.10 楊鏡明.高密度電阻率法煤田采空區(qū)勘察效果J.物探與化探,2012.36(51):12-15.YangJingming.Theapplicationofhighdensitymetho

46、dtotheexplorationofcoalfieldgoafJ.GeophysicalandGeochemicalExploration,2012,36(S1):12-15.11 程久龍，潘冬明，李偉，等.強(qiáng)電磁干擾區(qū)災(zāi)害性采空區(qū)探地雷達(dá)精細(xì)探測(cè)研究】JJ.煤炭學(xué)報(bào).2010.35(2):227-231.ChengJiulong,PanDongming.LiWei.etal.StudyonthedetectingofhazardabandonedworkingsbygroundpenetratingradaronstrongelectromagneticinterferenceareaCJ

47、.JournalofChinaCoalSociety,2010,35(2):227-231.12 薛國(guó)強(qiáng)，潘冬明,于景邨.煤礦采空區(qū)地球物理探測(cè)應(yīng)用綜述J.地球物理學(xué)進(jìn)展,2018,33(5):2187-2192.XueGuogiang.PanDongming,YuJingcun.ReviewtheapplicationsofgeophysicalmethodsformappingcoalminevoidsJ.ProgressinGeophysics,2018,33(5):2187-2192.13 賈開(kāi)國(guó).吳德明.工程物探在地下空洞探測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例分析J.工程勘察,2006,34(SO:278-282.JiaKaiguo.WuDeming.ApplicationofengineeringgeophysicalsurveyinundergroundcavityexplorationJ.JournalofGeotechnicalInvestigation&Surveying.2006.34(SI):278-282.14 劉云禎，王.振東.瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及其應(yīng)用實(shí)例J.物探與化探.1996,20(1):2834.LiuYunzhen.WangZhendong.Datacollectionandprocessingsystemoftransientsurfacewaveme