矿井多波多分量地震方法与试验

刘盛东，章 俊，李纯阳,王 勃，金 标，刘金锁

(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116; 3.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202)

中国的能源结构特点“富煤、贫油、少气”在相当长的时期内不会改变[1]，预计到2030年煤炭占能源需求占比仍将超过50%[2]。“精准开采”技术[3]与“透明开采”技术[4]提出，无人(少人)工作面智能开采将提高煤炭安全开采水平、资源开发效率，以实现煤炭工业由劳动密集型向具有高科技特点的技术密集型转变。中国的含煤地层特征、地质构造模式和开采条件的复杂性严重制约着煤炭的高效安全生产[5]。具有透视功能的地球物理勘探是实现煤炭“精准、透明”开采的基础支撑，是解决复杂煤层智能开采难题的主要途径[3]。

随着采集技术与处理技术的发展，多波多分量地震勘探成为可能，并在近些年得以迅速发展[6]。其在考虑地震波场矢量传播性的基础上，利用多分量检波器代替单分量检波器来进行全波场信号的接收，以达到地质构造精细探测和岩性解释的目的[7]。近年来，矿井地震作为矿井物探的重要分支，得到较快发展与应用。张平松[8]、沈鸿雁[9]、杨思通[10]等进行了基于反射波的巷道地震超前探测技术的研究，为解决巷道掘进前方隐伏地质构造问题提供指导;杨真[11]、姬广忠[12]、冯磊[13]等研究煤层槽波特征，为解决工作面内隐伏地质构造问题提供指导。但是，目前矿井地震大多停留在单分量接收、单种波型的勘探上，矿井多波多分量地震勘探技术仍处在发展初期，王勃[14]于2012年将多波多分量地震引入巷道反射波超前探测中，形成的极化偏移成像法可消除成像假象，提高成像精度。

在矿井全空间效应下，地震波场极复杂，纵横波、槽波、面波常相伴而生，同时来自空间多方向的地震波混叠，只利用单一类型波进行无方向性的成像难以满足当前矿井地震勘探的需求。笔者提出基于地震波偏振特性的矿井多波多分量地震成像方法，以实现井下全空间的多波成像，提高矿井地震勘探的精度。

1 矿井地震波

矿井全空间下波场复杂，常见地震波类型主要有在岩层中传播的体波(P波和S波)，束缚在煤层中的槽波(勒夫型和瑞利型)、巷道自由表面的面波和巷道空气声波等。在矿井地质构造探测中，反射体波和槽波均可认为是有效波，利用其进行成像以达到构造探测的目的。槽波仅在煤层中产生与传播，携带了大量煤层信息，被认为是煤层构造探测的专用地震波。在反射槽波勘探中通常利用水平振动的勒夫型槽波，此时反射体波及瑞利型槽波均会影响成像质量。然而当断层落差大于煤厚时，槽波传播受影响甚至中断消失，当断层在巷道附近分布时，反射槽波探测距离受限，但体波理论上无此限制。

利用有限差分法数值模拟矿井地震波场[15]，建立三维地质模型。如图1(a)所示，煤厚5 m，Z坐标100 m为煤层中心面，煤层顶、底板属性对称，煤层面受采空区和断层约束;如图1(b)所示，煤层巷道为4 m×4 m×240 m，点震源(150,98,100)在煤层巷道N侧帮，巷道SN两侧分别布置11个三分量检波器。图2为点源起爆后60 ms时刻煤层中心面(XOY面)的三分量波场快照。由图2可以看出，强能量的煤层槽波被约束在采空区、断层边界与巷道空间的煤层内，特征明显;纵波、横波及其槽波的转换体波透过围岩与采空区边界继续向前转播;巷道内空气声波、巷道面波约束在狭长的巷道空间，在不同分量记录上存在差异。在同一煤层巷道中进行激发接收时，槽波与声波能量较强，可以看到不同方向的近程反射槽波，反射体波存在于直达槽波窗口内，形成混叠;声波束缚在巷道内混响传播，部分信号在巷道面会转换成干扰体波，远程的反射体波、槽波将会被其淹没。

图1 数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model diagram

图2 三分量在XOY面投影的波场快照(T=60 ms)Fig.2 Wave field snapshots of XOY plane of three-component

实际矿井巷道及煤层地质条件下，存在非均匀对称的煤层及其煤层顶、底板岩性组合，断层、陷落柱及其采空区不均匀分布，波场更复杂，图3为矿井现场三分量原始记录，可以看出现场不同分量信号存在差异，同一种信号在不同分量上均有所体现。其中可以看出Y分量槽波及体波反射较为清晰，其他两个分量受巷道声波影响，反射槽波不清晰。同时部分反射体波与槽波混叠，难以分辨。由此可见，矿井地震勘探中，若只采用单分量接收地震波场，按照既定的体波或槽波勘探处理流程进行单一的波型处理解释，难以避免出现“指鹿为马”的现象，导致误判率增高。因此，在实际的矿井地震勘探中，至少采用三分量地震记录，接收全波场，按照波的类型和激发、接收与成像点的3者关系，根据勘探需求与地质条件提取不同波型，进行多波成像，相互补充与验证，以提高矿井地震成像的可靠性和成像精度。

图3 矿井现场三分量原始记录(AGC)Fig.3 Original three-component records of mine (AGC)

2 矿井多波多分量地震方法

多波多分量地震的基础在于不同波场信号的分离与提取，主要有两类方法:一为基于地震波运动学特征的τ-p变换法和FK变换法等;二为基于地震波动力学偏振特性的极化滤波方法。笔者利用基于Hilbert变换的时间域自适应极化分析方法，在矿井地震数据散射偏移过程中集成极化方向滤波方法，形成极化波场分离一体的矿井多波多分量地震勘探方法。

2.1 基于Hilbert变换的自适应瞬时极化分析方法[16-17]

(1)在时间t附近的信号可以利用解析信号ci(t)近似表达，即

|ci(t)|cos(Ωi(t)τ+argci(t))

式中，k,m=(x,y,z)，平均值ukm可写成

R[ck(t)]sinc[Tkm(t)Ωk(t)/2]

式中，R表示复数实部;

式中，N用于刻画不同极化属性，N取较大值时可刻画三维复杂极化属性。

(2)偏振系数

T的范围为(0,1)，T=1时表现完全线性极化特性，T=0时表现椭球极化特性。

(4)倾角特征参数

2.2 散射极化偏移

散射波的定义广泛，根据惠更斯-菲涅尔原理，任何由地质三维空间的非均匀性造成的地震波的变化均可以被称作地震散射波。故可将地质三维体理解成由无数个散射点构成，入射波在散射点位置产生扰动，形成新的震源。在进行散射偏移时将探测空间网格化，将离散网格看作散射点，基于克希霍夫积分偏移方法，根据炮检对与散射点空间关系将相应旅行时刻ti的振幅，进行倾斜因子、扩散因子和滤波整形因子的校正后进行绕射求和，形成该散射点处的振幅。

图4 三维散射极化偏移示意Fig.4 3D scattering polarization migration diagram

通过上述步骤便完成了矿井多波多分量的散射偏移成像，该方法将窗口自适应的极化滤波方法集成于克希霍夫积分求和中，极化滤波函数随空间成像点实时变化，具有方向性，可实现目标空间任一点的多波成像。

3 试验情况

3.1 岩石巷道多波成像试验

矿井永久大巷、瓦斯预抽巷一般都布置在煤层顶底板，在无煤层的情况下，槽波勘探无法进行，只能利用体波进行地震勘探，利用三分量地震信号进行纵、横波成像。某矿首采工作面设计位于西翼回风大巷北部区域，其地质情况不明，首采工作面区域地表为露天采煤矸石堆放区，无三维地震勘探条件，同时由于尚未揭露煤层，亦无槽波勘探条件。故利用回风大巷及辅运大巷对其北侧区域进行地震构造探测，炮线布置于回风大巷，三分量检波器布置于辅运大巷，水平分量X,Y分别平行和垂直于巷道走向，Z分量垂直于顶底板方向。试验布置50个三分量检波器接收，64炮激发，采用惠洲院YZD11矿井槽波地震电法分布式采集系统，具有自存储基站，道数无限扩展，满足此试验多道地震数据采集。

图5 2种体波成像剖面Fig.5 Two kinds of body wave imaging profile

在对记录进行去噪、一致性校正、扩散补偿后进行多波散射偏移成像，当进行某种波成像时，根据其振动方向设计相应滤波器，可达到压制其他干扰波的作用，三维偏移成像结果如图5(a)所示。由于设计的首采工作面煤层倾角为15°，故对三维成像体沿15°倾角进行切片，分别获取此方向上的P波和S波的成像剖面，具体如图5(b),(c)所示。图5(b),(c)可以看出两种剖面的成像区域不受测线约束，可达到测线以外区域成像的目的，P波偏移剖面与S波偏移剖面整体一致性较好，在开拓巷道位置均呈现强反射特征，在回风巷以北的探测目标区域中发现2处明显较强反射特征区域(图中红色虚线区域)。

3.2 煤层巷道多波成像试验

在煤巷进行地震勘探，通常存在槽波及体波，槽波在传统单分量或者两分量观测下难以被分离提取，只有在三分量采集的情况下，才能进行体波、槽波的分离并成像。某矿东南采区地面勘探资料显示可能存在多条断层，需查明断层分布以指导工作面的设计与布置。试验于采区总回风巷煤层布置炮孔，检波点采用在煤层、顶板各布置1个三分量检波器，这样将接收到反射槽波与反射体波，以避免单纯槽波勘探的距离受限问题。采集设备采用惠洲院YZD11矿井槽波地震电法分布式采集系统。

对现场数据沿着煤层倾角方向进行不同波的偏移成像，在进行反射槽波成像时，有效波主要以勒夫型槽波为主，根据勒夫型槽波极化属性设计滤波器进行偏移成像，结果如图6所示，可以看到浅部存在较强反射槽波能量，根据钻探验证此2处存在两处断层(回风-1和回风-2)，同时与胶带延长巷道揭露断层76-1位置吻合，而深部区域无明显能量，这是因为在浅部断层落差大的情况下，槽波的传播将受影响，继而影响深部探测。此时可进行反射体波成像，体波沿着煤层顶底板传播，不受限于煤层的连续性，由于P波信号弱且有效窗口小，故采用S波进行偏移成像，其结果如图7所示，在浅部同样存在较强反射波能量，与槽波偏移结果较吻合，符合实际验证情况;剖面深部存在多处强反射区，在胶带延长巷后续施工中揭露断层76-2(揭露点位于剖面深度400 m处);其余位置仍有待进一步根据实际揭露来验证其属性。由此可见体波槽波联合勘探可解决在存在断层时，槽波探测距离受限的问题。

图7 反射S波偏移成像Fig.7 Migration imaging of reflected S wave

4 结 论

(1)矿井地震波场复杂，矿井地震勘探中应接收全波场，根据勘探需求与地质条件提取不同波型进行成像，相互补充与验证，以提高矿井地震成像的精度。槽波勘探建议采用三分量接收，理想情况下，采用煤层三分量和顶板三分量同时接收，形成槽波、体波六分量记录，作为槽波、体波联合勘探的基础数据。

(2)基于Hilbert瞬时时窗的极化分析方法使得时窗的选取工作自适应化，提高了极化参数的准确度，由此可获得精确的极化特征参数;散射极化偏移方法基于散射波理论，理论上可实现空间任一点的探测;同时此偏移方法可为空间任一点提供相应的极化滤波函数，使得极化滤波工作动态化，由此可实现在空间任一点处的多波成像，使得矿井多波多分量地震探测得以实现。

(3)试验结果表明，在无煤层巷道的情况中，利用此方法可进行纵波和横波的分离成像，结果剖面吻合度高，多波的成像相互对比与验证将有助于提高探测准确度;同时其探测区域空间位置不受地震测线的约束，可实现测线范围外的地震探测，适合矿井复杂施工环境。在有煤层巷道的情况中，利用此方法可做到槽波与体波的分离，从而进行多波成像，可解决在存在断层时，槽波探测距离受限的问题。