矿井物探-6矿井地震勘探课件

第六章矿井地震勘探地震勘探是利用地层和岩石的弹性差异来探测地下构造，寻找有用矿产资源的一种极重要的地球物理勘测方法。采用人工的办法（用炸药或其它能源）激发弹性波，沿测线不同位置用地震勘测仪器检测大地的震动，将这种携带了地层信息的震动波进行加工处理和解释，可以推断地下介质结构、岩性，从而达到勘查的目的。第6章矿井地震勘探

三维地震勘探是把沿测线观测的二维地震方法扩展到三维空间。通过面积测量技术获得与地质体相适应的三维数据体。面积测量技术是把观测系统布置在一定的面积内，利用炮点和检波点的灵活组合，获得地下均匀分布的数据点网格。也就上说在一个观测面上进行观测，对所得资料进行三维偏移叠加处理，可以得到与地下地质体相适应的三维数据体（右图），对这个数据体可以从纵、横、水平三个方向分析地下的构造信息，类似于医学上的CT技术，给人以直观、精确的来自埋藏地下深处的信息。

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20世纪70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，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。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(往往也是岩煤层分界面)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有折射波法和反射波法。第6章矿井地震勘探3、井下空间作用由于井下空间限制，巷道断面只有几个平方米左右，不可能象地面一样任意布置测线。对于巷道迎头构造探测、工作面煤厚及有关地质条件探测，只能利用现有的空间条件，选择合适的探测方法，合理布置相关测线，完成探测任务。4、震源扰动及井下干扰作用在地面地震探测中，震源在产生有效纵波、横波的同时，还产生大量的干扰信号，这种震波的干扰主要表现在面波和击振点的延时作用。在井下采用激发接收系统时，最大的技术关键在于解决这一首要的信号采集问题。根据干扰的一般特征，可从3个方面加以限制，提高采集信号的信噪比

第6章矿井地震勘探§6.1井下折射波法6.1.1基本原理根据斯奈尔定律，当界面下面介质的速度v2大干上覆介质速度v1时，随着入射波入射角的增大，透射角也随着增大；当入射角为某一角度i0时，其透射角为90°，这时透射波就在界面下的介质中以速度v2沿界面滑行。这种特殊情况下的透射波叫滑行波。§6.1井下折射波法6.1.2探测应用在工程勘查中，常用折射波法确定大坝、高层建筑、大型机场、高速公路、港口等工程建设中的基岩埋深及起伏，覆盖层的厚度及基岩的岩性变化等，探测潜水面深度，也用于考古、文物发掘及保护工作。煤矿中常用来探测底板剩余煤层厚度。

实测波形记录§6.2井下反射波法6.2.2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§6.2井下反射波法6.2.2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§6.2井下反射波法6.2.2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§6.2井下反射波法6.2.3资料处理1.CDP选排6.2.3资料处理实际观测时，一次放炮得到12道或24道记录。为处理方便，将全部记录按CDP集合(共深度点反射波记录，重新编排，这一重新编排叫做CDP选排。2.振幅平衡AGC野外获得的地震记录，一般都是折射波，面波的振幅大，反射波的振幅小。为便于处理分析，通常要将这样一些振幅小的反射波放大到与初至波的振幅相近，称这一处理为AGC。。§6.2井下反射波法3.频谱分析6.2.3资料处理4.反褶积滤波将记录的随时间变化的地震信息，经过傅立叶变换处理，使它变成随频率变化的函数，这个函数就是该地震记录的频谱，而把从地震记录求取组成它的各个不同频率谐波的振幅和相位的过程称为频谱分析。通过频谱分析可以掌握地震波所包含的各种频率成分（干扰波的和有效波的）从而为压制干扰波提取有用信息、进行频率滤波，提供参数选择依据。§6.2井下反射波法速度谱和速度扫描是目前进行速度分析常用的方法。做速度谱方法简单，成本较低，在一般地震地质条件下能给出较理想的叠加速度。速度扫描运算量较大，成本较高，但能在地震地质条件复杂的情况下获取较为可靠的叠加速度。6.2.3资料处理5.速度分析§6.2井下反射波法7.偏移6.2.3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(例如凹界面产生的回转波)恢复到本来构造形状的处理，又称波形归位。§6.2井下反射波法8.时深转换6.2.3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。一般是将速度分析求出的叠加速度Vstack假定为均方根速度Vr.m.s，使用迪克斯公式求取各反射界面之间的层速度Vint，再由Vint和T0,i计算各反射界面的深度。§6.2井下反射波法6.2.4实际应用1.单点反射法应用（1）顶煤厚度探测6.2.4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。右图为淮南国投新集一矿1301A工作面风巷H4号测点13煤剩余厚度探测结果，其中（a）为该点测试波形图，图中煤层反射波组特征明显，可进行对比与解析。图（b）为具体解析结果，其中地震波在煤层中的平均速度取1.0m/ms。解释的剩余煤层结构为4.5(0.6)1.1，用钻探实测的巷道上方煤层结构为4.8(0.8)1.0，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需要。§6.2井下反射波法（3）巷道超前探测6.2.4实际应用山东东滩矿1302工作面运顺巷道掘进中某断面超前探测波形图，依据3煤速度2.8m/ms，分析在前方12.88m为一反射界面，实际揭露该断层为13m。§6.2井下反射波法6.2.4实际应用2.井下共偏移探测6.2.4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130m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60m处断层应位于工作面面内43m左右。而在距测试起点110m处断层位置在面内57.5m，后经穿过巷道揭露，该位置前方距离为60m。1）构造探测§6.2井下反射波法2）陷落柱探测6.2.4实际应用右图为进风斜井中反射共偏移法测试偏移时间剖面，图中红色代表地震记录正相位，蓝色代表负相位，其相位变化表示介质体中结构特征的变化。测试区域内岩层的各种反射波组特征明显，反射相位清晰，为解释和判别提供依据。分析认为，自测试起点40-62m段波组相对紊乱，为岩性破碎杂乱引起较多的反射回波，异常区延伸为21.5m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§6.3震波CT技术6.3.1基本原理6.3.1基本原理假设地震波的第个传播路径为，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§6.3震波CT技术6.3.1基本原理6.3.1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CT数据反演，有反投演法(BPT)、算术迭代法(ART)、最小二乘法（LSQR）和联合迭代法(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踪更趋于实际值，又由于SIRT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法（LTI）进行时间追踪和SIRT方法进行反演的结果为震波CT的图像。§6.3震波CT技术6.3.3实际应用---工作面内构造探测皖北煤电集团某矿3241工作面巷间震波CT探测为例。上图是弯线追踪SIRT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。§6.3震波CT技术6.3.3实际应用---底板破坏深度探测

皖北刘桥二矿2614综采工作面孔-巷间观测震波CT最后一次探测VP切片图。此时工作面煤壁距钻孔孔口平面位置为9.8m，煤层开采所产生的底板岩层破坏已完成发育。从CT切片图对比研究中发现，受采动影响，煤层底板岩层发生了巨大变化，其地震波波速分带性增强且较为稳定。§6.3震波CT技术6.3.3实际应用---围岩松动测试

围岩松动测试布置§6.3震波CT技术6.3.3实际应用---围岩松动测试

§6.4坑道超前探测技术

6.4.1方法原理

MSP（MineSeismicPrediction）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，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射回来的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收。按弹性波理论，在波组抗存在差异的不同界面反射信号将发生相位的变化，而且反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比，因此能对巷道前方地质界面进行测量与评价。§6.4坑道超前探测技术

6.4.2实际应用MSP法三维立体空间观测系统布置示意图MSP是通过巷道两帮及迎头布置多个不同距离的接收器，目的是接收不同方向不同产状地质界面的反射波。接收器由极灵敏的三分量地震加速度检波器（X、Y、Z分量）组成，频宽10-7KHz，包含了所需的动态范围。且三分量加速度检波器按顺序排列，能确保在三维空间方向范围的全波场记录，所以能分辨不同波的类型，如P波和S波§6.4坑道超前探测技术

6.4.2实际应用上图为MSP法超前探测振幅叠加剖面结果。根据地质界面反射特殊判断，认为探测区域范围内共存在3组明显反射界面，分别为反射界面1、反射界面2和反射界面3，三组界面距离原点距离为23.5m、62.5m和105.0m。其中界面1为该异常区巷道揭露边