第三講槽波地震勘探

槽波地震勘探

主講人：楊雙安

河南理工大學資環(huán)學院

第三講一、引言二、槽波1.槽波的形成2.井下槽波勘探中記錄到的地震波3.勒夫波頻散分析和速度成像三、槽波勘探方法與應用實例1.槽波勘探方法2.透射法勘探實例3.反射法勘探實例4.透射/反射法聯(lián)合勘探實例四、槽波地震儀1.SummitⅡEx防爆槽波地震儀2.SummitⅡEx主要技術(shù)指標3.SummitⅡEx主要特點五、井下槽波勘探過程1.勘探方案設計2.施工前準備3.施工布置4.施工六、河南義馬煤業(yè)集團槽波地震勘探1.儀器組成2.現(xiàn)場驗收3.義安煤礦11061工作面槽波勘探成果一、前言

眾所周知，地面地震勘探方法是物探方法中分辨率最高，最精確的勘探手段，也是煤田勘探中普遍應用的方法。槽波地震勘探法是在井下煤層開采工作面內(nèi)進行的，地震測線接受點和激發(fā)點（炮點）沿煤巷布設，直接探測煤層內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造或其他地質(zhì)異常體，并且槽波（面波）對異常體又非常敏感，槽波數(shù)據(jù)解釋又有巷道已知地質(zhì)資料為依據(jù)，所以槽波地震勘探是最有效、最精確、分辨率最高的井下地震勘探方法。對槽波地震勘探而言，其優(yōu)點是沒有地表地形起伏變化的影響，沒有表層及淺層（基巖、風化巖、湖泊、黃土及坡積物等巖性變化）激發(fā)和接受層位不一致帶來的信號能量及頻率差異。早在一九五五年，F(xiàn).F.艾維遜就對槽波用于采煤業(yè)的可行性做了預見性的肯定。但直到一九六三年才由T.C.克雷正式發(fā)表關(guān)于槽波在煤層中的傳播模式理論。經(jīng)過四十多年世界若干個研究團體的努力，槽波方法已經(jīng)發(fā)展成為一種最有效的、實用性較強的煤田井下“槽波地震勘探技術(shù)”（ISS）。目前“槽波地震勘探技術(shù)”已在德國、英國、澳大利亞、美國、波蘭、西班牙、俄羅斯、匈牙利等國獲得較廣泛應用。國內(nèi)中國礦業(yè)大學劉天放教授可以說是開創(chuàng)了槽波地震勘探先河，在上世紀80年代中期留學德國進行槽波地震勘探技術(shù)學習并于1994出版了一本《槽波地震勘探》專著。我國河南義馬煤業(yè)集團和河北煤炭科學院在2010年分別從德國DMT公司引進槽波地震儀。義馬煤業(yè)集團首次應用就獲得了意想不到的結(jié)果。

槽波又稱之為導波或煤層波。槽波在煤層中激發(fā)，通過同一煤層傳播、衰減和反射，并在同一煤層中被接收。由于煤的密度和彈性波傳播速度一般小于頂、底板的速度，所以在煤層內(nèi)激發(fā)的彈性波大部分能量不能向煤層外部傳播，總是在兩個界面（煤層頂板和底板）之間反射和混響，從而形成一種特殊的彈性地震波——槽波。井下槽波勘探精度高，可發(fā)現(xiàn)尺寸1-2m或更小的地質(zhì)異常和斷距為煤厚1/3的斷層。槽波探測距離大，透射槽波探測距離為煤厚的300倍；反射槽波探測距離為煤厚的100倍。

槽波可以解決一下問題探測煤層的不連續(xù)性，如煤層厚度變化，矸石層分布，大、小斷層，陷落柱，剝蝕帶，古河床沖刷帶，巖墻，老窯等；評估煤層地壓的相對高帶；根據(jù)槽波頻散分析和速度成像，評估可能的高瓦斯帶；對上述探測結(jié)果進行綜合分析，給出工作面不同地段的開采安全性評估。

二、槽波

1.槽波形成

當在煤層中激發(fā)一個震動時，便會產(chǎn)生地震波，包括P波和S波。這個地震波向四周擴散，傳播。由于煤層的波速明顯低于頂板和底板的波速，當震源產(chǎn)生的地震波傳播到煤層頂板和底板界面時將會被全部反射和折射回煤層內(nèi)部，相互混響、疊加形成槽波。如圖1所示。

上圖描述的槽波形成過程是：煤層內(nèi)炮點產(chǎn)生的地震波，向頂、底板傳播：在A區(qū)由于地震波的入射角小于臨界角，所以一部分能量透過頂、底板向圍巖中泄露，而另一部分能量反射回煤層內(nèi)部，A區(qū)稱為泄露區(qū)。在B區(qū)和C區(qū)入射角大于臨界角，地震波在頂、底板界面上被全反射和全折射回煤層之中，這些反射和折射回煤層之中地震波，在C區(qū)內(nèi)相互疊加混響形成槽波。由于槽波是由不同類型和頻率的地震波疊加而成，所以槽波的傳播速度是頻率的函數(shù)，槽波是頻散波。由于槽波被限制在煤層之中，所以在煤層中能傳播很遠，但槽波與煤層厚度有關(guān)，煤層越薄，槽波頻率越高，傳播距離越短。

2.井下槽波勘探中記錄到的地震波

煤層內(nèi)激發(fā)的地震波除圖1所示在頂、底板形成透射、反射、全反射和折射之外，還有直達波（直達P波和直達S波）。所以井下槽波勘探中記錄到的地震波有：直達P波和直達S波（體波）勒夫波（L）和瑞利波R（面波），統(tǒng)稱為槽波圖2井下槽波勘探記錄到的地震波形（動校正后）圖3井下槽波勘探記錄到的原始地震數(shù)據(jù)圖3表示由X、Y雙分量水平檢波器在單炮情況下記錄到的透射槽波。從圖3可見，有兩套相似的地震信號，其中一個是X分量信號（左側(cè)），一個是Y分量信號（右側(cè)）。Y分量垂直巷道壁，X分量平行巷道壁。圖3記錄的是未經(jīng)動校正的單炮地震信號，共有34個數(shù)據(jù)采集站和34個X分量檢波器（1-34號）及34個Y分量檢波器（35-68號）。炮點距離第17個數(shù)據(jù)采集站最近，也即距17號X分量檢波器和52號Y分量檢波器最近，因此直達波到達第17個數(shù)據(jù)采集站的時間最短，向兩側(cè)到時逐漸加長，所以圖3中的地震信號呈弧形分布。從圖3可見，最早到達的是直達P波，震相強，可連續(xù)追蹤；緊隨其后的是直達S波，在X分量中振幅很強，但向兩側(cè)減弱；最后到達的是瑞利波震相，振幅強，速度最低；勒夫波震相位于直達S波和瑞利波震相之間，振幅弱。3.槽波地震勘探波場分析最早到達的直達P波和S波在槽波勘探中很少應用。最后到達的瑞利波以峰值形式出現(xiàn)在波列的末端，頻率高，震相清晰，主要用于反射法槽波勘探。勒夫波出現(xiàn)在直達S波和瑞利波之間，在單炮情況下其相位沒有直達P波和瑞利波震相清晰，但在多炮點覆蓋、疊加情況下其相位將明顯改善。勒夫波主要用于透射法槽波勘探。4.勒夫波頻散分析和速度成像

透射法槽波地震勘探主要建立在勒夫波頻散分析和不同頻率的勒夫波速度成像基礎之上，在同一頻率下的勒夫波波速與煤層厚度和結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此勒夫波的頻散特征能反映煤層內(nèi)部的很多信息。圖4是勒夫波的頻散分析實例，它給出了在煤層厚度變化不大的情況下勒夫波的頻散分布差異。勒夫波頻率范圍很寬，在煤厚1.00m情況下，勒夫波能量主要分布在850-1000Hz之間（圖4a），在煤厚1.30m情況下主要分布在550-1050Hz之間（圖4b）。

圖4不同煤層厚度的勒夫波頻散曲線及能量分布

圖5是在單煤層情況下勒夫波頻散與煤層厚度的關(guān)系，可見曲線陡度主要與頻率有關(guān)，若所選擇的分析頻率位于曲線的最陡部分，則煤層變化所引起的勒夫波速度變化最明顯，也即探測精度越高。圖5勒夫波頻散與煤層厚度的關(guān)系速度單煤層厚度

（m/s）

圖6是在夾矸石存在的情況下，勒夫波的頻散曲線分布，即勒夫波頻散與夾矸石厚度的關(guān)系?？梢?，勒夫波在中頻段（160-380Hz）其波速對夾矸石厚度變化最敏感，因此探測夾矸石厚度變化最好利用此頻段的勒夫波速度成像。

夾矸層厚度（0-200cm）

速度（m/s）

在給定的頻率下對勒夫波進行頻散分析后，便可計算在該頻率下工作面內(nèi)各網(wǎng)格點的勒夫波速度值和勒夫波速度成像結(jié)果（圖7某工作面的勒夫波速度成像圖（250Hz）

）。勒夫波速度成像圖是煤層厚度變化和煤層內(nèi)部各種地質(zhì)異常體的綜合反映，是透射法槽波勘探結(jié)果地質(zhì)解釋的主要依據(jù)。

三、槽波地震勘探方法槽波勘探方法分為透射槽波勘探法、反射槽波勘探法和透射/反射聯(lián)合勘探法。

1.透射槽波勘探法激發(fā)點（炮點）布置在工作面的一個巷道內(nèi)，數(shù)據(jù)采集站布置在工作面的另一個巷道和切口內(nèi)，接收來自炮點激發(fā)的地震透射波信息。主要用于探測煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部異常，包括煤層厚度變化，夾矸石分布，大、小斷層，陷落柱，剝蝕帶，古河床沖刷，巖墻，老窯等，在某些情況下評估煤層地壓相對大小和高瓦斯帶，最終給出開采安全性評估。透射法的探測距離是煤層厚度的300倍。

圖8透射法勘探原理2.反射槽波勘探法炮點與數(shù)據(jù)采集站布置在同一巷道內(nèi)，接收來自工作面內(nèi)的地震反射信號。主要用于探測煤層內(nèi)的各種大、小斷層，侵入體和巖墻等能形成反射體的地質(zhì)異常。

圖9反射法勘探原理3.透射/反射聯(lián)合勘探法

若炮點位于通風巷道內(nèi)，則數(shù)據(jù)采集站同時布置在通風巷道和運輸巷道內(nèi)。通風巷道內(nèi)的數(shù)據(jù)采集站接收反射波信號，運輸巷道內(nèi)的數(shù)據(jù)采集站接收透射波信號。

四.槽波地震勘探應用實例1.透射法勘探應用實例圖10透射法勘探單炮記錄1）透射法探測斷層

從圖10上圖可見，當位于斷層左側(cè)的炮點14激發(fā)時，各數(shù)據(jù)采集站均可收到直達P波，而位于斷層左側(cè)的采集站1-11僅能接收到瑞利波，但位于斷層右側(cè)各采集站由于斷層的阻擋收不到瑞利波。從圖10下圖可見，而當位于斷層右側(cè)炮點12激發(fā)時，各采集站均可收到直達P波，而位于斷層右側(cè)的采集站12-20可以接收到瑞利波，但位于斷層左側(cè)的接收站1-11由于斷層阻擋收不到瑞利波。所以在透射法勘探中可根據(jù)對瑞利波的追蹤，確定斷層的存在和位置。2）透射法勘探煤層厚度變化及斷層

從上圖勒夫波的速度成像可見，在工作面內(nèi)最低速度為850m/s，是煤層最厚的地方；大部分為900-1000m/s，此處煤層變薄；但在工作面左側(cè)有一速度突變帶，再向左速度值增高至1150m/s,該速度突變帶為右傾正斷層，煤層在斷層左側(cè)顯著變薄?？梢姼鶕?jù)勒夫波速度成像也可斷定斷層和破碎帶等地質(zhì)異常。將速度成像結(jié)果與巷道地質(zhì)圖所揭示的煤層厚度對比，便可精確地確定不同速度值所對應的煤層厚度，從而繪制出工作面內(nèi)的煤層厚度變化圖。

圖11

探測煤層厚度變化及斷層（勒夫波480Hz時速度成像）

3）透射法勘探煤層厚度變化原因

圖12是另一個煤礦工作面的透射槽波勘探結(jié)果，工作面中部為一寬緩的高速區(qū)，最大波速達1700m/s。該高速區(qū)是底板隆起并導致煤層減薄。圖12探測煤層厚度變化（勒夫波250Hz時速度成像）4）透射法勘探夾矸石厚度

圖13透射法探測夾矸石厚度（勒夫波250Hz時速度成像）巷道地質(zhì)圖揭示，在該工作面的通風巷道中部有很厚的夾矸石分布，與波速值高達1800m/s的位置相當。向左上角的運輸巷道方向速度值逐漸降低，夾矸石逐漸變薄、消失。根據(jù)巷道地質(zhì)圖揭示的夾矸石厚度，可將圖13轉(zhuǎn)換成矸石層厚度分布圖。

5）采后驗證結(jié)果

圖14是采后的夾矸石實際厚度變化圖，是對圖13的驗證?？梢妸A矸石最厚處達2m以上，向外逐漸減薄至1m，向左上角方向逐漸消失。這與圖13的探測結(jié)果一致。圖14夾矸石分布的驗證結(jié)果6）透射法探測斷層破碎帶和剝蝕帶及采后驗證結(jié)果

圖15斷層破碎帶和剝蝕帶探測及驗證結(jié)果左圖是400Hz勒夫波速度成像，可見明顯的分成兩部分：右半部低速，沒有明顯速度差；左半部高速，速度差大；兩者分界線是速度梯度帶，是斷層破碎帶的反映。左側(cè)的高速體（紅色）是煤層剝蝕帶。右圖是采后地質(zhì)圖，可見斷層破碎帶正好與左圖中的速度梯度帶一致，剝蝕帶正好與左圖中的高速體（紅色）一致。表明，透射槽波探測結(jié)果與采后地質(zhì)圖一致。

7）透射法探測煤層沖刷帶

圖16煤層沖刷帶探測（勒夫波240Hz速度成像）探測區(qū)由上煤層O（黑色），下煤層N（黑色），巖石層（白色）和夾矸煤層（黑白相間）組成，總厚412cm（見柱狀圖）。在相鄰的三個工作面內(nèi)進行了槽波探測，發(fā)現(xiàn)在工作面中部偏右存在一個相互連接的、高速帶狀異常，在此異常帶上煤層O已被剝蝕殆盡，所以高速異常帶是煤層沖刷帶的反映。

3.反射法勘探實例

反射法主要應用瑞利波震相探測煤層內(nèi)的大、小斷層，巖漿侵入體和巖墻等反射異常體。探測距離是煤層厚度的100倍。

1）反射法探測單一斷層圖17反射法探測單一斷層實例從圖17的反射地震剖面可見，瑞利波的反射震相非常清楚，其到時從120ms延至440ms，是斷層的確切標志。該斷層與巷道大致呈30°斜交。

2）反射法探測多條平行斷層

圖18下圖是瑞利波相位的反射斷面，上圖是解釋結(jié)果。本區(qū)在通風巷道和運輸巷道內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)斷層，但經(jīng)過反射槽波探測后發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)有多條平行斷層，在這些斷層發(fā)育區(qū)是不宜開采的（紅色以上區(qū)域）。

圖18反射法探測多條平行斷層4.透射/反射法聯(lián)合勘探實例

圖19上圖為反射法所觀測到的瑞利波相位分布，可見在圖左上角有一組強反射相位，圖右下角有一組弱反射相位，它們都是來自斷層的瑞利波反射相位。根據(jù)巷道地質(zhì)圖，在該工作面內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定，但透射法的勒夫波成像結(jié)果表明，在某些地段的勒夫波速度明顯偏高，這是煤層地壓增高所致。根據(jù)斷層分布、煤層地壓和工作面內(nèi)不同地段的槽波數(shù)據(jù)質(zhì)量等信息可以對開采安全性作出評估。

圖19透射法/反射法聯(lián)合勘探—評估開采安全性綠色：安全開采區(qū)蘭色：低度危險區(qū)褐黃色中度危險區(qū)紅色：高度危險，丌宜開采

四、槽波地震儀

德國DMT公司研發(fā)的新一代防爆槽波地震儀SummitⅡEx是世界上最先進的槽波地震儀。其優(yōu)點：

SummitⅡEx防爆槽波地震儀包括：中心站（主機）數(shù)據(jù)采集站中繼站雙分量水平檢波器觸發(fā)單元觸發(fā)脈沖單元爆炸機（可選用國內(nèi)礦用爆炸機）數(shù)據(jù)傳輸電纜充電器槽波數(shù)據(jù)處理和解釋軟件包分辨率高達24位，最高采樣率達1/48ms,瞬時動態(tài)范圍（非系統(tǒng)動態(tài)范圍）大于120dB，全諧波畸變低于0.0008%，可毫無失真地記錄所有的井下勒夫波、瑞利波和直達波等信號。輕便，一套48道槽波地震儀重約270Kg，分體包裝后很容易運至井下。中心站（主機）數(shù)據(jù)采集站中繼站互為垂直的雙分量水平檢波器觸發(fā)單元爆炸機觸發(fā)脈沖單元圖20施工現(xiàn)場儀器設備布置五、井下槽波勘探過程

1.勘探方案設計：主要根據(jù)勘探目標，精度，工作面幾何尺寸，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集站數(shù)量和巷道地質(zhì)圖等資料，設計所采取的勘探方法（透射法或反射法或透射/反射聯(lián)合法），炮點和接收點位置及密度，并標在施工設計圖上。2.施工前準備：根據(jù)施工設計圖中的炮點和接收站位置（一般在煤層的中部），打好炮眼（直徑無要求，深約2m，炸藥量100-200g）和檢波器埋置孔（直徑55mm，深2m）。

3.施工布置：布置好儀器設備，安置好檢波器，對整個儀器系統(tǒng)進行最后一次檢查（圖20）。

4.施工：炮工通過電話與主機操作員聯(lián)系后，引爆炸藥，主機實時顯示各數(shù)據(jù)采集站記錄到的地震信號。（圖21）六、河南義馬煤業(yè)集團槽波勘探

1.儀器組成：我國河南義馬煤業(yè)集團2010年從德國DMT公司定購一套防爆槽波地震儀，包括：1臺中心站；30個雙道數(shù)據(jù)采集站；30個雙分量水平檢波器；6個智能型中繼站；2個觸發(fā)單元；6條數(shù)據(jù)傳輸電纜；3個充電站；1個爆炸單元（包括觸發(fā)脈沖單元）；1套槽波數(shù)據(jù)處理和解釋軟件上述設備于2010年6月到貨，2010年7月10日德國DMT公司派兩位專家和北京歐華聯(lián)科技有限責任公司工程技術(shù)人員共同與義馬煤業(yè)集團地質(zhì)研究所對到貨進行現(xiàn)場驗收和技術(shù)培訓。

2.現(xiàn)場驗收

驗收地點選在義安煤礦11061工作面。該工作面煤厚變化劇烈，構(gòu)造復雜。義馬煤業(yè)集團要求在驗收過程中，除檢驗設備的功能、技術(shù)指標和穩(wěn)定性以及培訓人員外，還希望探明11061工作面的主要地質(zhì)問題。根據(jù)工作面掘進過程中實際揭露的地質(zhì)資料，掘進巷道附近的煤層厚度變化很大，最厚處7m，最薄處小于2m，煤層傾角最大12°，最小1°，煤層結(jié)構(gòu)復雜，瓦斯涌出量較大。希望探明的主要地質(zhì)問題有：（1）煤層厚度變化（2）斷層位置及延伸情況根據(jù)要探明的地質(zhì)問題，選擇了透射槽波勘探方法。井下施工設計如圖22所示：

根據(jù)施工設計圖進行現(xiàn)場施工（圖22），包括：1）選擇炮點和接收站（包括檢波器和數(shù)據(jù)采集站）位置，并標明他們的坐標。炮點和接收站一般位于煤層中部。2）在選擇的炮點處打眼，深約2m，裝填150g炸藥；檢波器孔深約2m，直徑55m，裝置檢波器后充氣。3）布設數(shù)據(jù)傳輸線和數(shù)據(jù)采集站以及中心站等。4）對布設好的儀器設備再一次進行現(xiàn)場檢測，一切完備后開始放炮、記錄。每炮后均可實時顯示觀測結(jié)果。11061工作面井下槽波探測共花費8小時30分鐘，時間分配見圖23。

圖23透射法勘探炮點和檢波器布置及井下實際工作時間圖22義安煤礦11061工作面的透射槽波勘探設計圖3.義安煤礦11061工作面槽波探測成果

1）槽波記錄圖圖24是第17炮的槽波記錄（11061工作面共用36炮，所以有36份這樣的記錄文件），從圖可見直達P波清晰、連續(xù)、到時最早；其后跟隨的是直達S波，震相強、清晰、可連續(xù)追蹤；最后達到的是一組瑞利波震相R，震相最強、速度最慢；勒夫波震相L位于直達S波和瑞利波之間，振幅弱、連續(xù)性較差。槽波勘探主要應用勒夫波和瑞利波，直達P波和直達S波基本無用。注：1.共22個雙分量水平檢波器和22道雙道數(shù)據(jù)采集單元接收槽波信號。2.左圖是X分量槽波信號，右圖是Y分量槽波信號。3.P代表直達P波震相，S代表直達S波震相，L代表勒夫波震相，R代表瑞利波震相。

圖24第17炮的槽波記錄圖2）勒夫波頻散分析和速度成像

正如前述透射法槽波勘探主要建立在勒夫波頻散分析和不同頻率的勒夫波速度成像基礎之上，首先要對所有接收點所記錄到的每一炮槽波數(shù)據(jù)進行頻散分析，以確定最佳的頻散分析頻率和該頻率下的勒夫波速度成像。

從圖25可見，勒夫波頻散與煤層厚度密切相關(guān)。由于11061工作面煤厚變化在1m-7m之間，在如此巨大的煤厚變化條件下，要取得最佳的頻散分析和速度成像結(jié)果必須考慮如何選擇頻散分析頻率。從圖25可見：選擇125Hz作為頻散分析頻率，可對2m-5m之間的煤厚變化取得最好的速度成像結(jié)果；煤厚小于2m時可選擇250Hz的成像結(jié)果；煤厚大于5m時可選擇75Hz的成像結(jié)果。

圖25勒夫波頻散與煤層厚度關(guān)系折中考慮之后，選擇125Hz作為勒夫波的頻散分析頻率和速度成像結(jié)果，圖26.

圖26義安11061工作面速度成像圖（125Hz）從上圖（圖26）125Hz的速度成像結(jié)果可見：（1）在工作面右半部，炮點S1-S19之間是低速區(qū)，速度值從1200m/s向右降至1100m/s。該區(qū)煤厚比較穩(wěn)定，在6m-7m之間。（2）在工作面左側(cè)，炮點S26-S30之間是一高速區(qū)，速度值在1900m/s-2200m/s之間變化，此高速區(qū)寬度從運輸巷道向通風巷道方向擴展。該高速區(qū)是11061工作面內(nèi)煤層最薄的地區(qū)，根據(jù)瓦斯監(jiān)測結(jié)果該高速區(qū)也是瓦斯含量最高的地區(qū)。高瓦斯含量可導致勒夫波速增高。（3）在上述高速區(qū)右側(cè)，炮點S20-S26之間