槽波地震勘探方法及应用分析
槽波信号提取方法综述

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5 结 论
5 . 1 一维滤波可有效提取槽 波 , 但槽 波因为其有频散特性 , 频 率 利用 有效波 和干 扰波的频谱及视 速度 间的差异 ,即二维滤 波 域范围较 宽。一维滤波 只能提取其 主频信 息 , 会造成一部分信号 的 ( F — K域滤波) 或时间——空间域滤波。作用 : 对于某一频带 。 一 f l 损失 。二维滤波通过波数和频率两个参数控制 来提取槽波 , 取得 良 ( 体现频率 滤波) , 增强视速度 为某一范 围 V 2 一 的有 效波 , 压制 视 好 的效果 。t — P变换通过视速度来滤波 , 对 于频 率没有损失 , 取得 了 速度为另一范 围 v>v 2 、 V <V 1 的干扰波( 体 现波数滤波) 。对二维 波 良好 的效果 。 其 局限在于在视速度相差不大 的情况下 , 效果不 明显 。 动 函数 f ( t , ) 进行二维付 氏变换 , 得 到二维频率波数响应 。 黄变换对 于杂 乱的 , 非对 称干扰信号效 果较 明显 , 但是若 干扰信 号 恰好也规则 , 效果不太明显。 F ( f , k ) =t , J f f ( t , ) z 丌 诎’ d t d x ( 2 ) O 0 U — oo 5 . 2每种滤波方式都有其优 势和劣势 ,需要对 不 同采集 系统 下 对t L -维滤波原信号 和效果 图 , F — K变换滤波可较好 的提取 出 的槽 波 , 具体 问题具体分析 。 综合分析干扰波的类 型和特点 , 有的放 槽波 。 矢的, 采用针对性强的滤波方式 。 有时候综 合运用 , 会达到更好的效 果。 3 T— P变换提取槽波 对地震记 录做r —p 变换 , 相 当于对地震 记录做一次坐标变换 , 参 考 文 献 将 地震记 录从时 间 一空 间( t — x ) 域变换 到 丁一 p域 。设 时 间 一空 间 【 1 】 牟永光 . 地 震勘探 资料数 字处理 方法【 M 】 . 北京 : 石 油 工业 出版社, 981 . ( t - x ) 域 的地震记 录为 ( t , ) , 妒 ( , p ) 为变换后 T - p 域地震记 录。对 1 于连续 函数 , 下一p变换正变换公式可表示为 : [ 2 】 杨真, 冯涛. Wa n g S h u g a n g . 0 . 9 m薄煤层 s H型槽波频散特征及 波
槽波成因的简要分析

槽波成因的简要分析赵朋朋【摘要】介绍了槽波勘探技术的发展历史,指出大部分专著及文献中对于槽波形成成因的表述不当.结合波的干涉和波的叠加理论以及斯奈尔定律,对槽波的成因进行定性分析,分别从波的干涉的3个条件进行分析,阐明了不管是Rayleigh型槽波还是Love型槽波,都符合波的叠加理论,而非波的干涉;通过公式推导,再次印证了槽波的形成符合波的叠加原理,是由波的叠加形成,只有少量频率成分的槽波是由干涉形成.【期刊名称】《中州煤炭》【年(卷),期】2019(041)005【总页数】4页(P88-91)【关键词】槽波成因;定位分析;波的干涉;波的叠加【作者】赵朋朋【作者单位】煤炭科学研究总院,北京 100013;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054【正文语种】中文【中图分类】P631.4;TD1660 引言1955年,Evison首次在2 m厚的煤层中激发并接收到Love型槽波,Krey在1963年计算出了槽波在煤层中传播的数学公式,证明槽波可以作为一种勘探手段对工作面内的构造进行预测[1]。
在其后的40年间,槽波地震勘探的技术与装备得到了巨大发展[2]。
国内从1977年开始引进槽波勘探技术,其后的20年间发展迅速,尤其是经历了1997—2007年的停滞阶段后,槽波勘探技术出现了快速的进步[3]。
目前,无论是方法技术、勘探装备,还是处理解释系统都形成了体系。
Krey等[4](1963)提出“channel waves are looked upon as the result of interfering incident and reflected plane waves”。
刘天放等[5]于1994年出版了国内槽波地震勘探第一本专著《槽波地震勘探》,并在其中提出“Rayleigh 波是由P波与SV波形成的干涉波”,“Love波只由单一的SH波在煤层中干涉形成”,“槽波实际上就是由体波在煤层中形成的干涉波,即层间波”,并且在多个章节都提到槽波是干涉形成的。
地球应用物理

地震勘探:利用地层和岩石的弹性差异来探测地下地质构造,寻找有用矿产资源的一种极其重要的地球物理勘探方法。
地震波:震源激发的机械振动在岩层介质中传播所形成的一种机械波。
三种方法:根据所接收和研究的波的特性不同,构成了不同的地震勘探方法——反射波法、折射波法、透射波法折射波: 应用条件苛刻,信息量少:仅在V2>V1的界面产生地震波的基本类型:按波在传播过程中质点振动方向区分为纵波:质点振动方向与传播方向一致,或P波(Primary—初波;因其最快,故是初至波)横波:质点振动方向与传播方向垂直; 又称为剪切波、等体积波、旋转波或S波(Secondary —次波)SV波——垂直偏振横波,SH波——水平偏振横波按波所能传播的空间范围体波:纵波和横波。
面波:波动能量仅存在于弹性分界面(自由表面或分界面)附近的波(瑞利(雷)波(Rayleigh waves) ,既有P波成分,又有SV波成分,没有SH波成分,拉(乐)夫波(Love waves),SH波)按利用价值划分:有效波:习惯上把地震勘探方法主要应用的波称为有效波干扰波:是相对有效波而言的,一切妨碍有效波记录的各种波都称为干扰波(规则干扰波,随机干扰波)地震道:地震勘探中每个记录点称为一道同相轴:地震记录中各地震道振动曲线上波峰的规则排列,称为同相轴薄层:地震勘探中定义层厚∆h<λ/4的地层为薄层,——相对概念或,双程旅行时(τ=2∆h/v<T/2)小于波的半个周期的层从波的产生、传播到记录的过程中,主要有三类影响因素1.激发条件的影响2.地震波传播过程中受到的影响波前扩散——几何衰减吸收衰减——物理衰减,热损耗界面反射、透射——能量再分配地层的结构(特别是薄层结构)——频率滤波特性、调谐效应3.接收因素的影响时距曲线:测线上各观测点坐标与波至时间的关系称为时距曲线直达波—从震源出发,不经过反射和折射,直接传播到各检波点的地震波称为直达波纵测线:激发点与接收点在同一条直线上用纵测线观测得到的时距曲线称为纵时距曲线非纵测线:激发点不在测线上除非特别说明,一般都讨论纵时距曲线,简称时距曲线虚震源原理:波由O 入射到B 再反射回S 点所走过的路程就好象由点O*直接传播到S 点一样,在地震勘探中,把这种讨论地震波反射路径的简便作图方法称为虚震源原理O点激发,O点接收的时间,地震勘探中称为自激自收时间正常时差:具有不同炮检距的各观测点有不同的旅行时t,它们相对于自激自收时间t0的差 t观测系统:测线上激发点和接收点的相对位臵关系1.时距平面法:主要用于简单观测系统的表示2.普通平面法:将激发、接收点按比例绘在普通坐标平面图上。
矿井物探简介

3.应用 实践证明,我国大多数煤矿的 煤层和顶底板岩石的物性条件均能 形成良好的波导层,适于应用槽波 地震法勘探技术,在勘探断层、冲 刷带、陷落柱等地质小构造方面, 成功率86%以上。 三、地质雷达法 1.方法原理 雷达天线定向发射的高频电磁波在 介质中传播,若在传播路径上遇到两种 不同介质的分界面时将发生反射,雷达 的接受天线可将反射波接受。根据反射 波的到达时间及介质中的电磁波传播速 度,即可确定地质体的位置。再根据反 射波的特性,进行目标识别。
2.应用 应用坑道无线电波透视法能圈定出正常区和异常区,能 够发现和探明引起电性变化的多种地质构造,尤其是高、中 电阻率煤层中的地质异常体。具体包括:较准确圈定工作面 内陷落柱的位置、形状、和大小;圈定工作面中断层的分布 范围及尖灭点的位置;探测工作面内煤层厚度波是只在煤层中传播的地震波,也叫煤层波或导波。在 煤层中传播的槽波,遇到两种不同介质的分界面时,将发生波 的反射及透射,探测槽波的这种变化,即可确定分界面的位置 及规模大小。 2.分类 a.透射波法 b.反射波法
2.应用 地质雷达仪适宜在高阻层状介质中使用。石灰岩和中等 变质程度的煤层中应用此方法效果尤为理想。它在煤矿井下 可用于探测断层、陷落柱、老窖、断裂带、火成岩侵入体等。
四、其它方法简介 1.瑞利波探测法 它是地震勘探的一个分支。其实质是根据不同振动频率 的瑞利波沿深度方向衰减的差异,通过测量各频率成分(反 映不同深度)瑞利波的传播速度来探测不同深度煤、岩层及 其中的断层、空洞、老窖、喀斯特洞穴等地质异常体。 2.磁偶源电磁频率测深法 是电磁频率测深方法中的一种,属于交流电法勘探。它 是以岩矿石的电导率、磁导率和介电常数的差异为物理基础, 利用电磁感应的趋肤效应,即高频电磁场穿透浅、低频电磁 场穿透深的规律,通过改变电磁场频率进行测深,而不是像 直流电法勘探那样通过改变供电电极距来改变探测深度。
地震槽波动力学特征物理_数学模拟及应用进展_皮娇龙

第28卷第2期2013年4月(页码:0958-0974)地 球 物 理 学 进 展PROGRESS IN GEOPHYSICSVol.28,No.2Apr.,2013皮娇龙,滕吉文,杨 辉,等.地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展.地球物理学进展,2013,28(2):0958-0974,doi:10.6038/pg20130250.PI Jiao-long,TENG Ji-wen,YANG Hui,et al.Research advance in analogue-numerical simulation on the dynamiccharacteristics of In-seam seismic and its application.Progress in Geophys.(in Chinese),2013,28(2):0958-0974,doi:10.6038/pg20130250.地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展皮娇龙1,2, 滕吉文1*, 杨 辉1, 刘国栋3, 李建新4, 李松营4(1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029; 2.中国科学院研究生院,北京100049;3.中国地震局地质研究所,北京100029; 4.河南义马煤业集团股份有限公司,义马472300)摘 要 复杂的地质构造和生产环境使得中国的煤业生产时常蒙受巨大的经济损失和人员伤亡,而地震槽波井下探测技术做为当前可探明煤层中局部小构造和异常体的有效技术,具备分辨率高和预测性强等特点,是煤矿生产中井下探测的一种有效的地震勘探方法.本文回顾了地震槽波勘探研究的发展概况,并基于地震槽波在煤层中传播的物理特征和影响煤层中地震槽波传播等主要因素,对地震槽波动力学特征方面已经开展的物理模拟和数值模拟工作进行了综合阐述,进而指出了地震槽波勘探存在的理论问题、应用难题和可能的发展方向.关键词 地震槽波,频散,煤层厚度,物理-数学模拟,动力学特征doi:10.6038/pg20130250 中图分类号 P631,P315 文献标识码 A收稿日期 2012-07-20; 修回日期 2012-10-11. 投稿网址 http//www.progeophys.cn基金项目 国家自然科学基金重点项目(41130419)资助.作者简介 皮娇龙,女,1988年生,博士研究生,主要从事地球物理学与地球动力学研究.(E-mail:pijiaolong@mail.iggcas.ac.cn)*通讯作者 滕吉文,男,1934年生,教授,研究员,博导,中国科学院院士,主要从事地球物理学和地球动力学研究.(E-mail:jwteng@mail.iggcas.ac.cn)Research advance in analogue-numerical simulation on the dynamiccharacteristics of In-seam seismic and its applicationPI Jiao-long1,2, TENG Ji-wen1*, YANG Hui 1, LIU Guo-dong3, LI Jian-xin4, LI Song-ying4(1.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029,China;2.Graduate University,The Chinese Academy of Science,Beijing100049,China;3.Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing100029,China;4.Henan Yima Coal Group Co.,LTD,Yima 472300,China)Abstract Coal production always suffers huge financial losses and casualties because of the complicated tectonicsand production environment.It is the key problems to detect the small structure,abnormal body and the coalthickness in the development of underground coal mining,and In-Seam Seismic(ISS)is a effective means to solvethese problems with its high resolution and strong predictability.In this paper,the development of channel waveseismic exploration technology was reviewed systematically.Considering the physical characteristics as seismic wavepropagation in the coal seam as well as the main factors which influence the propagation of the channel wave,Wesummarized and discussed the analogue-numerical simulation on the dynamic features of In-seam Seismic.Then wepointed out the theoretical problems and practical challenges of ISS.Finally,we prognosised the potential futuredirections.Keywords channel wave,dispersion,coal seam thickness,analogue-numerical simulation,dynamic characteristics 2期皮娇龙,等:地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展0 引 言我国是世界产煤大国,又是煤炭资源总量最多的国家之一,同时也是世界上最早发现和使用煤炭的国家[1].煤炭做为我国当前的主体能源,在一次性能源结构中占70%左右的比例,且在未来相当长时期内,煤炭作为主体能源的地位不会改变,因而煤炭工业仍将在长期内成为关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业.截止2010年底,全国煤炭保有查明资源储量约13412亿吨,比2005年增加近3000亿吨.同年,即2010年,全国煤炭产量为32.4亿吨,其中14个大型煤炭基地产量达28亿吨,占全国煤炭总产量的87%[2,3].然而,国内大型煤炭基地煤盆地的储煤盆地在地质史上基本上都经受过多期次、多类型和大强度大地构造运动的改造和叠加,不仅“先天性”条件较差,多变的大地构造格局造就了复杂的煤矿地质开采环境,而且井下煤炭的生产条件和突发的井下灾害事件更增加了煤矿安全生产的难度,在煤矿开采过程中常因遇到未被探明的异常地质体(如断裂、采空区水体、应力集中和煤层厚度变化等)导致开采进程和技术上的复杂化、开采成本增加、可开采煤炭储量降低,进而诱发灾难性事故,甚至威胁到井下作业开采人员的生命安全,并造成巨大经济损失和重大的人员伤亡事故[4].2008年9月21日,河南省郑州市登封市郑州广贤工贸有限公司新丰二矿发生特别重大煤与瓦斯突出事故,造成37人死亡、7人受伤,直接经济损失1766余万元.2010年3月28日,华晋焦煤有限责任公司王家岭矿发生特别重大透水事故,共造成38人死亡、115人受伤,直接经济损失达4937万元.2011年1至9月,全国煤业矿工发生死亡事故829起,死亡1419人.因此,在大型煤矿煤炭在开采之前,清晰探明断层、尖灭等小幅度的地质构造体以及采空区储水等井间特征对煤矿的开采进度、储量估计、危害评价和矿井水体突发等均具有至关重要的作用.与煤矿常用的地面地震勘探相比,煤矿井下地震槽波具有如下特点:地震波传播距离短,不受地表低速带影响,震源激发频率高(一般100~1000Hz),接收点和震源点都能接近探测目标,且接收到的地震记录频率高(是地面地震记录频率的十几倍到几十倍)、能量强、信噪比高,同时接收波类型多且波形复杂,散射波能量强,能够实现透射波、绕射波、散射波、导波、折射波、转换波和反射波等多类型波的高分辨成像[5,6].显然煤层内地震槽波勘探、反演和资料解释在这个过程中则有着不可比拟的效应.1 煤层地震波勘探及波场特征1.1 地震槽波勘探研究发展概况煤层间地震勘探(ISS)是利用在煤层(作为低速波导)中激发并传播的导波来探查煤层内的地质异常体[7,8].当在煤矿井下巷道或工作面上进行采掘工作时,沿煤壁顺煤层安置震源及检波器,然后按地面地震勘探的反射波法旋转90°,以便从水平方向探测煤层中存在的断层等不连续体,即使落差不大的断层在横向上都存在明显的波阻抗差异,于是就有足够的反射能量返回到检波器以记录下反射波;否则,它将沿煤层一直传播下去,而布置在另一巷道中的检波器则可接收透射波记录[9].1963年德国的Krey[10]从理论和实践上证明了煤层中槽波的存在,并率先指出可利用槽波来确定煤层中地质异常体,地震波场表明:波在岩层-煤层-岩层的介质中传播会形成槽波,且槽波传播时只会形成有限的几种模式;最重要的是槽波有着很强的频散特性.基于此,一系列现场实验、数值模拟和物理模拟等方面的工作得以开展.70年代中期,德国和英国首先开始了对槽波的大规模研究,随后,美国和澳大利亚也开始了相关研究.在中国这种煤层岩相构造均十分复杂的情况下开展槽波地震勘探研究有着特别重要的意义,但起步较晚,开始于1977年底[11].1995年Evison[12]首次在新西兰煤矿2m厚的煤层中记录到传播距离达到100m以上的槽波,并预测槽波在煤层的勘探中将会有很重要的应用前景.鉴于煤层特殊的物理性质,在实际工作中,采用煤层间槽波微震法-ISS(In-Seam Seismic)具有重要作用.Rector[13]曾预言,井间地震的未来是光明的,没有哪一项技术能像井间地震这样,可以刻划有关目标层位如此高分辨率、高精度的图像.1.2 槽波的形成及分类煤层与周围岩层介质,即顶板和底板具有显著的物性差异,这些差异主要体现在弹性纵波和弹性横波在煤层和围岩的速度以及煤层和围岩密度的不同,故在理念上将煤层视为一个典型的低速夹层,在物理上构成一束“波导”.当煤层中激发了体波(包括纵波与横波)后,激发的部分能量在传播中由于煤层顶、底板均为强速度差异界面,故产生的多次全反射959地球物理学进展 http//www.progeophys.cn 28卷 波被禁锢在煤层及其邻近的岩石中,而不向外侧围岩辐射,且在煤槽中相互叠加、相长干涉,形成一组能量相当强的干涉扰动,呈现出槽波波场的特征[9,14].槽波传播距离远、能量强、波形特征易于识别,具有明显的频散特征,在槽波形成过程中,煤层和围岩介质的波速和密度大小之间的相对关系,要比其绝对值更显重要.按物理构成及极化特征划分,槽波可分为Love(SH)型槽波(也作Evison波)和Rayleigh型槽波(也作Krey波),图1给出了两种波的传播方式.显然,槽波实际上就是由体波在煤层中形成的干涉波,即层间面波.这一相长干涉则导致了群速度在局部地带呈现出极小值和极大值,形成了能量强的波列振幅,即Airy震相[15].Love槽波和Rayleigh槽波的相速度界于煤层和围岩的剪切波速度之间[9],它们在煤层中达到最大振幅,但是在顶板和底板中导波振幅则随着与煤层的距离大小按指数方式迅速衰减[16].这种衰减依赖于波长和频率,频率越高则衰减越快,故煤层中的能量比例亦会随着频率的增加而增大.完整的(包含正常模式和泄漏模式)Love槽波波列是所有干涉波的叠加,而Rayleigh槽波则是由在煤层-围岩边界P波和SV波的反射波及折射波相长干涉的结果,具有多个临界角.无泄漏模式的Rayleigh槽波中只存在于围岩的切变速度大于煤层的膨胀速度时,但这种情况并不常见,因而实际接收到的槽波以Love波为主,Rayleigh波不太发育.因此不少学者利用Love槽波的透射特性来发现煤层中诸如断层、采空区和煤层减薄带(尖灭层)等地质异常体开展研究[13,17,18].图2描述了弹性波在煤层-岩层界面处的各类射线路径,当入射角大于临界角时反射波会产生全反射现象.当入射波为SH波时,在煤层中会由于多次反射而形成SH型槽波(Love wave),其相速度的大小取决于入射角的大小.图中三个区域分别表明;A为泄漏区,其中0<φs<φ*s,B和C正常区,其中φ*s≤φs≤π/2.由于波的入射角小于临界角,故有一部分波能量透过煤层界面折射出去,另一部分则仍在煤层界面处反射.B区和C区波的入射角等于或大于临界角,波在煤层界面处产生全反射,波在C区叠加并最终在煤层中形成槽波.槽波在煤层中的能量不易耗散,所以传播距离较远.前人对槽波的研究涉及了槽波的基础理论、频散现象和频散提取等特征,且利用数值分析的方法图1 槽波类型及质点振动(Krey,1976[16])Fig.1 The classification of seam waveand particle motion[16]计算讨论了槽波在各种煤层厚度下的吸收与频散关系、频散曲线、振幅-深度分布关系等,模拟了槽波在煤层中的传播情况和在各向异性介质中能量吸收以及对槽波信息的综合利用等,如延迟求和、模式转换、自适应延迟求和与修正共深度点叠加等分析槽波的方法以及标注断层的位置;进而讨论煤层槽波的泄漏模式[19],以通过不同的观测布置方案对所记录的槽波数据进行解析以及确定断层或不连续带的位置.这些微震数据主要包括透射和反射数据,其中利用分析反射数据的方法探测不连续界面较为有效.然而,槽波在煤层中的传播速度在很大程度上依赖于其频率,这种明显的频散特性势必会影响到精确的确定槽波在煤层中的传播速度.德国约200个煤矿的槽波探测对煤层中断层的研究成果表明:利用反射槽波探测断层的成功率可达66%,利用透射槽波探测断层的成功率则近83%[14].一般而言,反射波方法探测的距离通常为煤层厚度的120倍,而透射法探测距离则能达到煤层厚度的300倍[10].1.3 地震槽波在煤层中传播的物理特征1.3.1 槽波的频散特征构成合成脉冲的各个谐波分量都具有各自不同的速度,合成振动的波形在传播过程中将不断变化、波列不断被拉长,这种由于速度随频率的变化引起069 2期皮娇龙,等:地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展图2 Love型槽波形成过程[14]Fig.2 The forming process of the Love channel wave[14]的波形畸变称为频散.槽波最大的特点之一便是频散,其频散现象主要由煤层特殊的结构所导致,如煤层及其相邻地层各自的厚度和密度及体波速度.煤层和围岩的滞弹性对槽波频散的影响通常可以忽略,密度比的改变对频散曲线的形状影响同样也很小.频散信号的波形依赖于震源的频谱、炮检距和煤层结构的频散特征,从而对槽波的频散和吸收特征进行分析和研究可得到煤层和周围地层的构造特征及煤层厚度等信息.由于Love槽波的数学模型容易建立,并且易于用数值分析的方法求解,前人的大部分工作都是以Love槽波为模型.对于槽波的频散特性,前人主要是从频散曲线方程出发,来研究煤层的弹性性质、煤层厚度和围岩等因素对槽波频散特性的影响.Buchanan[7]导出了Love型槽波的“单模式”频散方程:ωnqcnd=tan-1μrqrnμcq()cn+π2.(1)其中:n=0,1,2,3…为模式阶次参数,qcn=(β-2c-c-2n)12,qrn=(c-2n-β-2r)12.同时,他还给出了截止低频的表达式:ωn0=nπ2d(β-2c-β-2r)12,n=0,1,2,….(2)截止低频是对称岩层-煤层-岩层层序中基阶Love型槽波的特征传播,其大小与煤层厚度和煤层和围岩的剪切波速度有关.Rader et al.[20]利用相位递归算法建立了多个水平层状结构下SH型槽波的图3 Love型槽波和Rayleigh型槽波的前三个对称模式的相速度和群速度的频散曲线[21]Fig.3 Phase and group velocity dispersion curves of thefirst three symmetrical modes of the Love seam wave(a)andthose of the Rayleigh seam wave(b)in the simple seam[21]169地球物理学进展 http//www.progeophys.cn 28卷 频散曲线方程,计算了Love型槽波在均匀、水平和各向同性煤层介质中传播时的频散曲线并描述了槽波激发的基阶和第一高阶下的波形.Dresen[21]得到了简单煤层模型中Love型槽波和Rayleigh型槽波的前三个对称模式的相速度和群速度的频散曲线.Peterson[22]的研究表明;Rayleigh型槽波的频散曲线形状依赖于煤层和围岩材料参数的绝对值,而Love型槽波的频散曲线只与煤和围岩的密度之比和剪切波速度之比有关.比值越小,频散越少,比值越大,Airy相频率越高,就有更多的能量围陷在煤层中.Dresen(1985)[21]的研究表明;槽波的相速度总是介于围岩与煤层之间的横波速度,随着频率的升高而逐渐降低,群速度小于相速度,不同的振型对应着不同的频散曲线与不同的截止频率和频带范围.Rayleigh型槽波的群速度曲线存在1个以上的极值点,它们分别对应于槽波波列上的Airy震相,如图3所示,图中βr和βc分别代表围岩中的横波速度和煤层中的横波速度,f为频率,2d为煤层厚度.煤层厚度变化对Love波频散曲线影响明显[23,24],随着煤层厚度的增大,Love波所含主要频段向低频偏移,围岩与煤层速度差异越大,Love波频散越强烈.Dobroka[25,26]运用WKB方法,同时用常数Q模型描述滞弹性摩擦,推导出了在厚度变化的煤层中传播的Love波的复杂频散关系和位移函数,给出了吸收-频散关系的数值解.他认为,在不同频率范围内,煤层厚度的变化影响Love波的相速度和吸收系数,探测煤层厚度变化的最佳处应在平均Airy震相频率处,而且煤层厚度变化的均匀导波结构与煤层厚度不变时的水平非均匀导波结构存在一致性.值得注意的是,底部粘土、夹矸层以及冲蚀带的存在均会对槽波频散曲线有着显著影响[19,27,28].与前人[13]采用Snell定理推导相速度频散方程不同,杨真[29,30]采用波矢连续做为边界条件;其求得的相速度频散方程为tan 2πfd1β2-1c槡()2=μrf1c2-1β2r槡fμc1β2-1c槡2.(3)其结果与前人得到的结果相一致,并且,根据相速度与群速度的关系,他进一步得给出了群速度的频散方程: vg=c1-2πfcsec22πfcdc()β2槡()-1×c()β2槡()-1tan2πfcdc()β2槡()-1×1c()β2-1+11-cβr()f烄烆烌烎2+c22πfdcsec22πfcdc()β2槡()-1β2c()β2槡烄烆烌烎烄烆烌烎-1.(4) 式(3)和式(4)中r,c和f分别代表煤层的顶板(roof),煤层(coal seam)和煤层的底板(floor).βrf为S波在岩层中的速度,β为S波在煤层中的速度,c为所求相速度,2d为煤层厚度,f为频率,μrf和μc分别代表煤层的顶、底板的剪切模量和煤层的剪切模量,vg代表群速度.Knopoff方法和δ-矩阵法在地震学中广泛用于沿地球表面的平面波的传播.它们也适用于浅煤层模型.Peterson[22]运用基于δ-矩阵技术设计的算法研究了不同浅煤模型中的频散特征.Dunkin[31]运用Haskell方法得到了厚煤层中Rayleigh波的频散方程的解.Kennett[32]发展了在分层介质中表面波和槽波的传播理论,这一理论将传播矩阵法与递归算法联系起来,描述了表面波和槽波频散计算密切关系.Buchanan[33]导出了对称和非对称模型下的Love型槽波和Rayleigh型槽波的振幅-深度分布.Arnetzl and Klinge[14]给出了简单煤层模型中,基阶Love型槽波在不同频率下的相对振幅-深度分布图(图4).如图中所示,频率越高,就有越多槽波的能量围陷在煤层中.这是槽波高频部分重要的实际意义的所在.1.3.2 地震槽波在煤层中传播时的衰减除了频散特性之外,槽波在沿煤层及邻近岩层中传播时,其能量具有不断衰减的特征,这主要与波前扩散、频散和介质的非完全弹性吸收等因素有关,也与在煤层中的异常体上的反射、透射乃至辐射等因素相关.煤层和围岩实际介质并非理想的完全弹性介质,而槽波频率又常高达500~1000Hz以上,因此煤层介质对槽波的吸收作用是不能忽略的.269 2期皮娇龙,等:地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展图4 基阶Love型槽波在不同频率下的相对振幅-深度分布图(简单煤层模型)[14]Fig.4 Relative amplitude-depth distribution ofthe fundamental Love wave modein a simple seam for different frequncies[14]对于简化的一维槽波传播模型,Airy相振幅的频散随距离x-13衰减,而相同槽波模型下其他波组的频散在呈x-12衰减.因此,在槽波地震观测中Airy相常被用来探测煤层中的断层,而Airy相的振幅是Airy相频率下震源信号振幅谱的一部分.因此,震源信号的频率响应对于记录到的在煤层中传播的Airy相振幅十分重要.Savage[34]分析了与Airy相相关的波列的频散波形,并指出Airy相形状取决于Airy函数和余弦函数的乘积.Tolstoy[13]得到了Airy相信号的持续时间和群速度曲线的极值点的关系;平缓的群速度曲线对应着一个极少震动的波包,而一个“急剧峰值”的频散曲线和一个长的近乎调和(Airy相)的波列相关.实际煤层与邻近岩层对槽波能量的吸收效应是由材料或岩石特性所引起,是一个复杂的过程.介质的吸收效应一般可用吸收系数α来描述.煤槽(槽波传播通过的煤层与邻近的岩石层)的吸收衰减与这一介质的吸收特性或品质因子Qα值相关.Xiao-Ping Li[35,36]研究了两个板空间简单三层均匀线弹性模型中Love型槽波的吸收-频散关系,并估算了与频率相关的Love型槽波品质因子Qα.他假设煤层的品质因子Qs1和围岩的品质因子Qs2均为常数,并将复传播函数引入到频散关系中以描述Love型槽波的特征,导出Love型槽波品质因子Qα与煤层品质因子Qs1和围岩的品质因子Qs2之间的关系:1Qα=AQs1+BQs2,(5)其中:A=1qstan(khη1)1η21()-1+Dη1VsVs()1()2,B=1qstan(khη1)1η22()()+1,qs=tan(khη1)1η21+1η()22+Dη1,D=khsec2(khη1),η1=VsVs()12()-112,η2=1-VsVs()2()212.Love型槽波的品质因子Qα,不仅取决于煤层的品质因子Qs1,而且与围岩的品质因子Qs2、频率及煤层厚度相关[13,34-36].Xiao-PingLi[35,36]分析式(5)的解析解指出:在高频端,Love型槽波的能量在煤层中传播,其传播只取决于煤层的物理特性;而在低频端(频率接近于0),Love型槽波的能量在围岩中传播,故在煤层中观测不到槽波.Buchanan(1983)[37]给出了衰减系数α与频率的线性回归方程:α=(3.42×10-3±4.35×10-4)+f(7.64×10-5+2.27×10-5),其中f=ω/2π.相应的每100Hz衰减损耗为(0.096±0.021)dB/m,每300Hz衰减损耗为(0.029±0.029)dB/m.如图5所示,在低频端以外,衰减系数α与频率线性相关,图中数据的置信水平为95%.图5 衰减系数α(w)的回归线[37]Fig.5 Regression of the attenuation coefficienton to frequency[37]当速度为常数时,基于这一线性频率-衰减关系,Love型槽波的品质因子Qα为常数;当速度为频率的函数时,Love型槽波的品质因子Qα为非常数.线性衰减法则能够用来解释槽波在传播过程中大部分的衰减耗散,但是当煤层中包含有等厚度的夹矸石层或者煤层厚度发生变化时,在一些特定频率处α(ω)的斜率会发生变化.369地球物理学进展 http//www.progeophys.cn 28卷图6 槽波的品质因子及吸收系数[8](a)品质因子;(b)吸收系数Fig.6 Schematic of the quality factor of the channelwave and the absorption coefficient[8](a)The quality factor of the channel wave;(b)The absorption coefficient图6反映了不同煤层厚度下Love型槽波的煤槽品质因子和吸收系数与频率的关系,煤槽品质因子Q值曲线与槽波的群速度曲线(图3a)形态相似,左支陡,右支缓,在Airy震相附近具有极小值.高频端比低频端α随ω的升高增长快,而在Airy震相附近,α随ω有急增的趋势,增长最快.图6(a)表明:煤层的品质因子与煤层厚度有关;对于不同的煤层厚度,煤槽品质因子Q值随频率的变化趋势相同,且表现为Q值在较短时间内快速减小,待达到某一极小值后,变化趋于平缓,煤层越厚,Q值随着频率的变化越剧烈.煤层越厚,槽波的吸收系数在低频端的变化越剧烈,当剧烈变化达到某一限值后,吸收系数随频率呈现出线性关系.图7为在含有底粘土的四层滞弹性煤层模型中,基阶Love型槽波的吸收系数与频率的关系.αc(ω)、αγ(ω)和α(ω)分别代表煤层的吸收系数,围岩的吸收系数及基阶Love型槽波的吸收系数.在低频端,基阶Love型槽波的吸收系数α(ω)近似于围岩的横波吸收系数αγ(ω);在高频端,基阶Love型槽波的吸收系数α(ω)近似于煤层的横波吸收系数αγ(ω).Love型槽波在煤层中的衰减系数和Q值因不图7 基阶Love型槽波的吸收系数(含底粘土层)[14]Fig.7 Absorption coefficientα(w)of the fundamentalLove seam wave mode in the model of anelastic four-layered seam model with root clay[14]同的煤层厚度、不同的煤层物理特征及不同的地质构造及岩相都会有着不同的变化形态.在实际观测中,煤槽的Q值随煤的类型和产地不同而各异,估计煤槽的Q值一般小于100.2 影响煤层中地震槽波传播的主要因素前文的论述可知,地震槽波传播的波场动力学过程不仅具备频散现象,其能量还具有衰减的特征,而且这些物理特性随着煤层厚度和煤层厚度变化等主要因素而呈现不同的动力学响应.不同类型煤的超声速试验测量[38]亦证实:煤的动力弹性特征与煤级及施加的有效压力相关,煤的热成熟度对煤的动力弹性特征亦有着显著影响.在槽波振幅曲线的形成过程中,煤层与围岩的速度和密度值之间的相对差异要比二者的绝对值大小所带来的影响更大[39].2.1 煤层厚度变化的响应煤层厚度是煤储层的重要几何特征之一,它与煤层稳定性、煤层结构等共同显现出煤储层在三维空间上的展布形式,构成煤层气控气系统中的重要地质因素.煤层厚度及其变化对槽波频散和能量衰减都起到了重要作用.从煤炭开采的角度,可采煤层的厚度可分为5个厚度级:煤厚0.3~0.5m为极薄煤层;0.5~1.3m为薄煤层;1.3~3.5m为中厚煤层;3.5~8.0m为厚煤层;大于8m的为巨厚煤469 2期皮娇龙,等:地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展层[40];将单层煤厚超过60m的称之为超厚煤层,也有学者将40m作为超厚煤层的起点.在地震勘探中,薄层和厚层的划分,与采用的仪器频率响应、分辨率、所使用的方法相关,但没有一个统一的划分界限.但目前多数人仍以λ/4(λ为地震子波的主波长)为界来划分[41,42].2.1.1 煤层厚度变化与瓦斯的关系瓦斯在煤矿安全生产中具有相当突出的地位,通常认为煤层厚度越大,其中瓦斯生成含量亦越大,当具有良好的瓦斯保存条件时,煤层变厚带一般也是瓦斯富集带,显然煤厚变化大的煤层是造成瓦斯分布不均衡的重要原因.这是因为煤厚变化破坏了瓦斯在煤层中的均衡状态,从而促进了瓦斯的运移和变化.此外,煤厚变化处也往往是地应力发生变化和集中的地方,而故地应力分布与瓦斯分布极为密切.这表明:煤层的埋藏深度越深,煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越长,散失就越困难;同时深度的增加也使煤层在上覆压力的作用下降低了透气性,有利于保存瓦斯.琚宜文[43]指出,煤层流变性常使得煤层厚度发生变化,当巷道采掘近厚薄过渡区时易发生瓦斯突出.一般煤层流变性强,煤层厚度变化显著时,瓦斯突出危险大,强度也较大.煤层中瓦斯(煤层气)的逸散以扩散方式为主,空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力.根据费克定律以及质量平衡原理建立的煤层甲烷扩散数学模型,在其他初始条件相似的情况下,煤层厚度越大,达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就越长[44].由于控气地质构造因素的复杂性,使得很多地区煤储层厚度与其含气性之间并无直接因果关系,但在对淮南、邢台、临城、石嘴山等矿区的观测中发现二者之间具有明显正相关趋势.秦勇等[45]的分析指出:煤储层厚度对其渗透率和含气性具有显著影响.煤层本身就是一种高度致密的低渗透性岩层,上、下部分地层对中部分层起着强烈的封盖作用,煤层厚度越大,中部分层中煤层气向顶底板扩散的路径就越长,扩散阻力就越大,对煤层气的保存就越有利,这也许就是大多数矿区或井下煤层厚度与含气量之间具有正相关趋势的根本原因.刘新荣等[46]采用煤层厚度、煤厚标准差、煤厚变异系数和煤厚变化的指数等作为煤层厚度及其变化的定量指标,根据某煤矿瓦斯涌出量的测试结果,运用回归分析方法定量探讨了瓦斯涌出量与煤层厚度及其变化之间的关系.研究结果表明:随着煤层厚度及其变化的增大,煤层瓦斯涌出量反而减小,究其原因主要是邻近煤层瓦斯的大量涌出.煤层瓦斯涌出除了与煤层厚度及其变化有关外,还受到其它许多地质条件的影响,其影响因素包括煤岩组成、煤的变质程度、煤层厚度、媒体结构、裂隙系统、煤层的埋藏深度以及围岩性质等,故必须综合分析各种地质条件的影响.但至今这一问题研究的程度还较低,尚难以求得一些量化的标志或认识.2.1.2 煤层厚度的计算与变化的研究传统的煤层厚度计算是利用钻孔资料的对比与内插获得,这种方法能提供的煤厚资料精度较低.80年代后期,试用煤层反射波综合特征参数[47](包括振幅、能量、能量比)进行煤层厚度估算:根据煤层厚度与反射波振幅或能量成准线性关系,利用反射波振幅参数来估算煤层厚度[48];根据薄层理论,采用振幅谱平方比法和谱矩法推导出煤层厚度与反射波频率域参数的近似线性关系直接反演煤层厚度.上述几种方法并没有考虑煤层为厚煤层(煤层合并)时的情况,对不同煤厚与地震属性灵敏度研究还不够,而且都是用某种或几种地震属性参数进行煤层厚度预测,这可能会影响煤层厚度的预测精度.董守华等[49]针对这一研究缺陷依据地质、地震资料设计了地震地质正演模型,模拟了在煤层缺失、剥失、分叉、合并等情况下反射波振幅、频率等地震属性,还研究了这些属性对不同煤层厚度反映的灵敏度.利用人工神经网络算法在解决一些复杂的、非线性的问题时所具备的优越性,孟召平[50]和崔若飞等[51]通过对地震属性的分析、优选,结合已知的钻孔资料预测了煤层厚度,并且对模型进行了误差分析和应用结果的比对分析,反映出人工神经网络模型在煤厚预测中具有好的应用效果.张爱敏等[52]从弹性波动力学理论出发,研究不同厚度煤层AVO特征,设计了几种不同厚度煤层模型,给出了厚度依赖于纵、横波反射、透射系数的关系,指出相位角可作为解释煤厚的辅助参数,力图为煤层厚度预测提供新途径.但由于纵、横波反射、透射等系数随煤厚的变化关系是在一定的理想条件下得出的,因而与实际情况还存在一定的误差.彭苏萍等[53]用AVO探测煤层瓦斯富集时指出;煤层的厚度对AVO梯度G和AVO截距P有明显的影响,其中无量纲梯度G表示振幅随炮检距变化的快慢,P即零炮检距处的反射振幅.图中显示:当煤层厚度小于9m(近似λ/4波长)时,G的绝对值随着煤层的厚度增加而增大;煤层厚度介于9~14m之间,G的绝对值随着煤层的569。
槽波地震仪Summit ⅡEx组成

槽波地震仪正如前言所述,德国DMT公司研发的新一代防爆槽波地震仪Summit ⅡEx是世界上最先进的槽波地震仪,目前它已销往西班牙、波兰、英国、俄罗斯等欧洲产煤国,并在德国国内得到广泛应用。
我国义马煤业集团和河北煤炭研究院、龙煤集团、中国矿业大学定购了新一代防爆槽波地震仪Summit Ⅱ Ex。
在工作面实测验收结果表明,仪器性能先进、轻便、操作简单,工作非常稳定,观测结果理想。
我国定购的防爆槽波地震仪Summit Ⅱ Ex均已圆满通过“安标国家矿用产品安全标志中心”和“煤炭工业电气防爆检验站”的安全防爆检测,并已获得“进口矿用产品安全标志证书”。
1.Summit Ⅱ Ex 防爆槽波地震仪包括:中心站(主机)数据采集站中继站双分量水平检波器触发单元触发脉冲单元爆炸机(可选用国内矿用爆炸机)数据传输电缆充电器槽波数据处理和解释软件包现简述如下:1)中心站(主机)外壳和键盘均采用不锈钢金属材料,专为井下勘探设计,具有极高安全系数和防爆功能。
15英寸LED背光彩色显示器,四组镍镉防爆可充电电池。
主机控制整个仪器操作,数据采集、管理和实时显示观测结果。
重22Kg。
配置四组防爆可充电电池。
2)数据采集站采集站外壳为导电塑料材质,具极高防爆功能,有2个状态指示灯LED指示采集站工作状态,重2.7Kg。
3)中继站中继站外壳以导电塑料材料。
每250m长测线接一个中继站,用来增强信号信号幅度。
状态指示灯LED代表中继站工作状态。
重2.7kg。
4)双分量水平检波器检波器互为垂直的双分量水平检波器,直径为55mm 。
检波器插入煤层中的孔洞后,用气筒给检波器胶囊充气使其膨胀,以便检波器紧紧的贴在巷道壁上。
在移出检波器时,只需轻轻按下阀门便可释放橡胶囊内部气体。
重3.3Kg 。
5)触发单元当触发单元接收到爆炸信号后,便立即触发数据采集单元和中继站开始记录,重 2.7Kg主机中内置的 USB 接口也具有触发功能,可以代替触发单元。
地震勘探技术野外工作方法反射波法,折射波法
观测系统图示
2. 如图(b)示。 O1激发,O1O2接收,用O1A表示,O1A在测线上投影O1A1对应 反射界面R1R2;
O2激发,O1O2接收,用O2A表示,相应反射界面为R2R3。 两次激发,得连续反射界面段R1R3。 折射法:多用时距平面图表示。
反射法:多用综合平面图表示。形式简单,直观地表示了炮点和 排列之间的关系。
O2激发,O1O2接收,用斜线段O2A 表示,对R2R3进行了一次观测,叫 单次覆盖; O1激发,又在O2O3接收,用斜线 段AB表示,又对R2R3进行了一次 观测,叫二次覆盖。 同理,可对R2R3段进行更多次覆盖。 多次覆盖观测系统:对整条反射界面进行多次覆盖的系统。 多次覆盖技术:压制多次反射波之类的特殊干扰波,以提高地震 记录的信噪比。
(2)相干干扰
定义:指外界产生的具有一定规律性的干扰。
特点:在地震记录上表现为有规律的振动,具有一定的 频率和视速度。
相干干扰产生:在 大型厂矿附近,机器有 规律地连续振动,江、 河波浪冲击岸坡等。如 图5.13所示。
(3)工业电干扰
在城市工作,当地
震测线通过输电线路时, 检波器电缆会感应50Hz 电压,形成工业电干扰。
图5.13 相干干扰波记录
三、干扰波调查 为了了解各种干扰波的分布特征,以便采取一系列压制干扰波
的方法技术,在野外地震数据采集之前,必须进行干扰波调查。 1.震源干扰波调查
图5.14 震源干扰波调查(a) 干扰波调查记录 (b) 解释结果
目的:确定反射波和干扰波的分布特征,确定有效的观测系统。
具体做法:以小道间距埋置检波器,在零偏移距处激发,随 后移动检波器排列或移动激发震源。每次移动距离应等于一个 排列长度,以保持干扰波同相轴的连续性。
弹性波在地震勘探中的应用研究
弹性波在地震勘探中的应用研究地震勘探是一种通过观测地震波的传播特性,来了解地下结构和岩石性质的方法。
而弹性波在地震勘探中的应用研究,正是利用地震波的特性来揭示地下的情况和构造。
首先,弹性波在地震勘探中的应用主要体现在地震波的传播与反射上。
通过布设地震仪器,探测到来自震源的地震波时,我们可以观察到波在地下的传播情况。
由于地下岩石的物理性质不同,地震波在不同介质中的传播速度也不同,从而导致波的传播路径和传播时间发生变化。
通过分析这种变化,我们可以获得关于地下岩石类型、层位和结构的信息。
其次,弹性波在地震勘探中的反射现象也起到了重要的作用。
当地震波穿过不同介质之间的界面时,会发生反射现象。
通过观察和分析这些反射波,我们可以推断出地下的构造情况。
例如,在含有油气的地层中,由于油气的密度和弹性模量与周围岩石不同,会引起明显的反射波。
利用这些反射波的特征,地震勘探人员可以确定油气的存在和分布。
除了传播与反射,地震波的衰减与干扰也是地震勘探中需要研究的重点。
地下介质的性质不同,会对地震波的传播和衰减产生影响。
在地震勘探中,我们需要研究这种影响,以便更准确地解释地震记录和推断地下构造。
此外,地震波的干扰也是需要研究的问题。
由于地球内外部的各种因素,地震波在传播过程中可能会受到干扰,如散射、多次反射等。
研究这些干扰现象,有助于提高地震勘探的信噪比和分辨率。
弹性波在地震勘探中的应用研究还包括了地震数据处理和解释。
地震数据处理是将原始记录处理成可以观察和分析的数据形式。
在地震数据的处理过程中,需要采用各种滤波、叠加、去噪等方法,以提高地震数据的质量和可用性。
而在地震数据的解释中,需要将地震记录与地下模型进行对比,并通过地震学理论和数值模拟等手段,来解释这些记录,揭示地下的构造和岩石性质。
弹性波在地震勘探中的应用研究不仅在石油勘探中起到了重要的作用,也广泛应用于地震灾害预警等领域。
通过分析地震波的传播速度和幅度,可以提前预测地震的传播路径和强度,为地震灾害的防范和救援提供科学依据。
矿井物探方法
矿井物探方法北京中矿大地地球探测工程技术有限公司1 矿井物探方法简介1.1常用矿井物探方法矿井物探常用方法主要包括:1、地震槽波;2、无线电波透视法;3、直流电法;4、瞬变电磁法;5、音频电透视法;6、全波形反演技术。
1.2 各类方法应用范围1、工作面断层、陷落柱等异常地质构造及煤层夹矸、煤岩破碎带、煤厚变化等常规物探探测:地震槽波、无线电波透视法。
2、工作面水害探测:瞬变电磁法、直流电法或音频电透视法。
3、巷道掘进迎头构造探测:地震槽波。
4、巷道掘进迎头水害探测:瞬变电磁法、直流电法。
5、工作面顶底板起伏、煤厚变化、断层、陷落柱等异常地质构造精准探测:全波形反演。
2 地震槽波勘探技术2.1 原理及探测方法煤、岩层的密度和弹性波速度差异:煤层<顶、底板围岩。
在煤层中激发的地震波大部分能量在煤层顶、底界面之间来回反射并干涉,从而形成一种特殊的地震波——槽波。
图 1 槽波勘探原理示意图图 2 透射槽波勘探法图3反射槽波勘探法图4透射+反射联合勘探法图5 槽波超前探测2.2 应用范围及特点1、工作面内:(透射槽波勘探、反射槽波勘探、透射加反射槽波勘探)(1)煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等;(2)煤层赋存情况,如薄厚变化、夹矸厚度变化;(3)老窑、采空区影响范围;(4)侵入岩等非煤物质的延伸范围;(5)煤层破碎、剥蚀带分布等。
2、巷道两侧:(反射槽波勘探)(1)煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等;(2)老窑、采空区影响范围。
3、巷道掘进迎头:(槽波超前探测)(1)煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等;(2)老窑、采空区影响范围。
2.3 槽波观测系统设计1、覆盖要均匀尤其是透射能量层析成像,不均匀的覆盖会对结果造成误导。
2、覆盖次数要合理覆盖次数太少、信息量少、结果准确性差;覆盖次数太多导致施工工作量过大,且效果增加不明显。
3、利用尽可能多的巷道探测工作面内构造时,尽可能在可利用的巷道内都布设炮点及检波点。
地震勘探法在探测岩溶塌陷中的应用
地震勘探法在探测岩溶塌陷中的应用岩溶塌陷在我国分布广泛,从南到北,从东到西都有发生。
岩溶塌陷具有隐蔽性和突发性的特点,因此更需要采用高分辨率地震勘查技术。
地面岩溶塌陷的形成,主要是因为较薄的覆盖层下伏基岩岩性(一般为灰岩),易受地下水溶蚀形成溶沟、溶槽和溶洞。
基岩中断层、破碎带发育,为地下水溶蚀作用提供了水流通道。
过量开采基岩裂隙岩溶水,水位下降并在覆盖层底界面和基岩顶界面上、下摆动,也是形成溶沟、溶槽和溶洞的原因。
在岩溶发育区建造大型工程,需要查明基岩浅埋区覆盖层厚度。
灰岩地震波速度为3000~4500m/s,而上覆第四系松散层波速为800~2000m/s,因此具备地震技术要求的地球物理条件。
此外,基岩中断层、破碎带和溶沟、溶槽、溶洞也需查明,它们也同时具备各自相应的地球物理特点。
2.地震勘探法的原理地震勘探法是在地表以人工方法激发地震波,在向地下传播时,遇有介质性质不同的岩层分界面,地震波将发生反射与折射,在地表或井中用检波器接收这种地震波。
收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。
通过对地震波记录进行处理和解释,可以推断地下岩层的性质和形态。
地震勘探在分层的详细程度和勘查的精度上,都优于其他地球物理勘探方法。
地震勘探的深度一般从数十米到数十千米。
地震勘探的难题是分辨率的提高,高分辨率有助于对地下精细的构造研究,从而更详细了解地层的构造与分布。
3.探测岩溶塌陷的技术方法理论研究和工作实践表明,要提高地震勘查的分辨率,就需提高地震波主频,同时增加信号的频带宽度。
因此应做到:(1)选用小药量沉入含水孔中激发,当使用锤击或夯击时,要用圆形垫板激发地震波。
(2)使用高频检波器接收。
(3)选用小道距,道距一般不宜超过5m。
(4)选用短排列、小偏移距接收。
(5)仪器采样间隔要小,或称高采样率接收,一般宜用lm、l/2m、1/4m等小采样间隔。
(6)提高仪器的低截频率到50Hz以上,让信号中的高频成分占有A/D转换器的高位。
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槽波地震勘探方法及应用分析
随着社会的发展,地质工程体系日益健全,地震探测日益受到社会各界的重
视。地质探测一直是地质工程工作的重难点,为了实现地质工作的正常开展,落
实好地震探测应用方案是非常必要的。随着社会经济的不断发展,地质探测技术
体系不断健全,在这其中槽波地震探测技术由于其自身的良好效益不断得到普
及。槽波地震探测技术具备良好的经济效益,随着社会的发展,其设计理念不断
得到更新,文章就槽波地震勘探方法进行分析,通过对存在问题的分析,进行地
震探测工作方案的更新,以满足现阶段地质工程工作的需要。
标签:煤矿井下;煤层槽波;跨层;地震探测;地质结构
前言
槽波地震勘探技术基于第三代节点式地震仪的设计理念,开发出新型的槽波
地震仪,实现了煤矿井下槽波地震观测系统的更新应用,该系统具备灵活性、方
便性的特点,它的采集系统不需要通信,可以实现同步采集,其施工高效,操作
便捷,实现了煤矿井下工作面探测问题的解决。
1 槽波地震勘探的基本概念
在煤层地质结构工作中,槽波地震勘探方法应用于煤层至顶底板的地质结
构,在这其中,煤层的相对密度比较低,属于低俗槽的类型。在该地质结构中,
顶板到煤层间的波阻抗差异偏大,其地震反射界面效果良好。在地质工程中,煤
层会产生一系列的地震波,经过煤层顶底板,它会产生一系列的折射、透射、反
射作用,这就为全反射条件奠定了基础,从而保证地震波能量的禁锢,有利于煤
矿探测工作的正常开展。
槽波是一种制导波,它依靠煤层进行传播,在煤层中激发及接收。槽波地震
探测技术作用于煤层的性质,主要进行煤层变薄区、断层处的探测应用,它是一
种针对地质异常状况的有效的地球物理探测方法,它具备较高的地质探测精度,
具备良好的经济效益。
2 槽波地震勘探方案的优化
(1)槽波地震勘探技术的开展,离不开导波的应用,导波受煤层所激发,
在煤层中所传播,从而进行煤层不连续性的探测,这是地震勘探方案中的一个重
要工作环节。槽波地震勘探技术作用于煤层分叉地带、小断层、采空区域等的探
测。
它可以有效诊断地质的异常状况,其探测距离比较大,抗干扰性比较强,精
度性也比较高,其波形特征易于识别,它的探测结果具备直观性。相对于其他的
煤矿井下物探方法,该技术的探测精度比较高,其探测距离比较长,该煤矿井下
探测方法具备良好的工作效益。在实践过程中,透射槽波地震勘探技术、反射槽
波地震勘探技术是常见的应用方法,前者的技术比较成熟,其应用范围比较广泛。
透射槽波的观测系统比较复杂,在其工作中,槽波信号是主要的煤层探测手
段,通过对该信号的应用,实现对工作面内断层、变薄带等地质异常状况的探测。
在透射槽波地震勘探法的应用中,它的炮点、检波点需要置于巷道的不同位置处,
需要根据槽波的大小及其强弱,进行构造状况的探测。
基于矿井工作环境的分析,图1给出了透射槽波地震勘探观测系统的具体应
用步骤图示。
其中两条平行细线代表了巷道,检波点及炮点分别布置于巷道中,检波点距
离、炮点距离都依靠设计进行确定。图中的阴影区是透射槽波的控制区域。节点
式的地震仪能够适应不同巷道的组合,相对于分布式槽波地震仪及集中式槽波地
震仪,其具备良好的灵活性。
(2)在反射槽波观测应用中,反射槽波的应用是必要的环节,炮点及其检
波点都位于同一巷道内,从而方便进行巷道内的地质构造探测工作。反射槽波探
测的距离比较长,比所勘探的煤层要厚一百倍。在煤层勘探中,槽波碰到地震波
的波阻抗差异界面,会产生反射槽波信号。通过对这些信号数据的获取,可以满
足煤层内不连续体位置的探测需要,这是地质勘探工作的基本模式。整体来看,
我国的井下反射槽波地震探测技术体系依旧不完善。随着时代的发展,煤矿资源
的开采技术不断进步,煤矿资源日益实现集约化开采,这种特征体现在超长超宽
工作面、快速掘进等方面,煤矿地质工作的开展,需要满足长距离、超前探测的
需要。通过对透视槽波地震勘探技术的应用,可以保证多个工作面、采区的超前
探测。
(3)超大工作面的槽波地震勘探技术非常适应于大区域的煤矿探测。某个
矿区的工作面接近1900米,倾向长在320米最有。在其掘进过程中,发现断层
有十四条,落差大于一米的断层有七条,没有出现岩溶陷落柱现象。9号煤层的
厚度是4米,分为上下两层,煤层上分层的平均厚度是1.2米。它的工作面煤层
倾角在25度到36度之间,平均倾角是26度。按照矿方的要求,仅对该矿区工
作面中段进行探测。在工作过程中,如果采用煤矿井下有线地震仪施工,需要进
行两千米炮线、通信线的设置,需要进行一千二百米接收电缆的铺设,其工作量
比较大,利用节点式无揽地震仪进行数据采集,不需要进行炮线、通信线等的布
设,其施工效率是非常高的。通过对正演模拟的应用,得出以下槽波地震勘探的
观测系统参数,在运输巷道、回风巷道进行十米接收道距的应用,设立检波点工
作300个。运输巷、回风巷都进行了三十米的跑间距的应用。
(4)盘区槽波地震勘探技术也是常见的一种应用技术。在实践应用中,透
射槽波具备良好的探测性能。透射槽波探测技术的普及,可以实现大距离盘区的
探测应用。该技术可以同时满足几个工作面的构造探测工作,并且有利于进行盘
区范围工作面的优化及设计。某个涉及到两个工作面的盘区,每个工作面的设计
走向长度为二千五百米,它的倾向宽度是二百米。其上部工作面的巷道掘进长度
为三千米,每个工作面的掘进长度为五百米,它的下区域工作面的巷道掘进长度
是一千三百米。节点式地震仪具备良好的布设灵活性,它需要在每条巷道进行炮
点及接收点的布设,梯形区域与三角形区域需要利用到不同的巷道数量进行控
制。通过对反射槽波探测技术的应用,可以实现采区、盘区工作面等的大距离探
测,但是该技术不适宜在地形崎岖、埋藏较浅的煤区工作。应对那些综合条件复
杂的煤矿地区,需要进行煤矿井大距离槽波透视技术的应用,以此实现盘区地质
状况的精细探测,从而满足地震探测工作的需要。
(5)针对煤炭工程、高瓦斯矿井工程等工作,可以进行跨层透射槽波地震
探测的应用。为了保证煤炭工作的安全运转,进行瓦斯高抽巷及底板泄水巷的提
前开拓是非常必要的,以此满足煤巷安全掘进工作的需要。可以从瓦斯高抽巷或
底板泄水巷向目标煤层施工浅孔,利用钻孔布设炮点与检波点,并结合一条掘进
的煤巷,构成跨越空间岩巷—煤巷的三维立体探测系统,实现地质构造的超前探
测。
3 结束语
槽波地震勘探方法具备良好的经济效益,其应用领域非常广泛,是地质工程
探测工作的重要应用技术,该文通过对槽波地震勘探方法的具体操作原理、应用
技术等问题的具体分析,解决了常见的地质探测问题,希望能对各位同仁提供一
定的借鉴意义。
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