基于Madagascar的礦山微地震正演模擬

周項通 趙曉陽 楊 濤

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

礦山微震監(jiān)測是一種新型的地球物理方法，它主要是在對巖體破裂產(chǎn)生的微地震事件進行捕捉和反演定位的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖體力學(xué)來對巖體損傷演化的過程進行綜合分析，從而指導(dǎo)技術(shù)人員提前采取措施，阻止災(zāi)害事故的發(fā)生。與傳統(tǒng)地震勘探不同的是，礦山微震震源的空間坐標、時間、強度都是未知量，且能量較弱(里氏震級一般在-3～1之間)，大多數(shù)微震事件的頻率范圍為200 Hz～1 500 Hz，持續(xù)時間小于1 s。高精度的礦山微地震正演模擬是對微震事件進行準確定位的前提，通過分析不同復(fù)雜程度的礦井層狀模型的微震波場特征，能夠了解微地震的傳播規(guī)律，對后期的微震事件綜合分析具有很好的指導(dǎo)意義。

Madagascar是一個開源、功能豐富的地球物理軟件，由堪薩斯大學(xué)奧斯丁分校的Sergey Fomel教授在2003年發(fā)起并于2005年正式發(fā)布。該軟件最大的優(yōu)點就是提供了一個很好的開發(fā)環(huán)境，使用者可以根據(jù)需求對軟件中已有的成熟模塊進行改進并與他人進行交流。本文基于Madagascar建立不同復(fù)雜程度的礦井層狀模型進行正演模擬，并對得到的波場快照和地震記錄進行對比分析。

2 Madagascar軟件介紹

Madagascar是一個類似SU(Seismic Unix)、完全開源的地球物理軟件包，提供了一個針對多維數(shù)據(jù)分析程序的集合。如圖1所示，RSF是Madagascar所有程序通用的數(shù)據(jù)交換格式，一切后續(xù)操作都是基于RSF文件的。RSF文件由頭文件(Header file)和二進制文件(Binary file)組成(見圖2)，其中頭文件主要是關(guān)于二進制文件的描述性信息，如數(shù)據(jù)體的維度、數(shù)據(jù)類型、二進制文件的實際存儲位置等。Madagascar提供了sfsegyread和sfsegywrite兩個函數(shù)與標準的SEGY文件進行數(shù)據(jù)交換。

Madagascar對每個程序(Programs)都進行模塊化封裝，以便后期進行調(diào)用。VPLOT是一個強大的圖形庫，實現(xiàn)RSF數(shù)據(jù)的可視化。SCons是一個開放源代碼、以Python語言編寫的程序建造工具。在Madagascar中通過Scons和Python腳本文件SConstruct來進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，由于SConstruct是可以重復(fù)利用的，從而體現(xiàn)出Madagascar遵從的是Claerbout(1992)提出的可重復(fù)性(再生性)研究的思想原理。

3 正演計算

3.1 模型建立

菏澤某煤田位于山東省西南部，與其他華北型煤田一樣，煤系基底為中、下奧陶統(tǒng)石灰?guī)r，煤系的上覆地層主要有第四系砂質(zhì)黏土、黏土和砂層，厚92 m～180 m，平均146 m，由北向南，自東向西逐漸加厚，新第三系黏土巖、砂質(zhì)黏土巖和粉、細砂巖，厚270 m～596 m，平均464 m，固結(jié)程度較差，比較松軟，一般北薄南厚、東薄西厚。該區(qū)含煤巖系為石炭—二疊系，其中二疊系厚約700 m。含煤部位主要在下二疊統(tǒng)山西組，含第2、第3兩個煤層，其中第3煤層特厚，一般4 m～8 m，最厚可達10.43 m。本文結(jié)合該煤田煤系地層特征，建立地層模型進行礦山微地震的正演模擬。

3.2 正常地層模型

圖3為礦山水平層狀模型示意圖，具體模型參數(shù)為：微震震源位于煤層上方的砂巖層中，坐標為(2 890,980)，主頻為200 Hz，網(wǎng)格大小3 200×2 000，空間步長為dx=dz=1 m，詳細的模型參數(shù)見表1。在地表沿水平方向布設(shè)檢波器，首個檢波器位置為(0,0)，時間采樣間隔為0.2 ms，記錄長度為1.5 s，SPML匹配層厚度為80個網(wǎng)格。選擇250 ms和500 ms 時刻的波場快照進行波場特征分析。

表1 六層介質(zhì)模型參數(shù)(一)

從圖4，圖5的波場快照及微地震記錄(如圖6所示)中可以看出，正演程序仍能對微地震波進行較好的模擬。在砂巖與泥巖、泥巖與煤層的分界面上發(fā)生明顯的反射和透射，圖4中直達P波、直達S波、反射PP波、反射SS波、透射PP波、透射PS波和透射SS波等波場特征明顯。圖6中微地震記錄清晰，初至P波、初至S波同相軸明顯。

3.3 受采動影響的地層模型

圖7為回采中的礦山六層介質(zhì)速度模型示意圖，微震震源位于裂隙帶中，坐標為(2 890,980)，震源主頻200 Hz，網(wǎng)格大小為3 200×2 000，空間步長為dx=dz=1 m，采空區(qū)長度為800 m，詳細模型參數(shù)見表2。其中煤層厚度為5 m，冒落帶最大發(fā)育高度為25 m，裂隙帶最大發(fā)育高度為55 m。在地表沿水平方向布設(shè)檢波器，首個檢波器坐標為(0,0)，時間采樣間隔為0.2 ms，記錄時間為1.5 s。選擇250 ms和500 ms時刻的波場快照進行波場特征分析。

從圖8，圖9不同時刻的波場快照和微地震記錄(如圖10所示)可以看出在考慮冒落帶和裂隙帶的情況下，由于在冒落帶和裂隙帶中微震波的速度會產(chǎn)生較大的衰減，那么在冒落帶和裂隙帶與圍巖的邊界處會產(chǎn)生較大阻抗差，從而反射現(xiàn)象明顯。同時，從500 ms時刻的波場快照(如圖9所示)可以看出層間反射產(chǎn)生的多次波以及不同波場之間的干涉使整個波場變得十分復(fù)雜，進一步說明程序?qū)夭芍械膹?fù)雜介質(zhì)模型也能進行正確、高精度的模擬。

表2 六層介質(zhì)模型參數(shù)(二)

4 結(jié)語

目前微震監(jiān)測技術(shù)仍處于起步階段，尤其是高精度礦山微震監(jiān)測技術(shù)，許多基礎(chǔ)理論都還待進一步完善。本文結(jié)合某煤田實際地質(zhì)情況，分別建立正常地層和受采動干擾地層模型進行正演模擬，通過對得到的波場快照和地震記錄進行分析，了解了微地震波的傳播規(guī)律，對后面微震事件的捕捉與定位具有較好的指導(dǎo)意義。Madagascar是一個開源的地球物理軟件，具有強大的數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能，具有很好的擴展性。

本文仍有很多不足之處，下一步主要考慮建立更具有實際參考意義的三維礦山速度模型以及研究隨機礦山微震震源的添加方式。由于礦山微震是在開采過程中導(dǎo)致上覆巖體應(yīng)力失穩(wěn)而發(fā)生的，實際中礦山微震的產(chǎn)生時間，震源強度及震源位置都是不確定的，因此在模擬過程中就需要對隨機震源進行研究，使模擬結(jié)果更符合實際情況。