地震超前探測技術(shù)課件

地震波超前探測技術(shù)地物10-2班張明川吳旭東姜重昕地震超前探測技術(shù)目前用于超前探測的方法主要有直接鉆探法、地震波法、井巷電阻率法、電磁波法等。其中反射地震波法是應(yīng)用最多的一種方法，具體來說，依據(jù)反射波原理超前探測的方法主要有隧道地震剖面系統(tǒng)、隧道垂直地震剖面法、水平聲波剖面法、真反射成像法、綜合地震成像系統(tǒng)以及陸地聲納法等。1、隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)(TunnelSeismicPredic—tion，TSP系統(tǒng)；最新款為TSP一203型)：是由瑞士安伯格(Amberg)測量技術(shù)公司研制的一套先進(jìn)的地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)。，采用了回聲測量原理，通過分析反射地震波信號的運動學(xué)和動力學(xué)特征，對斷層、巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計算與界面提取成圖。其成果解釋依據(jù)：正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層；若s波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水；若Vp／Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流體的存在而引起；若下降，則表明裂隙度或孔隙度增加；該方法有效探測距離在200m左右。地震超前探測技術(shù)2、負(fù)視速度法、垂直地震剖面法：地震負(fù)視速度法類似于TSP法，20世紀(jì)90年代初由曾兆璜提出，或稱隧道垂直地震剖面法(TVSP)它利用地震波在不均勻地層中產(chǎn)生的反射波特征，來預(yù)報隧道施工開挖面前方及周圍區(qū)域的地質(zhì)情況。同樣在隧道洞室側(cè)壁的一定范圍內(nèi)布點進(jìn)行激發(fā)與接收反射波，反射界面與測線直立正交時，所接收的反射波與直達(dá)波在記錄圖像上呈負(fù)視速度。其延長線與直達(dá)波延長線交點即為反射界面的位置。當(dāng)所得記錄中沒有明顯反射波時，預(yù)測開挖面前方的巖質(zhì)是均質(zhì)的。通常負(fù)視速度法是測試面與所要探測的地質(zhì)界面相互垂直，這種方法對與巷道夾角大于70度的異常界面適用性強(qiáng)。地震超前探測技術(shù)3、水平聲波剖面法(HorizontalSeismicProfiling．HSP)：最早由日本OYO公司在20世紀(jì)50年代用于隧道前方地質(zhì)探查。其工作原理與地表反射地震類似，是分析反射波走時計算地層界面位置。HSP施工布置在距隧道迎頭50～70m范Ⅲ內(nèi)，同樣在一側(cè)幫取2m左右深裸孔放置炸藥，激發(fā)地震波，24個左右高頻傳感器接收地震波。HSP數(shù)據(jù)處理經(jīng)過波場分離和疊前偏移可獲得清晰的成像結(jié)果。圖1為HSP法偏移結(jié)果的三維切片。地震超前探測技術(shù)4、真反射層析成像(TrueReflectionTomography，TRT)是由美國NSA工程公司20世紀(jì)90年代后期開發(fā)完成，目前在歐洲、亞洲開始應(yīng)用，其巾日本、澳大利亞和香港隧道工程中應(yīng)用最多。FRT方法在觀測方式和資料處理方法上與TSP法有很大不同。在觀測上，它采用的是空間多點接收和激發(fā)系統(tǒng)。檢波器和激發(fā)的炮點呈空間分布，布置在巷道迎頭、頂板及兩個側(cè)幫上，以充分獲得空間波場信息，提高對前方不良地質(zhì)體的定位精度。在資料處理方法上是通過速度掃描和偏移成像。該方法對巖體中反射界面位置的確定、巖體波速和工程類別的劃分等都有較高的精度地震超前探測技術(shù)5、綜合地震成像系統(tǒng)(IntegratedSeismicImagingSystem，ISIS)，是1999年由德國GFZ公司與基爾大學(xué)合作完成的一套地震測試系統(tǒng)。它將3個相互垂直狀態(tài)的檢波器，利用粘固劑固定在錨桿上，按一定間距安裝在隧道的墻面上。并利用TBM作為震源激發(fā)地震波，從而接收地震記錄。數(shù)據(jù)處理是采用Fresnel—Volume偏移成像技術(shù)完成的。該方法可對隧道及井巷工程掘進(jìn)前方以及頂部的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行較為全面的預(yù)報。地震超前探測技術(shù)6、陸地聲納法(也叫高頻地震反射法)是鐘世航1992年提出的，其實質(zhì)是垂直地震波反射法。該方法在隧道掌子面上采用極小偏移距，單點采集高頻地震反射信號形成連續(xù)剖面，通過十字形觀測系統(tǒng)和寬頻帶脈沖接收技術(shù)，預(yù)報掌子面前方斷層及其它地質(zhì)界面的位置和產(chǎn)狀。該方法優(yōu)點是分辨率高，但需占用掌子面。地震超前探測技術(shù)1.彈性波動方程交錯網(wǎng)格有限差分?jǐn)?shù)值模擬二維波動方程應(yīng)力與速度關(guān)系為地震超前探測數(shù)值模擬及波場特征式中，σxx、σzz分別為沿x、z方向的正應(yīng)力;σxz為剪應(yīng)力;λ、μ為拉梅參數(shù);vx、vz為質(zhì)點沿x、z方向的振動速度;t為傳播時間地震超前探測技術(shù)對一階速度－應(yīng)力彈性波動微分方程進(jìn)行2階時間差分精度和4階空間差分精度的交錯網(wǎng)格有限差分，其緊致差分格式為:地震超前探測技術(shù)地震超前探測技術(shù)模擬過程中取Δx=Δz=1m，Δt=0.1ms，震源函數(shù)采用頻率為150Hz的雷克子波縱波源激發(fā)，在施工現(xiàn)場考慮安全因素可采用機(jī)械震源和小藥量炸藥震源等。模型邊界采用Cerjan吸收邊界，以減小人工邊界產(chǎn)生的邊界干擾。根據(jù)以上差分格式和邊界條件,利用計算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。地震超前探測技術(shù)2.水平層狀地層采煤巷道內(nèi)激發(fā)的地震波場特征煤系地層是典型的層狀結(jié)構(gòu)，可將煤層與層狀頂?shù)装蹇醋鳈M向各向同性均勻介質(zhì)。據(jù)此，設(shè)計了采煤巷道工作面的層狀模型1頂板:vp=2600m/s，vs=1700m/s，ρ=2000kg/m3;巷道:vp=340m/s，vs=0，ρ=100kg/m3;煤層:vp=2200m/s，vs=1200m/s，ρ=1400kg/m3;底板:vp=3000m/s，vs=2100m/s，ρ=2400kg/m3;底板下巖層:vp=2600m/s，vs=1700m/s，ρ=2000kg/m3;vp為縱波速度;vs為橫波速度;ρ為密度，下同地震超前探測技術(shù)圖2為模型1地照震波波場在不同時刻的波場快。圖2(a)表明，波場中存在頂板縱波、頂板橫波、底板縱波、底板橫波、巷道內(nèi)管波、巷道內(nèi)聲波、煤層縱波、煤層橫波以及在頂?shù)装褰缑婧凸ぷ髅嫔袭a(chǎn)生的多次反射波、轉(zhuǎn)換波、繞射波等。由于傳播時間較短，在煤層內(nèi)的煤層縱波和煤層橫波及頂、底板之間的多次反射波混疊在一起。地震超前探測技術(shù)圖3為采用模型1中的激發(fā)接收方式的200ms地震記錄，其中同相軸1為底板直達(dá)縱波;同相軸2為底板直達(dá)橫波和巷道內(nèi)管波混疊;同相軸3為底板下界面反射波;同相軸4為巷道內(nèi)聲波。從圖3地震記錄中沒有發(fā)現(xiàn)能量較強(qiáng)的在頂板中傳播的各類波，因此采用工作面激發(fā)地板接收的觀測接收方式可以有效排除頂板波的干擾。地震超前探測技術(shù)3.巷道前方存在地質(zhì)異常體的地震波場特征在模型1的基礎(chǔ)上設(shè)計了采煤工作面前方100m處存在界面為傾斜的侵入地質(zhì)體模型2侵入地質(zhì)體:vp=3600m/s，vs=2700m/s，ρ=3000kg/m3地震超前探測技術(shù)圖5為模型2地震波波場在不同時刻的波場快照，與圖2相比可見，模型2波場更為復(fù)雜。模型2波場中除了存在模型1波場中的各類波外，還存在各類波在地質(zhì)體界面產(chǎn)生的透射波和反射波。地震超前探測技術(shù)圖6為模型2的200ms地震記錄，與圖3模型1的地震記錄相比較，可以發(fā)現(xiàn)其中除了含有模型1接收記錄中的各類波同相軸外，還存在在工作面前方構(gòu)造界面上產(chǎn)生的繞射波同相軸1和反射波同相軸2。地震超前探測技術(shù)1激發(fā)裝置1.1震源類型：激發(fā)裝置包括震源類型與觸發(fā)方式。要求震源能量大,頻率高,和采用小藥量爆炸震源在業(yè)內(nèi)已達(dá)成共識,但高質(zhì)量的震源信號還與巖體的圍巖質(zhì)量、起爆時炮眼內(nèi)是否注滿水有關(guān)。同等條件下,水中起爆和無水起爆相比較,其地震波的傳播距離前者是后者的1.5~2倍,地震波頻率前者比后者高1.5~3倍,在充滿水條件下可有效壓制管波的干擾能量。數(shù)據(jù)采集參數(shù)選擇地震超前探測技術(shù)1.2觸發(fā)方式：觸發(fā)時間精度關(guān)系到地震波的讀時精度和速度的準(zhǔn)確性。2接收裝置接收傳感器是地震數(shù)據(jù)采集最為關(guān)鍵的設(shè)備之一,其性能直接關(guān)系到地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量和地震波成像的精度。三分量檢波器必須具有高保真、高指向性能和較寬頻帶響應(yīng)等特點,保證地震波波形完整、縱橫波信息豐富明確。3采集參數(shù)3.1炮距與常規(guī)地震勘探相比,隧道地震波沿巖體傳播,速度快頻率高,記錄的延時誤差與人為的讀數(shù)誤差對解釋成果的影響更大。同一炮距條件下預(yù)報誤差隨巖體速度增大而增大,同一巖體條件下預(yù)報誤差隨著炮距的增大而減小。但堅硬巖與硬巖隧道炮距宜選大,可選2m;軟巖與較軟巖隧道地震波衰減快,炮距宜選小,可選1~1.5m。地震超前探測技術(shù)3.2偏移距堅硬巖與硬巖隧道偏移距宜選大,可選35~50m;軟巖與較軟巖隧道在無管波干擾條件下偏移距宜選15~25m,在管波干擾條件下應(yīng)綜合考慮預(yù)報距離適當(dāng)加大偏移距,可選20~30m。3.3采樣率與采樣點數(shù)一般軟巖的地震波(小藥量爆破激發(fā))頻率為200~600Hz,硬巖為400~1500Hz。根據(jù)抽樣定理,抽樣間隔$與諧振最大頻率fmax必須滿足f<1/2fmax。以最高頻率1500Hz計算,只要小于0.333ms即可,考慮讀數(shù)精度一般采用高采樣率采集,即選用0.05~0.1ms,采樣點數(shù)與預(yù)報距離有關(guān),預(yù)報距離在100~200m范圍采樣點數(shù)選2048~4096。地震超前探測技術(shù)1地質(zhì)概況龍東煤礦隸屬上海大屯能源股份有限公司，位于江蘇省徐州市。井田含煤地層有太原組、山西組、下石盒子組，其中可采或局部可采煤層為7、17、21號煤層。本區(qū)位于滕魚復(fù)向斜中滕縣的傾伏部位，井田內(nèi)褶皺構(gòu)造較為發(fā)育；褶曲內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層分布很不均勻，大斷層多分布于井田東南部和西部，并成束狀、枝狀分布，制約礦井安全生產(chǎn)。礦井地震超前探測技術(shù)在龍東礦的應(yīng)用地震超前探測技術(shù)在龍東礦21試煤采區(qū)回風(fēng)巷迎頭有限空間內(nèi)展開，測線布置巷道左幫上，采用炸藥震源。其炮孔20個，接收傳感器點為2個即C1、C2。傳感器及炮孔順序、方位及炮間距見圖，炮點布置在左幫。其中C1傳感器距離S20號炮點21.8m，C2點距C1點5m。測點W20距離C2傳感器19.5m。采集數(shù)據(jù)是KDZ1114-6B30地震儀利用兩個三分量傳感器C1、C2接收20炮地數(shù)據(jù)。地震超前探測技術(shù)地震波形的頻譜分析圖地震超前探測技術(shù)現(xiàn)場實采波形及直達(dá)波速度擬合從圖中可以看出直達(dá)縱波速度為5000m/s，直達(dá)橫波速度為2780m/s。利用直達(dá)波速度可基本確定本探測區(qū)域速度范圍并作為深度偏移時的速度背景值。深度偏地震超前探測技術(shù)深度偏移處理為MSP處理的核心部分。在給定速度模型的條件將來自前方介質(zhì)的反射能量偏移歸位至空間點上，以此成果圖件為基礎(chǔ)提取巷道前方反射界面?；谥边_(dá)波速度，本次均勻橫波速度背景值取值為2780m/s。由于采用炸藥震源，探測距離較遠(yuǎn)，整體探測距離達(dá)到168.5m，其中已揭露區(qū)68.5m，未揭露區(qū)100m。地震超前探測技術(shù)MSP深度偏移結(jié)果圖（SV波）從圖中可以提取出5個異常界面，分別為R1(迎頭前22.5m)、R2(迎頭前方40.5m)、R3(迎頭前方54.5m)、R4(迎頭前方64.5m)、R5(迎頭前方98.5m)。結(jié)合地質(zhì)資料，5個異常界面解釋為小斷層。地震超前探測技術(shù)根據(jù)現(xiàn)場掘進(jìn)實測剖面資料，21煤試采區(qū)回風(fēng)巷的2010-03-02迎頭處（測點W20+87.9m）前方100m范圍內(nèi)存在5個小斷層，分別為：①迎頭前方28.7m處存在一小斷層∠70°,落差H為0.30m；②迎頭前方43.42m處存在一小斷層∠80°,落差H為0.40m；③迎頭前方50.32m處存在一小斷層∠80°,落差H為0.40m；④迎頭