矿井物探矿井地震勘探PPT课件

1、 矿井地震勘探是指在煤矿（山）井巷或采煤工作面内开展的浅层是指在煤矿（山）井巷或采煤工作面内开展的浅层地震勘探，所利用的地震波种类包括体波、面波和槽波勘探，主要是地震勘探，所利用的地震波种类包括体波、面波和槽波勘探，主要是解决煤矿（山）建设和生产过程中所遇到的各种地质问题。自解决煤矿（山）建设和生产过程中所遇到的各种地质问题。自2020世纪世纪7070年代开始，浅层高分辨地震勘探技术被逐渐应用到煤矿（山）井下，年代开始，浅层高分辨地震勘探技术被逐渐应用到煤矿（山）井下，为我国矿山安全生产及日常地质管理工作提供了重要的勘探技术手段，为我国矿山安全生产及日常地质管理工作提供了重要的勘探技术手段，并

2、解决了生产过程中大量的地质问题，为广大地质工作者提供了有力并解决了生产过程中大量的地质问题，为广大地质工作者提供了有力的技术支持。的技术支持。 矿井浅层地震勘探基本原理同于地面地震勘探，它是利用人工激矿井浅层地震勘探基本原理同于地面地震勘探，它是利用人工激发的地震波在地下传播，遇到地层界面发的地震波在地下传播，遇到地层界面( (往往也是岩煤层分界面往往也是岩煤层分界面) )所产所产生的反射波或折射波返回探测面的旅行时间，来确定界面的埋藏深度生的反射波或折射波返回探测面的旅行时间，来确定界面的埋藏深度及其产状的。根据探测时所利用的有效波不同，地震勘探的基本方法及其产状的。根据探测时所利用的有效波

3、不同，地震勘探的基本方法有折射波法和反射波法。有折射波法和反射波法。第6章 矿井地震勘探第1页/共36页第6章 矿井地震勘探第2页/共36页第6章 矿井地震勘探第3页/共36页6.1 井下折射波法 基本原理102arcsinviv第4页/共36页6.1 井下折射波法 探测应用实测波形记录 第5页/共36页6.2 井下反射波法 方法原理水平界面的反射波时距曲线 倾斜界面的反射波时距曲线 1422202hxtt22221(2 sin )12 cos(2 cos )()txhhhV第6页/共36页6.2 井下反射波法 工作方法1. 单点自激自收法巷道掘进迎头超前探测示意图 巷道两帮超前探测示意图 第

4、7页/共36页6.2 井下反射波法 工作方法1. 单点自激自收法巷道迎头超前探测单点激发接收布置示意图 第8页/共36页6.2 井下反射波法 工作方法2. 反射共偏移法共偏移最佳窗口选取示意图 共偏移巷帮测线布置示意图 第9页/共36页6.2 井下反射波法 工作方法第10页/共36页6.2 井下反射波法 资料处理 资料处理 实际观测时，一次放炮得到实际观测时，一次放炮得到1212道或道或2424道记录。为处理方便，将全部记录道记录。为处理方便，将全部记录按按CDPCDP集合集合( (共深度点反射波记录，重新编排，这一重新编排叫做共深度点反射波记录，重新编排，这一重新编排叫做CDPCDP选排。选

5、排。 野外获得的地震记录，野外获得的地震记录，一般都是折射波，面波的振一般都是折射波，面波的振幅大，反射波的振幅小。为幅大，反射波的振幅小。为便于处理分析，通常要将这便于处理分析，通常要将这样一些振幅小的反射波放大样一些振幅小的反射波放大到与初至波的振幅相近，称到与初至波的振幅相近，称这一处理为这一处理为AGCAGC。 第11页/共36页6.2 井下反射波法 资料处理第12页/共36页6.2 井下反射波法 资料处理第13页/共36页6.2 井下反射波法 资料处理第14页/共36页6.2 井下反射波法 资料处理 偏移是将由于界面倾斜和凹凸而产生的反射相位的形状偏移是将由于界面倾斜和凹凸而产生的反

6、射相位的形状( (例如凹界面例如凹界面产生的回转波产生的回转波) )恢复到本来构造形状的处理，又称波形归位。恢复到本来构造形状的处理，又称波形归位。 第15页/共36页6.2 井下反射波法 资料处理 输入准确的速度参数，将时间剖面转换为深度剖面。一般是输入准确的速度参数，将时间剖面转换为深度剖面。一般是将速度分析求出的叠加速度将速度分析求出的叠加速度V Vstackstack假定为均方根速度假定为均方根速度V V，使用迪克，使用迪克斯公式求取各反射界面之间的层速度斯公式求取各反射界面之间的层速度V Vintint，再由，再由V Vintint和和T T0,i0,i计算各计算各反射界面的深度。反

7、射界面的深度。 第16页/共36页6.2 井下反射波法 实际应用1. 单点反射法应用（1）顶煤厚度探测 实际应用 单点自激自收法较为简单，在获得高频地震波情况下可以探测多种单点自激自收法较为简单，在获得高频地震波情况下可以探测多种地质条件，其中在顶煤厚度探测、锚杆质量检测及巷道超前探测等方地质条件，其中在顶煤厚度探测、锚杆质量检测及巷道超前探测等方面较为突出。面较为突出。 右图为淮南国投新集一矿右图为淮南国投新集一矿1301A1301A工作面风巷工作面风巷H4H4号号测点测点1313煤剩余厚度探测结果，其中（煤剩余厚度探测结果，其中（a a）为该点）为该点测试波形图，图中煤层反射波组特征明显，

8、可进测试波形图，图中煤层反射波组特征明显，可进行对比与解析。图（行对比与解析。图（b b）为具体解析结果，其中）为具体解析结果，其中地震波在煤层中的平均速度取地震波在煤层中的平均速度取1.0m/ms1.0m/ms。解释的。解释的剩余煤层结构为剩余煤层结构为4.5 (0.6) 1.14.5 (0.6) 1.1，用钻探实测的，用钻探实测的巷道上方煤层结构为巷道上方煤层结构为4.8(0.8)1.04.8(0.8)1.0，可以看出单，可以看出单点自激自收探测煤厚的结果完全能够满足生产的点自激自收探测煤厚的结果完全能够满足生产的需要。需要。第17页/共36页6.2 井下反射波法（2）锚杆检测 实际应用第

9、18页/共36页6.2 井下反射波法 实际应用山东东滩矿山东东滩矿13021302工作面运顺巷道掘进中某断面超前探测波形图，依据工作面运顺巷道掘进中某断面超前探测波形图，依据3 3煤煤速度速度2.8m/ms2.8m/ms，分析在前方，分析在前方12.88m12.88m为一反射界面，实际揭露该断层为为一反射界面，实际揭露该断层为13m13m。 第19页/共36页6.2 井下反射波法 实际应用2. 井下共偏移探测 实际应用 山西霍州矿业集团某矿条带联巷不同位置巷道分别揭露落差为6-9m大断层，为判定其未揭露区前方延伸状况，现采用单道最佳偏移距法，偏移距选定为20m，移动步距为2.0m，共进行了13

10、0m段帮内数据采集。图6-1-33为测试偏移时间剖面及结果分析，从图中可以看出，该构造迹线反射波同相轴连续，易于分辨。从波组整体上分析，该断层迹线有所摆动，总体上沿测试起点方向向联巷摆动距离加大。 结合现场测试取2号煤煤体地震波综合波速2500m/s，可以判定在距测试起点60 m处断层应位于工作面面内43 m左右。而在距测试起点110m处断层位置在面内57.5 m，后经穿过巷道揭露，该位置前方距离为60m。1）构造探测第20页/共36页6.2 井下反射波法 实际应用 右图为进风斜井中右图为进风斜井中反射共偏移法测试偏移反射共偏移法测试偏移时间剖面，图中红色代时间剖面，图中红色代表地震记录正相位

11、，蓝表地震记录正相位，蓝色代表负相位，其相位色代表负相位，其相位变化表示介质体中结构变化表示介质体中结构特征的变化。测试区域特征的变化。测试区域内岩层的各种反射波组内岩层的各种反射波组特征明显，反射相位清特征明显，反射相位清晰，为解释和判别提供晰，为解释和判别提供依据。分析认为，自测依据。分析认为，自测试起点试起点40-62 m40-62 m段波组段波组相对紊乱，为岩性破碎相对紊乱，为岩性破碎杂乱引起较多的反射回杂乱引起较多的反射回波，异常区延伸为波，异常区延伸为21.5m21.5m左右。左右。四川某矿进风斜井地质构造异常区域探测偏移时间剖面 第21页/共36页6.3 震波CT技术 震波震波C

12、TCT技术，也即计算机辅助层析成像技术，它是技术，也即计算机辅助层析成像技术，它是2020世纪世纪8080年年代开始在地球物理领域中应用并逐渐发展起来的，取得了许多令人代开始在地球物理领域中应用并逐渐发展起来的，取得了许多令人瞩目的成果。目前广泛应用于地球内部结构成像，石油勘探、矿产瞩目的成果。目前广泛应用于地球内部结构成像，石油勘探、矿产勘探、土木工程检测、地质灾害防治等相关领域。勘探、土木工程检测、地质灾害防治等相关领域。 采面震波采面震波CTCT探测是通过在巷探测是通过在巷- -巷、孔巷、孔- -巷、孔巷、孔- -孔或巷孔或巷- -地面之间地面之间建立探测区域，在一条巷道煤帮中激发地震波

13、，并在另一条巷道的建立探测区域，在一条巷道煤帮中激发地震波，并在另一条巷道的煤帮中接收地震波，根据地震波信号初至时间数据的变化，利用计煤帮中接收地震波，根据地震波信号初至时间数据的变化，利用计算机通过不同的数学处理方法重建介质速度或衰减特征的二维图像。算机通过不同的数学处理方法重建介质速度或衰减特征的二维图像。通过这种重建的测试区域地震波速度场或衰减特征的分布，并结合通过这种重建的测试区域地震波速度场或衰减特征的分布，并结合介质的物理性质来推断剖面中的精细构造及地质异常体的位置、形介质的物理性质来推断剖面中的精细构造及地质异常体的位置、形态和分布状况。态和分布状况。第22页/共36页6.3 震

14、波CT技术 基本原理 基本原理ilidsyxSt),(NiijiidSt1iil假设地震波的第假设地震波的第个传播路径为个传播路径为，其地震波初至时间为，其地震波初至时间为 对测区介质进行网格划分后，其走时成像公式可表示为对测区介质进行网格划分后，其走时成像公式可表示为 第23页/共36页6.3 震波CT技术 基本原理 基本原理 对速度场图像重建，首先确定射线追踪方法，主要有对速度场图像重建，首先确定射线追踪方法，主要有直射线和弯曲射线追踪技术，进行地震波理论到时；再使直射线和弯曲射线追踪技术，进行地震波理论到时；再使用不同的反演方法进行用不同的反演方法进行CTCT数据反演，有反投演法数据反演

15、，有反投演法(BPT)(BPT)、算、算术迭代法术迭代法(ART)(ART)、最小二乘法（、最小二乘法（LSQRLSQR）和联合迭代法）和联合迭代法(SIRT)(SIRT)等可进行终值叠代。弯曲射线追踪震波到时要比直射线追等可进行终值叠代。弯曲射线追踪震波到时要比直射线追踪更趋于实际值，又由于踪更趋于实际值，又由于SIRTSIRT方法收敛速度较快，而且对方法收敛速度较快，而且对投影数据误差的敏感度小，结果多选取弯曲射线线性插值投影数据误差的敏感度小，结果多选取弯曲射线线性插值法（法（LTILTI）进行时间追踪和）进行时间追踪和SIRTSIRT方法进行反演的结果为震波方法进行反演的结果为震波CT

16、CT的图像的图像 。第24页/共36页6.3 震波CT技术 基本原理2 2、CTCT构造探测解释依据构造探测解释依据地震波在介质中传播的过程中，携带大量的地质信息，通过波速、频地震波在介质中传播的过程中，携带大量的地质信息，通过波速、频率及振幅等特性表现出来，其中地震波速度与岩体的结构特征及应力状态率及振幅等特性表现出来，其中地震波速度与岩体的结构特征及应力状态之间有着显著的相关性。通常不同岩性中地震波的传播速度是不同的，即之间有着显著的相关性。通常不同岩性中地震波的传播速度是不同的，即使是同一岩层，由于其结构特征发生变化，其波场分布也会发生新的变化。使是同一岩层，由于其结构特征发生变化，其波

17、场分布也会发生新的变化。具体来说，地震波在煤层中传播，煤层是地震波的低速介质，当煤层是均具体来说，地震波在煤层中传播，煤层是地震波的低速介质，当煤层是均匀分布时，匀分布时，CTCT反演出的波速分布结果应当是一个较均匀速度图。而当煤层反演出的波速分布结果应当是一个较均匀速度图。而当煤层中出现构造及其它异常时，特别是单个的中、小正断层的作用，或者煤层中出现构造及其它异常时，特别是单个的中、小正断层的作用，或者煤层顶、底板突出，使得煤层变薄，而相对高波速的顶、底板岩石介质取代了顶、底板突出，使得煤层变薄，而相对高波速的顶、底板岩石介质取代了煤层或部分煤层位置，这为震波煤层或部分煤层位置，这为震波CT

18、CT解释提供了依据。从而可以认为波速解释提供了依据。从而可以认为波速CTCT图中，图中，高速线性条带应代表正断层的一盘或煤层构造变薄区高速线性条带应代表正断层的一盘或煤层构造变薄区。而。而低速条带低速条带应代表断层构造另一盘、裂隙发育区或煤层增厚区等形迹应代表断层构造另一盘、裂隙发育区或煤层增厚区等形迹，具体低速带解，具体低速带解释还应结合区域地质与条带产状进行。释还应结合区域地质与条带产状进行。第25页/共36页6.3 震波CT技术观测系统观测系统图图 示示说说 明明巷-巷观测系统以双巷及切眼形成测区，适用于解决面内构造及各种异常孔-巷观测系统探测煤层顶板或底板开采破坏特征及规律，底板探测施

19、工向下不同倾角钻孔孔-孔观测系统探测两孔之间的地质条件，适用于底板岩层结构评价地面-孔（巷道）观测系统探测地面与钻孔之间区域的地质条件，适用于覆岩破坏观测等相关内容 井下工作方法第26页/共36页6.3 震波CT技术 实际应用-工作面内构造探测 A9风巷-463.43241工作面纵波波速地质解释切眼q5-462.1A11A12-469.5-463.0-477.9q4q2f20机巷-493.4-502.0f17f15-513.6-513.2-515.3f12f10f103241风巷A7-478.2-490.9A4四采区-493.9A2P1311.41.82.22.633.444.44.74.9V

20、p波速(m/ms)f8-511.4f6-515.6f8-524.3f3f33241机巷-528.7P9 皖北煤电集团某矿皖北煤电集团某矿32413241工作面巷间震波工作面巷间震波CTCT探测为例。上图是弯线追踪探测为例。上图是弯线追踪SIRTSIRT法反演的纵波波速切片。图中蓝色和红色分别代表波速的最小和最大值，据此法反演的纵波波速切片。图中蓝色和红色分别代表波速的最小和最大值，据此标注了断层构造和纵波相对低速区的界线，高速区由于主要和断层构造近乎一标注了断层构造和纵波相对低速区的界线，高速区由于主要和断层构造近乎一致没有在图中直接标出。右下角区域为无射线经过区，未参加反演运算致没有在图中直

21、接标出。右下角区域为无射线经过区，未参加反演运算 。第27页/共36页6.3 震波CT技术 实际应用-底板破坏深度探测 皖北刘桥二矿皖北刘桥二矿26142614综采工作面孔综采工作面孔- -巷间观测震波巷间观测震波CTCT最后一次探测最后一次探测V VP P切切片图。此时工作面片图。此时工作面煤壁距钻孔孔口平煤壁距钻孔孔口平面位置为面位置为9.8m9.8m，煤，煤层开采所产生的底层开采所产生的底板岩层破坏已完成板岩层破坏已完成发育。从发育。从CTCT切片图切片图对比研究中发现，对比研究中发现，受采动影响，煤层受采动影响，煤层底板岩层发生了巨底板岩层发生了巨大变化，其地震波大变化，其地震波波速分

22、带性增强且波速分带性增强且较为稳定。较为稳定。 第28页/共36页6.3 震波CT技术 实际应用-围岩松动测试围岩松动测试 围岩松动测试布置 第29页/共36页6.3 震波CT技术 实际应用-围岩松动测试围岩松动测试 第30页/共36页6.4 坑道超前探测技术 方法原理 MSP（Mine Seismic Prediction）法是利用反射波勘探原理，在巷道掌子面处指定的震源法是利用反射波勘探原理，在巷道掌子面处指定的震源点用锤击或小药量爆炸激发产生地震波。地震波在岩煤层中以球面波形式传播，当遇到岩石点用锤击或小药量爆炸激发产生地震波。地震波在岩煤层中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面（即波阻抗明显差异界面，如断层、采空区、岩石破碎带和岩性变化等）时，一部物性界面（即波阻抗明显差异界面，如断层、采空区、岩石破碎带和岩性变化等）时，一部分地