基于克?；舴蚱频牟鄄ǔ疤綔y方法及應用

趙云佩，王 偉，侯獻華

基于克希霍夫偏移的槽波超前探測方法及應用

趙云佩1，王 偉2，侯獻華3

(1. 冀中能源邢臺礦業集團有限責任公司，河北 邢臺 054000；2. 中科院地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京 100101；3. 中國地質科學院礦產資源研究所 自然資源部鹽湖資源與環境重點實驗室，北京 100037)

為查明邢臺礦區葛泉礦1199工作面掘進巷前方地質構造，采用井下槽波地震進行超前探測，用線性拉東變換提取來自巷道前方的反射波，在時間域內進行速度分析獲得圍巖參數信息，通過克?；舴蚱茖ο锏狼胺降刭|異常體成像。結果顯示，掘進巷前方距離G12檢波點205 m與237 m存在異常，分別對應采空巷道與SF4斷層；通過速度分析提取速度參數，初步判斷SF4含水。鉆探驗證結果表明，克?；舴蚱品椒軐蜻M巷前方斷層異常體進行成像。

槽波；頻散分析；超前探測；克希霍夫偏移方法；邢臺礦區葛泉礦

煤礦巷道掘進過程中，要求掘前必須探明前方異常，鉆探方法探測的成本較高，若采用槽波法進行超前預報，在異常區利用少量鉆探進行驗證，不僅提高工作效率，還可以降低成本。槽波是沿著煤層傳播的一種導波，因上下圍巖地震波速度高于煤層內地震波速度[1-5]，煤層內地震波向上下圍巖輻射傳播時，超過臨界角，地震波發生全反射，并且部分頻率的全反射波在煤層內發生相長干涉現象，并向前傳播，具有頻散特征[6-11]。

20世紀70年代，德國與英國合作，首先提出將礦井槽波探測技術應用到隧道超前探測工作中，并取得了一定的成果[12-14]。瑞士的Amberg公司隨后利用地震反射波探測原理，研制開發了第一套完整的超前預報系統TSP(Tunnel Seismic Prediction)，目前該系統升級為TSP-303，因該儀器由鐵路系統首先引進并推廣，在鐵路隧道預報中得到廣泛應用[15]。

國內煤炭井下槽波超前探測工作源于鐵路隧道地震波法超前預報技術。而我國的鐵路隧道地震波法超前預報工作開展較晚，在經歷學習、理解、創新過程后，鐵路隧道地震波法超前預報技術與儀器取得重要進展[16]?；谥边_波走時曲線和反射波走時曲線成反八字型、且相位延伸線交點位于構造面的位置，曾昭璜[17]在高信噪比數據前提下提出負視速度法，該方法在圍巖速度差異小，直觀有效。中國科學院及相關高校在借鑒醫學上的CT成像技術[18]、VSP測井技術[19]、多波多分量技術[20]等多種地球物理技術的基礎上，開發了相應的隧道與礦井地震超前預報系統，并在超前預報中取得實用效果。

隨著槽波地震探測儀器硬件與處理解釋軟件技術的發展，超前探測的距離、分辨率和精度不斷提高[21-24]，其探測儀器向智能化、抗干擾能力強方向發展[25]。

探測掘進巷道前方斷層構造要素是解決煤礦安全生產的重要地質問題。超前探測不僅要查明斷層位置，也要查明斷層含水性。本文利用克?；舴蚍e分偏移成像獲得迎頭前方斷層位置；通過速度分析獲得圍巖與煤層速度信息，為掘進生產提供斷層構造詳細的地球物理參數，并應用在邢臺礦區葛泉礦1199工作面的井下槽波地震勘探中。

1 方法原理

1.1 超前預報工作原理

在靠近掌子面(迎頭)位置布置多個震源，一般在震源孔中放入一定量的炸藥，炸藥爆炸時會激發地震波并向四周傳播，在遠離迎頭位置布置檢波器接收地震波。地震波在向四周擴散傳播過程中，檢波器首先接收的是向后傳播的直達P波，其次是向前方傳播的波遇到反射界面回傳到接收點的反射波，在反射界面同時產生轉換波。下面結合模型說明提取反射波與成像原理(圖1)。

1.2 模型

圖1中有2個巖性界面，巖石縱波、橫波、密度參數如圖中所示。模型由3種不同巖性組成，其彈性波參數分別為：介質1，p=3 800 m/s，s=2 000 m/s，=2 000 kg/m3；介質2，p=4 200 m/s，s= 2 200m/s，=2 300 kg/m3；介質3，p=4 500 m/s，s=2 550 m/s，=2 500 kg/m3，介質1與介質2界面傾角60°，介質2與介質3界面傾角為80°，網格剖分1 m×1 m，模型大小500 m×400 m，采用高階交錯網格有限差分數值模擬。共接收點道集波場如圖2所示：反射P1為模型中第1個傾角60°界面產生的反射P波，反射S1為模型中第1個傾角60°界面產生的轉換S波；反射P2為模型中第2個傾角80°界面產生的反射P波，反射S2為模型中第2個傾角80°界面產生的轉換S波。利用線性拉東變換提取來自掘進巷道前方的反射波，對反射波進行常速度掃描分析，其原理是給定一個常速度，計算巷道正前方進網格剖分點上的反射波旅行時，并將地震道對應振幅值放置在以接收點、激發點、網格點構成的橢圓上，按照這一原則對給定的區間速度進行掃描計算。當速度接近介質速度時，反射點對應的旅行時位于地震記錄反射同相軸上，其振幅值最大，從而得到該網格點對應的均方根速度；在時間域內實現速度掃描獲得均方根速度：以最大偏移距雙程反射時間為截距，以速度倒數為斜率，沿直線方向將各道相應振幅求和，并將求和振幅值放置在速度–時間域平面內，當搜索的直線路徑與反射同相軸一致時，該速度–雙程時間對應的求和振幅值最大，從而獲得雙程旅行時對應的均方根速度(探測距離在150 m內及斷層面與巷道軸線夾角在60°~90°時反射同相軸為直線)；通過拾取速度譜獲得巷道前方煤層及煤層異常體的P、S波速度；最后利用克?；舴蚍e分偏移獲得巷道前方異常體成像信息。

圖1 地震波法超前預報剖面模型圖

圖2 模型共接收點道集記錄

1.3 克?；舴蚍e分偏移

將掘進前方任意一點看成反射點，以接收點R、激發點R為焦點，以接收點R、激發點R到反射點距離和為等長形成橢圓(圖3)。假設給定的速度模型與實際速度一致時，將相對應旅行時振幅分布在橢圓上，當考慮反射波角度、傳播距離、相位因素時，對振幅進行傾角校正、距離校正、相位校正，將校正后的振幅分布在橢圓上，這種將振幅校正并按照橢圓分布歸位方法即為克希霍夫積分偏移。對所有數據按照上述原則將相應的振幅校正后沿著各自的橢圓分布，在反射點處將形成相長干涉，振幅同相疊加達最大值，在非反射點不發生相長干涉，振幅值非同相疊加。對所有點進行上述振幅校正，并沿橢圓分布，獲得前方成像結果，任意一點振幅歸位求和數學表達式如式(1)。

圖3 克希霍夫偏移

模型數據克?；舴蚱平Y果如圖4所示，巖層分界面與成像反射弧相切。

圖4 模型數據偏移結果

2 工程實例

2.1 地質概況

葛泉礦1199工區屬于邯邢煤田，位于太行山隆起帶與華北沉降區的過渡地帶。據已知鉆孔揭露，區內由老至新發育奧陶系、石炭系、二疊系及第四系地層。井田范圍內地表全被新生界第四系松散沉積層覆蓋，第四系與下伏地層呈不整合接觸。

井田內主要含煤地層為石炭系、二疊系地層，即二疊系下統山西組(P1)、石炭–二疊系太原組(C2–P1)和石炭系上統本溪組(C2)，總共含煤13~14層，其中可采及局部可采煤層6層。

井田范圍內斷層走向以NNE—NE最為發育，多為高角度正斷層。根據井田三維地震及鉆探資料共解釋斷層53條，其中落差大于30 m的斷層8條，占13.5%；落差在10~30 m的斷層12條，占23.1%；落差在5~10 m的斷層14條，占26.9%；落差小于5 m的斷層有19條，占36.5%。

2.2 觀測系統

斷層探測觀測系統平面圖如圖5 所示，試驗共設計4個激發點，左右幫均分布2個激發點，間距20 m，藥量為100 g，炮孔深2 m；檢波點間距5 m，布設12個檢波器，最小炮檢距50 m和70 m。

地震勘探數據處理采用TSP-SK地震數據處理軟件，處理主要步驟：定義觀測系統、初至拾取、炮時基校正、能量均衡、擴散補償、帶通濾波、反Q濾波、反射波提取、波場分離、速度分析、偏移成像、巖石參數與反射信息提取。

圖5 葛泉礦東井觀測系統圖

2.3 數據處理與結果

在葛泉礦區進行的井下超前探測施工條件較好，從原始共接收點地震記錄看，圍巖直達P波速度約4 500 m/s，煤層直達P波速度約2 750 m/s，圍巖直達S波速度約2 350 m/s，煤層直達S波速度約為1 650 m/s、直達槽波波速約為900 m/s，各組直達波同相軸連續性較好、初至呈線性分布、各道能量一致性好(圖6)，從總體上看地震數據可靠、質量較好。

用線性拉東變換方法提取前方反射波，見圖7，在小偏移距及反射面與巷道軸向夾角大于60°條件下，反射波時距曲線為線性同相軸分布。按照時間域速度分析方法獲得速度譜并計算相應層速度，如圖8所示。圖8a 為P波速度譜，圖8b為S波速度譜，圖8c為拾取的均方根速度換算的層速度。圖8b、圖8c中坐標起止點0 m坐標位置為圖5中G12檢波點位置。

圖6 S1炮x分量記錄與直達波速度分析

圖7 炮集數據與反射波提取

圖8 速度譜與速度參數

圖9a為葛泉礦東井試驗偏移成像結果圖，本次試驗探測目標為掘進巷道前方SF4斷層。在偏移結果中顯示了探測范圍內煤層各處的地震波振幅大小，正相位振幅越大、對應區域顏色越偏紅色，表示附近存在地質構造正異常體(如斷層)的幾率越大；反之負相位振幅越大、對應區域顏色越偏深藍色，表示附近存在地質構造負異常體(如巷道)的幾率越大?？讼；舴蚱瞥上穹ㄌ幚斫Y果顯示，探測范圍內有多個正負振幅組成的反射弧，分別對應于不同的反射波組。

2.4 綜合解釋

根據波速變化與成像結果(地震波法)超前地質預報對前方異常體識別具有如下規律[26]：a.反射振幅高低與界面反射系數或前后圍巖波阻抗大小正相關；b.正反射系數表示波速增加、巖性剛性變強，負反射系數表示波速降低，巖性剛性變弱；c. 波速比或者泊松比突然增大，表示圍巖流體存在；d. 相同圍巖內縱波波速下降，表示圍巖節理發育或孔隙度增加。

鉆探驗證孔揭露斷層F4位置。鉆孔位于巷道迎頭位置。鉆探1孔方位角315°，傾角–18°，孔深89.5 m，未見斷層；鉆探2孔方位角335°，傾角–18°，孔深76.1 m，見斷層；鉆探3孔方位角22°，傾角–18°，孔深81.5 m，見斷層。圖9中坐標205 m(參考點0 m為G12檢波點)附近為巷道反射，顯示為負反射與實際巷道反射一致，在237 m附近為斷層，顯示正強反射，與鉆探揭示斷層位置一致。237 m附近斷層走向垂直于巷道，與SF4斷層一致。斷層反射處縱橫波波速增大，同時波速比增加，表明SF4含水。

3 結 論

a. 井下超前探測數據采集受觀測空間的限制，排列短、觀測系統不規則，且對地質目標體成像精度要求高?？讼；舴蚱瞥上穹椒ú粌H適用于非規則采集的數據體，而且能夠對前方異常體準確成像。

b. 通過速度分析提取P、S波速度及波速比，為識別異常體及判斷異常體性質提供了一種有效手段。

c. 本次超前探測解釋只利用了巷道前方反射波信息，而井下全空間波場成像與分析可提高井下槽波超前預報，解決煤礦更多地質問題。該技術是進一步研究方向。

圖9 葛泉礦東井試驗綜合解釋成果圖：(a) 偏移結果；(b) 工區圖(黑色線為斷層和巷道異常位置)

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Channel wave advanced detection method based on Kirchhoff migration and its application

ZHAO Yunpei1, WANG Wei2, HOU Xianhua3

(1. Jizhong Energy Xingtai Mining Group Co., Ltd., Xingtai 054000, China; 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China; 3. MNR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments, Institute of Mineral Resources, CAGS, Beijing 100037, China)

In order to detect the geological structures in the front of the working face 1199 in Gequan mine of Xingtai mining area, underground channel wave seismic exploration was used to conduct advanced detection, linear Radon transform was used to extract the reflection wave from the front of the roadway, parameter information of the surrounding rocks were obtained through velocity analysis in time domain, The abnormal geological bodies in the front of the roadway were imaged through Kirchhoff migration. The results indicated that there existed anomalies at 205 m and 237 m away from the geophone point G12 in the front of the excavating roadway, corresponding to the mined-out roadway and the fault SF4 respectively; The velocity parameters were extracted through velocity analysis, it was judged preliminarily that SF4 was water-bearing. The drilling verification results showed that Kirchhoff migration method can image the faults in front of the roadway.

channel wave; dispersion analysis; advanced detection; Kirchhoff migration; Gequan mine of Xingtai mining area

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.028

1001-1986(2019)04-0186-07

2019-01-12

國家重點研發計劃項目(2017YFC0602802)；國家自然科學基金項目(41790443，41641040)；河北省重點研發計劃海洋資源開發利用與社會事業專項項目(18275408D)

National Key R&D Program of China(2017YFC0602802)；National Natural Science Foundation of China(41790443，41641040)；Development and Utilization of Marine Resources and Special Projects for Social Undertakings Under Key R&D Programs in Hebei Province (18275408D)

趙云佩，1965年生，男，河北武安人，碩士，高級工程師，從事礦井采掘技術研究與管理工作. E-mail：752071261@qq.com

王偉，1972年生，男，河北涿州人，副研究員，研究生導師，博士，從事地球物理工作. E-mail：wang_wei@lreis.ac.cn

趙云佩，王偉，侯獻華. 基于克希霍夫偏移的槽波超前探測方法及應用[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(4)：186–192.

ZHAO Yunpei，WANG Wei，HOU Xianhua. Channel wave advanced detection method based on Kirchhoff migration and its application[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：186–192.

(責任編輯 聶愛蘭)