矿井巷道地震反射波超前探测波场处理方法研究.pdf

第4 3 卷第1 期 2 0 1 5年 1 月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a nd Te c h n o l o g y Vo 1 ． 4 3 No．1 J a n ． 2 O 1 5 矿 井巷道地震反射波超前探测波场处理方法研 究 刘盛东 ， 余森林 一 ， 王勃 ， 张夏阳 ， 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2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 中国矿业大学 资源 与地球科学学院 ， 汀苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 掘进工作面突水、 煤与瓦斯 突出等事故频发迫切需要精细超前地球 物理探测技 术， 反射地震 波 法是地 质 构造超 前探 测预报 的 重要 手段 ， 而波 场分 离、 偏 移成像 是反 射 波地 震超前 探测 的 关键 处理 技术。对比分析运动学、 动力学波场分 离及偏移成像技术 ， 提 出了一种巷道全空间条件下的反射波动 态极化偏移成像方法； 实际巷道超前探测对比试验表明， 极化偏移成像具有消除对称异常假象、 提高 空 间分辨 率 的效 果。 关键词 地震反射波； 超前探测； 波场分 离； 极化参数 ； 极化偏移 中图分类号 P 6 4 1 ． 8 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 1 5 O l 一 0 1 0 0 - 0 4 S t u dy o n p r o c e s s i n g me t ho d o f s e i s m i c r e fle c t i o n wa v e fie l d f o r a dv a nc e d d e t e c t i o n o f mi ne g a t e wa y L I U Sh e n g -d o n g 一， YU S e n-l i n 一， W ANG Bo 一， Z HANG Xi a y a n g 1 ． S t a t e瓜 L a b o r a t o r y o fD e e p G e o m e c h a n i c s ＆ U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l of R e s o u r c e a n d E a c h S c i e n c e ， C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Abs t r ac t Ad v a n c e d de t e c t i o n t e c h no l o g y wa s u r g e n t l y n e e d e d b e c a u s e o f t h e fre q ue n t h a pp e n i n g s o f d r i v i n g wo r k i n g f a c e wa t e r i nrus h， c o a l a n d g a s o u t b u r s t a c c i d e n t ， e t c ． T h e r e fl e c t i o n s e i s mi c me t h o d w a s a n i mp o r t a n t me a n s o f g e o l o g i c a l s t r u c t u r e p r e d i c t i o n i n mi n i n g g e o l o gy a d v a n c e d d e t e c t i o n ． T h e w a v e fi e l d s e p a r a t i o n a n d mi g r a t i o n i ma g i n g wa s t h e k e y o f r e fle c t i o n s e i s mi c a d v a n c e d d e t e c t i o n t e c h n o l o gy ． T h e c o n v e n t i o n a l k i n e ma t i c s a n d d y n a mi c wa v e fi e l d s e p a r a t i o n a n d mi g r a t i o n i ma g i n g me t h o d b e i n g c o n t r a s t i v e l y a n a l y z e d， t h e d y n a mi c p o l a r i z a t i o n mi g r a t i o n i ma g i n g me t h o d u n d e r t h e c o n d i t i o n o f f u l l s p a c e h a d b e e n p r o p o s e d． T h e c o n t r a s t t e s t o f a d v a n c e d d e t e c t i o n i n r o c k g a n g wa y s h o we d t h a t p o l a r i z a t i o n mi g r a t i o n i ma g i n g me t h o d h a d i t s a d v a n t a g e s O ff e l i mi n a t i n g s y mme t r i c a l a b n o r ma l a p p e a r a n c e a n d i mp r o v i n g t h e s p a t i a l r e s o l u t i o n． Ke y wor ds s e i s mi c r e fle c t e d wa v e； a dv a nc e d de t e c t i o n； t h e s e pa r a t i o n o f wa v e fie l d； p o l a r i z a t i o n p a r a me t e r s ； p o l a r i z a t i o n mi g r a t i o n 0 引 言 据统计 煤矿灾害事故 8 5 ％以上发生在巷道掘 进过程中， 因此巷道掘进前对地质异常进行有效探 查十分必要 。反射波地震超前探测 是一种快捷 、 有效的巷道超前探测技术 ， 它是利用反射波在不均 匀地质体中传播时的运动学 、 动力学特性 ， 来预测预 报巷道掘 进前方 地质情 况 ， 从而 指导 巷道 安全 掘 进 j 。在隧道工程领域 ， 运用地震波反射原理 的地 震超前预测技术包括 T S P隧道地震超前预报技 术 T u n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n 、 T R T真 反射层 析成 像技术 T r u e R e fl e c t i o n T o mo g r a p h y 、 T S T隧道地震 C T成像技 术 T u n n e l S e i s mi c T o mo g r a p h y 、 T G P隧 道 地震 波 预 报技 术 T u n n e l G e o l o g y P r e d i c t i o n 、 T S WD随钻 隧道 地 震技 术 T u n n e l S e i s mi c Wh i l e D r i l l i n g 等 ； 这些技术代表 了不 同研究阶段 的技术 成果及特点 ， 并在工程 中得到应用 ； 但都避免不 了受地下空间的限制 、 近源地震波场的干扰。对 比 多波波场分离及地质异常体偏移 归位方法后 ， 笔者 提出不受空间影响的动态极化偏移成像技术 ， 并通 收稿日期 2 0 1 4 - 0 7 1 4 ； 责任编辑 曾康生D O I 1 0 ． 1 3 1 9 9 ／ j ． c n k i ． c s t ． 2 0 1 5 ． O 1 ． 0 2 4 基金项 目 国家 自然科 学基金 委员会 与神华集 团有 限责任公司联合资助项 目 U1 2 6 1 2 0 2 作者简介 刘盛 东 1 9 6 2 一 ， 男 ， 安徽 安厌人 ， 教授 ， 硕士 ， 博士生导师。E m a i l l i u s h e n g d o n g 1 2 6 ． c o i n 引用格式 刘盛东 ， 余森林 ， 王勃 ， 等． 矿井巷道地震反射波超前探 测波场处理方法研究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 5， 4 3 1 1 0 0 1 0 3 ． L I U s h e n g d o n g， YU S e n l i n， W ANG Bo ， e t a 1 ． S t u d y o n p r o c e s s i n gme t h o d o f s e i s mic r e fle c t i o nwa v efie l df o r a d v a n c e d d e t e c t i o n o fmi n e g a t e wa y [ J ] C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 5 ， 4 3 1 1 0 0 1 0 3 ． 1 O 0 2 0 1 5 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 3 卷 震波视速度无关， 可单道运算 ， 不依赖同向轴 。但在 进行三维数值协方差矩阵求解特征值 、 特征 向量及 设置滤波函数过程中， 通常在 XY Z坐标系下设置 了 、Y 、 Z分量及 P、 S H、 S V波对应关 系， 未考虑各接 收点动态质点偏振主极化方向与地震波传播方向的 对应关系， 在缓倾角异常界面超前探测时纵 、 横波不 能有效分离。 2 偏移成像 技术 偏移成像方法可以分为射线 、 波动方程偏移 ， 其 中射线偏移主要包括叠前绕射偏移 ， 该方法 以惠更 斯原理为基础； 波动方程偏移主要包括 K i r c h h o ff积 分偏移方法 、 逆时偏移方法等。目前 ， 逆时偏移计算 效率较低 ， 故巷道地震 勘探偏移成像主要采用叠前 绕射偏移技术 。设激发点 S坐标为 ， Y ， ， 接收点 R坐标为 ， Y ， ， 反射点 G坐标为 。 ， Y G ， G ， 相应 有 三 一 一 冬 一1 f 1 H _ 一 _ _ 1 f J 一4 z ； L 一4 lz ； L 4 式 1 表 示 以激发 点 S ， Y ， z 及接 收 点 R x ， Y ， 作为焦点的椭球面 ， 故三维椭球绕射偏 移定义了激发信号经反射点 G返 回接 收点遵循 椭 球轨迹关系， 如 图4所示 。 、 、 ／椭 球 等 时 1 、 ．f ， 一 一 一 一 一 - ． ， ， 一一 图 4 三维椭球绕射偏移 基于上述椭球理论 ， 对于某一炮检对 ， 通过射线 追踪出路径及旅行 时间 t ， 在对应地震记录道 中提 取 t 时刻振幅 A 并沿椭球轨迹放置； 针对井下多炮 检对 ， 多个椭球进行叠加求取公切面 ， 该面即为反射 异常体界面位置。在二维情况下 ， 通过多个椭 圆公 切线描述巷道前方构造形态 。 3 动态极化偏移成像技术 动态极化偏移成像技术从三分量地震信号的实 时偏振分析出发 ， 基于面波与体波极化程度差异 、 同 一 传播路径上纵横波质点振动方 向正交差异、 转换 波与同类波速度差异 ， 结合相干叠加及绕射偏移原 l 02 理 ， 提出一种全空间条件下集波场分离 、 偏移成像于 一 体的成像技术方法。具体极化成像思路如下 极化偏移原理如 图 5所示 ， 在巷道超前探测过 程中， 井下全空间 方向指向掘进工作面 ， Y方 向指 向巷道左帮 ， z方向指向巷道顶板 ； 首先对巷道前方 空间进行 网格划分 ， 黑色点为空 间网格 中假设的某 反射点； 掘进工作 面后方 同侧布置若 干激发点及 2 个接收点 均为三分量接收 。假设传播时间用 t 表 示 ， 传播路径如图 5中方 向射线所示 ； 在空问坐标系 下， 入射路径为 ， 传播时间为 t ； 反射路径为 ， 传播时间为 t ； 其 中 及 ￡ 射线路径在均 匀空间 可 由激发点 、 反射点 、 接收点之间空间坐标求 取 ， 在 非均匀空间可由射线追踪拟合 曲线计算 。 Z D 图 5极 化 偏 移 原 理 根据激发点 、 反射点 、 接收点的空问位置及空间 速度参数 ， 基于射线追踪技术 ， 可计算总时间 t 以 t 为起点给定一时窗 ， 通过时窗内接收的三分 量振幅信息 图 6 ， 基于数学统计手段 ， 计算 时窗 内 接收点处 质点 空间振动方 向 及质点极 化程度 。 利用质点振动 L 方 向与反射路径 L 射线方 向， 计 算 出空间夹角 0 ； 基于纵横波夹角 0差异 ， 结合波 的 极化程度及相干值设 置极化滤波调制 函数 ， 实时设 置滤波器 ， 实现动态极化滤波 ； 然后将动态滤波运算 融合到叠前偏移中， 以实现准确偏移成像。 图 6 质 点振 动方 向 4 工程应用 某矿 2 1 煤试采区位于矿井 田西部 ， 区内断层发 育 ， 采 区煤层顶底板均有 灰岩存在 ， 其 中 2 1 煤下部 为奥陶系灰岩含水层 ， 属 于具有突水威胁的间接充 刘盛东等 矿井巷道地震反射波超前探测波场处理方法研究 2 0 1 5 年第 1 期 水含水层 ， 断层破碎带等地质构造为地下水的赋存 、 运移提供了良好的空间。为确保 2 l 煤试采 区回风 巷的安全掘进 ， 采用地震反射波超前探测技术对掘 进巷道前方地层进行连续追踪探测 ， 以及 时查 明巷 道前方断层情况。图 7 a 、 图 7 b为实测数据提取反 射横波分别用 2种偏移成像方法得到的结果 ， 图 7 c 为验证的实测剖面图。对 比可见 动态极化偏移成 像方法 比叠前绕射偏移方法成像收敛 ， 异常界面少 ， 具有更高的空间分辨率 ； 另外 ， 叠前绕射偏移结果存 在对称异常假象 ， 无法进行异常界面产状描述 ， 而动 态极化偏移结果指示的 R l 、 R 2 、 R 3三个异常界面探 测倾 向与揭露资料 吻合 。 1 00 悟匣 5 0 0 5 0 1 0 0 g ＼ 拯 臣 捌 粕 量 ＼ {遁 竖 0 O 5 0 0 5 0 0 0 2 7 0 巷道掘进 前方距 离 ／ m 0 5 0 1 O 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 。 ≥ 巷道、 、 T J ／ r a 叠前绕射偏移结果 巷道掘进 前方距离 ／ m 0 5 0 1 0 0 I 5 0 2 0 0 2 5 0 一 7 { 巷 道 、 、 R IJ ／_R2 ／ ／ ， | b 动态极化偏移结果 “ i ll 缓 j 缓 多 掘进方 向 ， 0 m L1 2灰 2 9 0 5 结 c 实测剖面 图 图7 2种偏 移方 法成像效果对 比 语 以巷道三分量地震信号为基础 ， 进行实时偏振 分析 ， 基于地震波极化参数差异 ， 结合 r p滤波 、 F K域滤波进行巷道前方反射地震波场分离与特征波 场提取 ， 采用动态极化偏移成像技术 ， 可在巷道有限 空间条件下消除了对称异常假象 ； 同时 ， 在偏移归位 过程中完成了有效波与干扰波的波场分离 ， 解决 了 巷道近场探测复杂波场多异 常界 面问题 ， 有效提高 了空间分辨率及探测精度 。 参考文献 [ 1 ] 刘盛东 ， 张平松． 地 下工程震 波探测技 术 [ M] ． 徐州 中国矿业 大学出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] 张平松 ， 吴健生． 中国隧道及井巷 地震波法 超前探测技 术研究 分析 [ J ] ． 地球科学进展 ， 2 0 0 6， 2 1 1 0 1 0 3 3 -1 0 3 8 ． [ 3 ] E s s e n K， B o h l e n T， F fi e d e fi e h W． Mo d e l l i n g o f r a y l e i g h t y p e s e a m wa v e s i n d i s t u r b e d c o a l s e a ms a n d a r o u n d a c o al mi n e r o a d wa y ． Ge o p h y s i c a l J o u r n a l I n t e r n a t i o n al， 2 0 0 7 ， 1 7 0 2 5 1 卜 5 2 6 ． [ 4 ] As h i d a Y． S e i s m i c ima g i n g a h e a d o f a t u n n e l f a c e w i t h t h r e e c o m p o n e n t g e o p h o n e s [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f R o c k Me c h a n i c s a n d Mi n i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 1 ， 3 8 6 8 2 3 8 3 1 ． [ 5 ] Ha n s o n D R， V and e r g r i f t T L， D e Ma r c o M J ． A d v a n c e d t e c h n i q u e s i n s i t e c h a r a c t e riz a t i o n a n d mi n i n g h a z a r d d e t e c t i o n f o r t h e u n d e r - g r o u n d c o a l i n d u s t r y[ J] ． I n t e rna t i o n a l j o u rnal o f c o al g e o l o g y ， 2 0 0 2 ， 5 0 1 2 7 5 3 0 1 ． [ 6 ] P r a e g D ． S e i s m i c i m a g i n g o f m i d P l e i s t o c e n e t u n n e l v a l l e y s i n t h e No r t h S e a B a s i n h i g h r e s o l u t i o n f r o m l o w f r e q u e n c i e s [ J ] ． J o u r n al o f A p p l i e d G e o p h y s i c s ， 2 0 0 3 ， 5 3 4 2 7 3 2 9 8 ． [ 7 ] 周治国． 隧道工程超前地质预报技术研究 [ D ] ． 上海 同济大 学 ， 2 0 0 4 ． [ 8 ] L t i t h S， Gi e s e R， O t t o P， K r t i g e r K． S e i s mi c i n v e s t i g a t i o n s o f t h e P i - o r a Ba s i n u s i n g S - wa v e c o n v e r s i o n s a t t h e t u n n e l f a c e o f t h e Pi o r a a d i t G o t t h a r d B a s e T u n n e 1 [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f R o c k M e c h a n i c s and Mi n i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 8 ， 4 5 1 8 6 9 3 ． [ 9 ] 王齐仁． 隧道地 质灾 害超前探 测方法研 究 [ D] ． 长 沙 中南 大 学 ， 2 0 0 8 ． [ 1 0 ] T z a v a r a s J ， B u s k e S ， G r o B K． T h r e e d i me n s i o n a l s e i s m i c i m a g i n g o f t u n n e l s 『 J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n al o f R o c k Me c h a n i c s a n d Mi n ． i n g S c i e n c e s ， 2 01 2， 4 9 1 2 2 0 ． [ 1 1 ] 王勃． 矿井地震全空间极化偏移成像技术研究 [ D ] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 1 2 ． 上接第 9 9页 [ 4 ] 于景邮． 矿 井瞬变 电磁法 勘探 [ M] ． 徐 州 中国矿业 大学 出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 刘盛东 ， 刘静 ， 岳建华 ． 中国矿井物探 技术发展现状和关键 问 题 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 4， 3 9 1 1 9 2 5 ． [ 6 ] T s i l i Wa n g ， G e r a l d W H o h m a n n ． A f i n i t e - d i f f e r e n c e t i m e d o m a i n s o l u t i o n for t h r e e d i m e n s i o n al e l e c t r o ma g n e t i c mo d e l i n g [ J ] ． G e o p h y s i c s ， 1 9 9 3 ， 5 8 6 7 9 7 8 0 9 ． [ 7 ] T s i l i Wa n g ， A l a n C T r i p p ． F D T D s i m u l a t i o n o f E M w a v e p r o p a g a - t i o n i n 3 - D m e d i a [ J ] ． G e o p h y s i c s ， 1 9 9 6 ， 6 1 1 l 1 0 1 2 0 ． [ 8 ] 李建慧 ， 胡祥云 ， 曾思红 ， 等． 基于电场 H e l m h o h z 方程的回线源 瞬变 电磁法三维正演[ J ] ． 地球物理学报 ， 2 0 1 3 ， 5 6 1 2 4 2 5 6 4 2 6 7 ． [ 9 ] 闫述 ， 陈明生 ， 傅君眉． 瞬变 电磁场的直接时域数值分析 [ J ] ． 地球物理学报 ， 2 0 0 2， 4 5 2 2 7 5 - 2 8 2 ． [ 1 0 ] 蒋宗霖 ， 于景鄙 ， 孙伟 涛． 矿井瞬 变电磁法低 阻体的全 空间响 应影响研究[ J ] ． 煤炭科 学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 8 1 0 7 -l 1 O ． [ 1 1 ] 姜志海． 巷道掘进工作面瞬变 电磁超前探测 机理与技 术研究 [ D] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 0 8 ． [ 1 2 ] 杨海燕 ， 岳建华 ． 巷道影响下三维全空间瞬变电磁法 响应特征 [ J ] ． 吉林大学学报 地球科 学版 ， 2 0 0 8 ， 3 8 1 1 2 9 1 3 4 ． 1 0 3