槽波波场分析-马云

1、 煤炭是我国主要能源之一，为了提高煤炭的产量， 综合机械化是采煤的必由之路。然而在机械化生产中，首先遇到的问题是不能准确地预测回采工作面内有何种地质异常以及准确位置，规模大小，以致造成巨大的经济损失和人员伤亡。仅仅依靠已有的传统物探方法、地质学方法、数学地质统计预测方法、钻探及巷探的手段是不够的，必须寻找一种新的有效的技术方法来解决上述问题，煤矿井下诸多地球物理方法中，槽波地震勘探是矿井物探中最受各国关注、最有发展前景的一种地球物理方法。 槽波地震勘探具有探测距离大、数据量大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较易识别以及最终成果直观的优点。槽波地震勘探示意图槽波地震勘探示意图接收排列激发排列工

2、作面布置采集数据1、槽波形成地质条件、槽波形成地质条件2、槽波观测方法、槽波观测方法3、槽波波场分析、槽波波场分析在地质剖面中，煤层是一个典型的低速夹层，在物性上构成一个“波导”层。煤层中激发的能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层中(简称煤层波或槽波)1v1v2v21v v1v1v2v21v v图1 槽波形成示意图1、槽波形成地质条件、槽波形成地质条件2、槽波观测方法、槽波观测方法2.1 、槽波透射法探测、槽波透射法探测2.2 、槽波反射法探测、槽波反射法探测2.3 、槽波超前预报探测、槽波超前预报探测槽波勘探的基本观测方法有两类，透射法和反射法。它们的原理都很简单：由震源在煤层中激发的槽

3、波，沿煤槽传播，如果工作面或巷道前方煤层不连续，槽波就完全或不完全被阻断，反射槽波遇到阻断面时，就将产生反射或部分反射，而透射槽波不能有效地穿过异常体，因此观测不到透射槽波。2、槽波观测方法、槽波观测方法2.1透射法探测透射法探测图2 槽波透射勘探示意图透射法测量中，震源与检波器（排列）布置在不同的巷道内。在一条巷道内激发，在另一条巷道中接收通过采区或盘区的透射槽波。根据透射槽波的有无强弱，尤其是频散特征，来判断震源与接收排列间射线覆盖的扇形区内煤层的连续性。当断层落差大于煤厚时，槽波完全阻断，一般接收不到透射槽波；在落差相当于煤厚3070左右，槽波部分阻断，接收到的透射槽波能量较正常情况下有

4、不同程度的减弱，速度也发生变化，（如图2所示）。目前在厚约13.5m的中厚煤层中，最大透射距离可达1000m以上。图3 透射槽波原始记录P波波S波波槽波槽波2.2反射法探测反射法探测 图4 槽波反射勘探示意图图5 槽波反射法原始数据震源与检波器排列布置在同一巷道内，在煤层中激发和接收槽波。如果工作面内煤层连续，没有任何地质异常，则槽波就能传播到对面巷道然后反射回来，被检波器接收，形成巷道反射波，巷道反射波没有应用价值，如果工作面存在断层等地质现象使得煤层出现横向不连续，它就是一个很强的波阻抗分界面，就将产生反射或部分反射。P波波S波波槽波槽波图6 超前预报布置图和模拟记录2.3超前预报探测超前

5、预报探测目前国内有10家煤业集团和高校利用槽波地震进行井下探测工作，在查找断层、陷落柱、煤厚变化、煤层破碎带等方面都有可喜的成果。槽波勘探主要利用的是勒夫波，主频即埃里震相。埃里震相的特点是频率高、强度大、速度低、衰减慢。目前透射法槽波勘探主要建立在槽波的频散分析基础之上，较少的考虑槽波记录的原始波场，但我们对一些工作面的槽波勘探原始波场记录分析后，发现埃里震相的波场特征可以解释多种地质现象，如断层位置、煤厚变化、陷落柱位置、煤层破碎带等。3.1、波场总体特征分析、波场总体特征分析3.2、埃里震相分析、埃里震相分析3、槽波波场分析、槽波波场分析透射槽波按其到时可分为直达P波，直达S波和 勒夫波

6、（L），勒夫波中的埃里震相最强，最清晰。 勒夫波沿煤层传播，质点垂直传播方向做水平运动。埃里相位是勒夫波的主相位，它的幅度最强，随激发源距离衰减慢，传播速度最低。勒夫波的频散特征、即波速随频率变化特征，对煤层厚度变化，矸石层分布和煤层内的各种地质异常反映最敏感。勒夫波CT速度成像能清晰地显示煤层内部结构和各种地质异常的位置和大小；勒夫波CT能量成像能清晰地反映煤层的完整性和遭受破坏的程度，是开采安全评估的重要依据。瑞利波也是槽波，它的质点沿水平传播方向做垂直运动，由于我们应用x，y双向水平检波器记录槽波，所以瑞利波很难显现。我们通过对16个工作面的槽波原始记录的综合分析，发现不同工作面煤层和顶

7、底板之间的速度不同和地质条件不同，槽波总体的记录形态有很大差异。晋煤5308工作面记录的单炮槽波原始记录，该工作面煤厚为6.07m，较稳定，条带状结构，煤芯完整，顶底板较完整，可见槽波记录清晰、规整，埃里相连续，振幅强，无明显变化， 通过原始记录P波和S波的初至和传播距离，估算其顶底板的P波速度约4000m/s,S波速度2700m/s,通过频率分析计算煤层勒夫波速度1190m/s，可见煤层稳定，顶底板速度差大，所以槽波质量好3.1.1波场总体特征分析波场总体特征分析图7 晋煤5308工作面单炮记录 义马云顶11100工作面的单炮槽波原始记录，该工作面煤厚0.4-10.8m变化较大，顶底板完整

8、通过原始记录P波和S波初至和传播距离，估算其顶底板P波速度约3760m/s,S波速度2500m/s,通过频率分析计算煤层勒夫波速度1000m/s。可见由于煤厚变化大，虽然槽波整体质量尚好，但不像上图那么规整。3.1.2波场总体特征分析波场总体特征分析 图8 云顶11100工作面单炮记录该工作面煤质差，属于面煤，很软，煤厚0.5m到13m变化剧烈，顶底板为软泥岩。P波速度约2290m/s,S波速度1340m/s,从图6可见，很难区分出槽波3.1.3波场总体特征分析波场总体特征分析 图9 宝雨山12121工作面单炮记录小小 结结 顶底和煤层之间的速度差明显影响槽波的形成和质量顶底和煤层之间的速度差

9、明显影响槽波的形成和质量煤层越稳定槽波质量越好煤层越稳定槽波质量越好煤层变化越大，槽波越复杂煤层变化越大，槽波越复杂2.2 埃里震相分析埃里震相分析2.2.1、埃里相变异、埃里相变异2.2.2 、埃里相缺失、埃里相缺失2.2.3 、埃里相中断及错动、埃里相中断及错动2.2.4 、埃里相频率及振幅变化、埃里相频率及振幅变化2.2.1、埃里相变异判断陷落柱、埃里相变异判断陷落柱根据已知资料晋煤5308工作面内有较大型陷落柱存在，其位置如图10所示。 图10 5308工作面透射槽波布置及陷落柱分布示意图2.2.1埃里相变异判断陷落柱埃里相变异判断陷落柱图 11 炮点S6激发透射槽波原始记录（根据晋煤

10、资料）炮点炮点透射勘探结果表明，在陷落柱左侧6号炮点激发时，位于陷落柱左侧的G1-G22采集站均能接收到高质量的的埃里相，但G23到G30似乎没有埃里相显示，如果有的话，其振幅也明显减弱，频率也发生了变化。埃里相变异埃里相变异埃里相埃里相图 12 炮点S6激发透射槽波射线穿过陷落柱示意图炮点炮点2.2.1埃里相变异判断陷落柱埃里相变异判断陷落柱在陷落柱左侧27号炮点激发时，位于陷落柱右侧的G9-G29采集站均能接收到高质量的埃里相，但在G4-G8采集站埃里相似乎消失，G1-G3采集站埃里相有重新显现，（图11）。图13炮点S27激发透射槽波原始记录（根据晋煤资料）炮点炮点埃里相变异埃里相变异埃

11、里相埃里相图 14 炮点S6激发透射槽波射线穿过陷落柱示意图炮点炮点通过槽波的透射速度CT成像结果及已知揭露的地质资料综合分析，异常1、异常2推测是煤柱引起的压力增高带，高压导致煤层压实，速度增高。异常3、异常4推测为煤层破碎带或者瓦斯富集区导致速度增高。异常5推测为煤层内陷落柱，由于陷落柱被顶板岩石所填充，其速度值高于煤层，所以表现为高速体。图15透射法速度CT成像结果（晋煤资料）2.2.1埃里相变异判断陷落柱埃里相变异判断陷落柱 2.2.2埃里相缺失埃里相缺失是同煤东周窑煤矿8102工作面在S42和S30号炮点激发时反射槽波原始记录，可见12-20采集站均未接收到埃里相，结合已知地质资料该

12、区为无煤区。图16 同煤东周窑煤矿S42炮原始记录(根据杨真资料)炮点位置炮点位置埃里相缺埃里相缺失无煤区失无煤区离炮点近离炮点近P波、波、S波、波、勒夫波压缩一块勒夫波压缩一块距离太远距离太远噪声干扰噪声干扰图17 同煤东周窑煤矿S30炮原始记录(根据杨真资料)炮点位置炮点位置埃里相缺埃里相缺失无煤区失无煤区2.2.3埃里相中断及错动判断断层埃里相中断及错动判断断层图18 #29右二回采工作面S9炮点激发透射槽波原始记录炮点炮点图18为鸡西新发矿西三采区#29右二回采工作面S9单炮槽波原始记录， 在9和10号采集站接收的埃里相有明显的相位错动。图19为新发矿西三采区#29右二回采工作面透射法

13、勘探能量CT成像结果，可见在S9放炮，在38和10号两个采集站接收到的埃里相发生错动，10号采集站的埃里相到时出现延迟，可能是煤层错动所致，这与能量传播CT成像结果一致的。断层断层图19 透射法能量CT成像结果（龙煤资料）2.2.3埃里相中断及错动判断断层埃里相中断及错动判断断层图20 义安11061工作面透射槽波布置图（义马资料）图21 义马11061工作面S20炮点激发的透射槽波原始记录（义马资料）炮点位置炮点位置图21为义马新安矿11061工作面S20炮激发透射槽波原始记录，可见在1-14采集站均能接收到埃里相，在15-22采集站均接收不到埃里相，根据已知地质资料在14与15号采集站附近

14、有一断层，槽波波场单炮原始记录埃里相中断位置与已知断层位置一致，说明通过埃里相位中断可判断断层的大致位置。图22义马11061工作面S6的透射槽波原始记录（义马资料）断层断层炮点位置炮点位置S20位置位置S6位置位置2.2.4埃里相频及振幅变化判断煤厚埃里相频及振幅变化判断煤厚义马11061工作面多点放炮10号采集站接收的槽波原始记录，在工作面左侧S1-S17号炮点激发能明显看到埃里相频率相对较低，振幅较弱，通过原始记录粗略计算为埃里相主频为125Hz，S18到S36号炮点激发明显看到埃里相频率相对较高，振幅较强，通过原始记录粗略计算为埃里相主频为160Hz。频散分析CT成像结果显示，在煤层变

15、厚区速度相对较低，原始槽波记录埃里相频率较低，振幅较弱，在煤层变薄区速度相对较高，频率相对较高，振幅较强。原始槽波波场记录与CT透射法槽波成像结果对应较好。可见通过槽波原始波场记录中埃里相的频率及振幅变化可判断煤厚的变化。 图23 埃里相位频率和振幅变化和煤厚变化有关图24为义马云顶11100工作面多点放炮在34号采集站接收的槽波原始记录，可见在31-33号炮点放炮时，由于炮点处煤厚仅为0.4m,未接收到埃里相。2.2.4埃里相频及振幅变化判断煤厚埃里相频及振幅变化判断煤厚 图24 槽波透射法G34采集站接收多点放炮原始记录接收点接收点煤厚煤厚0.4米米2.2.4埃里相频及振幅变化判断煤厚埃里相频及振幅变化判断煤厚 图25 槽波透射法G29采集站接收多点放炮原始记录 接收点接收点图25为云顶11100工作面多点放炮在29号采集站接收的槽波原始记录，可见在31-38号炮点放炮时，由于煤厚仅为0.4m，未接收到埃里相，17-24炮点放炮时，炮点处煤层厚，埃里相频率频率低。煤层变厚煤层变厚频率变低频率变低煤厚变薄煤厚变薄 图26 透射法速度CT成像成果图（义马资料）煤厚煤厚8米米煤厚煤厚0.4米米总结总结 槽波的波场分析