趙紅利，張萬(wàn)鵬，姚小帥

（河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南鄭州450000）

槽波是地震波的一種，槽波勘探是利用在煤層中激發(fā)、形成和傳播的槽波所攜帶的地質(zhì)信息來(lái)探查測(cè)區(qū)內(nèi)的煤層厚度變化、矸石層分布、斷層、陷落柱和老窯等各種異常體的一種新的地球物理勘探方法。

在煤系地層中，煤層與圍巖相比具有密度小、震波速度低的特點(diǎn)；煤層頂?shù)装宕蠖嗍巧皫r、泥巖或灰?guī)r，其密度較大，地震波速度較高。在地質(zhì)剖面中，煤層是一個(gè)典型的低速夾層，在物理上構(gòu)成一個(gè)“波導(dǎo)”區(qū)間[1]。因此，煤層與頂?shù)装鍘r層界面均為高波阻抗。煤層中激發(fā)的體波的部分能量由于頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層及其鄰近的巖石中，不向圍巖輻射，在煤層中相互疊加、干涉，形成槽波（圖1）。

圖1 槽波形成示意圖

1 透射法槽波勘探

1.1 勘探方法

透射法槽波勘探是將震源和接收單元分別布置在不同巷道內(nèi)。在一條巷道內(nèi)放炮激發(fā)，在另一條巷道內(nèi)接收穿過(guò)測(cè)區(qū)的透射槽波，并計(jì)算震源與接收排列之間地震射線所覆蓋的區(qū)域內(nèi)的槽波速度分布和槽波傳播質(zhì)量等多項(xiàng)參數(shù)，來(lái)確定測(cè)區(qū)的煤層厚度變化、矸石層分布、斷層以及陷落柱和老窯等各種異常體的位置和規(guī)模。

1.2 數(shù)據(jù)處理

槽波資料的數(shù)字處理是用計(jì)算機(jī)對(duì)勘探所采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行以壓制干擾、提高信噪比和分辨率、提取槽波參數(shù)等為目的的一系列數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)，能夠提供槽波速度、能量及頻率等地震參數(shù)，用于煤厚、煤層中地質(zhì)異常體的解釋工作。

透射法槽波數(shù)據(jù)處理是利用透射槽波的速度、能量及頻率等參數(shù)來(lái)反映煤層中的斷層、陷落柱、采空區(qū)和煤層厚度及其變化等地質(zhì)信息。數(shù)據(jù)處理過(guò)程大致分為槽波參數(shù)的提取和層析成像兩個(gè)部分[2]。

2 工程實(shí)例

本次以貴州省安順煤礦9304回采工作面勘探工程為例，對(duì)采區(qū)進(jìn)行“透射掃描”，繪制槽波質(zhì)量圖、速度圖，根據(jù)槽波速度與煤厚的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與回采揭露煤厚信息相擬合，將速度圖轉(zhuǎn)變?yōu)槊汉穹植紙D；再根據(jù)縱波和槽波的速度場(chǎng)、質(zhì)量場(chǎng)變化特征，預(yù)測(cè)斷層在煤層中的展布情況。

2.1 數(shù)據(jù)辨識(shí)與預(yù)處理

共采集地震道2432道，整體數(shù)據(jù)質(zhì)量略差。得到的炮點(diǎn)道集原始地震槽波記錄中，a和b類(lèi)是本次數(shù)據(jù)中槽波質(zhì)量較好的炮集代表，可清晰辨識(shí)出槽波埃里震相（黑線所示部分），這類(lèi)炮集占比少，主要集中在測(cè)區(qū)外段；c類(lèi)代表測(cè)區(qū)中槽波質(zhì)量差的炮集記錄，僅少量道數(shù)有較明顯的槽波震相，這類(lèi)炮集占比約60%，不利于槽波數(shù)據(jù)的處理和分析；d類(lèi)代表測(cè)區(qū)中一般炮集，剖面中無(wú)明顯的槽波震相，里段測(cè)區(qū)槽波數(shù)據(jù)中這類(lèi)炮集占絕大多數(shù)，整體數(shù)據(jù)質(zhì)量差（圖2）。

圖2 不同質(zhì)量槽波的炮集記錄

2.2 頻散分析

頻散特征里攜帶有煤厚、夾矸、構(gòu)造和圍巖等地質(zhì)信息，對(duì)頻散進(jìn)行分析，可以研究采煤回采面的薄煤帶、斷層等。頻散分析的方法很多，SPW使用了Gabor變換來(lái)提取槽波信號(hào)的頻散曲線。Gabor變換又稱(chēng)為窗口Fourier變換或者短時(shí)Fourier變換，它把地震信號(hào)劃分成許多小的時(shí)間間隔，采用傅里葉變換分析每一個(gè)時(shí)間間隔并確定信號(hào)在該時(shí)間間隔存在的頻率，得到不同槽波的頻散曲線特征圖（圖3）。

圖3 不同質(zhì)量槽波的頻散曲線圖特征

2.3 旅行時(shí)拾取與有效測(cè)區(qū)圈定

旅行時(shí)拾取關(guān)鍵點(diǎn)是選定適宜的頻率，在煤層厚度探測(cè)中，140~200Hz頻率對(duì)煤厚小于2m區(qū)域分辨能力較強(qiáng)，100~140Hz頻率對(duì)2~6m的煤厚分辨能力較好。頻率的選定也要綜合考慮煤層的平均厚度、變異系數(shù)以及需要解決的主要地質(zhì)問(wèn)題等因素，只有選取了適宜的頻率來(lái)拾取旅行時(shí)，才能得到較好的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。此外，在旅行時(shí)拾取時(shí)，槽波實(shí)測(cè)頻散曲線常存在連續(xù)性差、分辨困難情況，對(duì)于這類(lèi)頻散曲線，要結(jié)合相鄰道的槽波拾取速度及地質(zhì)資料等合理拾取。

本次數(shù)據(jù)的主頻較高，經(jīng)分析實(shí)測(cè)頻散曲線，選定了150Hz為適宜頻率。該次數(shù)據(jù)整體質(zhì)量較差，可辨識(shí)的頻散曲線較少，在2432道數(shù)據(jù)中，拾取了有效的槽波射線379道，占比約15.6%，有效射線分布相對(duì)均勻。根據(jù)有效槽波射線的分布情況，將射線密集、射線交叉點(diǎn)多的區(qū)域，劃定為本次勘探速度解譯的“有效測(cè)區(qū)”，射線稀疏、交叉點(diǎn)少的區(qū)域認(rèn)定為“參考測(cè)區(qū)”。

2.4 層析成像

層析成像利用不同方向投射穿過(guò)物體且攜帶物體內(nèi)部信息的物理信號(hào)，輔以計(jì)算機(jī)反演技術(shù)，對(duì)物體內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維或三維成像。槽波速度層析成像就是對(duì)透射槽波的速度參數(shù)進(jìn)行層析成像，來(lái)重構(gòu)煤層的槽波速度場(chǎng)分布[3-5]。層析成像的處理流程包含預(yù)處理、加載初始模型、反演算法選擇、平滑處理、生成TomCat計(jì)算文件、Surfer成圖等。大致可分為反演計(jì)算和成圖兩部分。

2.4.1 TomCat反演計(jì)算

TomCat是一款用于層析成像的軟件系統(tǒng)，此軟件運(yùn)用直線重構(gòu)模型對(duì)槽波速度參數(shù)進(jìn)行層析成像的反演計(jì)算。槽波在煤層中傳播時(shí)，槽波射線的走時(shí)是速度V（x,y）和集合路徑的函數(shù)，對(duì)于第i條射線，若射線的走時(shí)為ti，則有下列積分公式：

式中：V（x,y）——速度分布函數(shù)；

Ri——第i條射線路徑；

A（x,y）——慢度分布函數(shù)。

將成像區(qū)離散成若干個(gè)規(guī)則的網(wǎng)格單位，則積分式可化為離散的線性方程組為：

式中：ti— —第i條射線的走時(shí)；

dij——第i條射線穿過(guò)第j個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度；

xj——第j個(gè)網(wǎng)格的慢度；

M——射線數(shù)；

N——網(wǎng)格數(shù)。

將方程（2）轉(zhuǎn)變成矩陣形式：

式中：[T]——M維列向量；

[X]——N維未知列向量；

[D]——M×N階矩陣。此即為T(mén)omCat直線重構(gòu)模型進(jìn)行層析成像的基本反演數(shù)學(xué)原理。TomCat進(jìn)行反演處理的計(jì)算方法有聯(lián)合迭代重建算法（SIRT）和直射線代數(shù)重建算法（ART）。兩種算法結(jié)果較為接近，在成像處理程序中，重點(diǎn)要考慮的是成像波速數(shù)值區(qū)間的約束和成像網(wǎng)格的劃分，這兩項(xiàng)參數(shù)的選擇對(duì)于層析成像結(jié)果中槽波速度異常區(qū)的范圍和形態(tài)存在一定影響。

2.4.2 Surfer成圖

利用Surfer的插值功能和繪圖能力，將TomCat計(jì)算得到離散的速度數(shù)據(jù)繪制成等值線圖，獲得9304回采面150Hz槽波速度分布圖。利用槽波速度等值線成果圖，結(jié)合有關(guān)地質(zhì)信息，便可對(duì)測(cè)區(qū)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解譯。

3 槽波資料解譯

3.1 速度場(chǎng)解析

槽波頻散在煤層厚度變化時(shí)影響較為敏感，隨煤厚增加，Love波主頻段向低頻方向偏移，對(duì)應(yīng)于同一頻率的波速降低。在選定頻率條件下，煤層厚度與槽波傳播速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是槽波波速隨煤層厚度的減小而增加。

槽波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)流程解析，得到150Hz頻率下的槽波速度等值線圖（圖4），顯示測(cè)區(qū)中間及外部的槽波速度相對(duì)稍高，大于2100m/s，其他淺色系區(qū)域槽波速度稍低，處于2100~1800m/s之間。

圖4 槽波速度分布圖（150Hz）

本測(cè)區(qū)槽波速度變化較小，分布相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明區(qū)內(nèi)煤厚整體變化不大，屬穩(wěn)定煤層，僅在局部區(qū)域略有薄化。根據(jù)煤厚與槽波速度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，結(jié)合回采面揭露煤厚信息，分析認(rèn)為槽波速度大于2100m/s的區(qū)域可能為煤層相對(duì)薄化區(qū)，經(jīng)綜合地質(zhì)分析，認(rèn)定兩個(gè)煤厚約1.5m的相對(duì)薄煤區(qū)。其中一處位于停采線附近，一處位于停采線以里400~500m范圍，兩個(gè)薄煤區(qū)均呈團(tuán)塊狀。

3.2 能量場(chǎng)解析

透射法勘探主要利用的是接收到的Love型槽波來(lái)解譯地質(zhì)信息，當(dāng)煤層賦存穩(wěn)定、圍巖完整且波阻抗較大時(shí)，槽波的埃里震相較清晰、頻散曲線較連續(xù)、槽波質(zhì)量較好；當(dāng)煤層中存在構(gòu)造、煤巖層破碎等異常因素時(shí)，沒(méi)有槽波或埃里震相及頻散曲線被干擾，難以辨認(rèn)，槽波質(zhì)量較差。根據(jù)上述邏輯，辨析透射槽波的質(zhì)量，將質(zhì)量好的射線繪制在平面圖上，采用射線交匯的方法繪制槽波質(zhì)量分布圖（圖5），將測(cè)區(qū)劃分為“有效測(cè)區(qū)”（深色區(qū)）和“參考測(cè)區(qū)”（淺色區(qū)）。測(cè)區(qū)的深色區(qū)域射線分布密集，成果可靠程度高；淺色區(qū)域沒(méi)有或較少槽波射線穿過(guò)，表明此區(qū)槽波信號(hào)差，分析可能此區(qū)域可能存在構(gòu)造、破碎帶等不良地質(zhì)體的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖5 透射槽波質(zhì)量分區(qū)圖

3.3 縱波場(chǎng)分析

縱波傳播過(guò)程中遇到構(gòu)造、破碎帶等因素時(shí)，速度會(huì)降低，遇到應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，速度會(huì)提高[6-8]。利用SUMMIT數(shù)據(jù)中的縱波數(shù)據(jù)，有助于解譯工作面斷層、破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)等地質(zhì)異常體[9-12]。采集的數(shù)據(jù)中不僅包含槽波，還包含縱波、橫波等，其經(jīng)零點(diǎn)校正、濾波、增益等預(yù)處理后，除了少數(shù)地震道信號(hào)受環(huán)境噪聲干擾，縱波初至難以辨識(shí)外，絕大分部地震道信號(hào)的縱波震相清晰，拾取占比約91%?？v波初至經(jīng)CT層析成像得到縱波速度分布（圖6），圖中黑色區(qū)域的縱波波速大于5600m/s，灰色區(qū)域的波速小于5600m/s，淺色區(qū)域波速為4600~5600m/s。整體看，測(cè)區(qū)縱波速度偏高，僅局部灰色區(qū)域波速較低。

圖6 縱波速度分布圖

4 結(jié)論

據(jù)縱波高、低速分布特征，綜合地質(zhì)資料進(jìn)行分析，認(rèn)為區(qū)內(nèi)存在3個(gè)波速異常區(qū)，并對(duì)測(cè)區(qū)里段多條斷層在區(qū)內(nèi)的延展情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。其中，兩個(gè)黑色區(qū)域?yàn)榭v波高速異常區(qū)（圖6），可能為局部相對(duì)高地應(yīng)力所致；灰色區(qū)為縱波低速區(qū)，可能為煤巖層破碎或構(gòu)造所致。DF1是根據(jù)縱波低速區(qū)預(yù)測(cè)的F9302下-3斷層在工作面內(nèi)的延展部分，延展長(zhǎng)度約40m；DF2是根據(jù)縱波速度成果預(yù)測(cè)的隱伏斷層，延展長(zhǎng)度約60m；DF3是根據(jù)縱波成果預(yù)測(cè)的F9304下-4向工作面內(nèi)的延展部分，延展長(zhǎng)度約40m；F9302下-2斷層預(yù)較快尖滅，且與F9304下-4不屬于同一條斷層（圖7）。

圖7 測(cè)區(qū)斷層預(yù)測(cè)示意

經(jīng)回采驗(yàn)證后，實(shí)際情況與預(yù)測(cè)結(jié)果吻合，透射法槽波勘探能夠精準(zhǔn)的解譯出煤層的厚度變化情況，并根據(jù)煤厚變化來(lái)推斷區(qū)內(nèi)地質(zhì)變化。因此，能夠探測(cè)區(qū)內(nèi)一定規(guī)模（經(jīng)多次工程總結(jié)，一般為落差大于煤層厚度的二分之一）斷層的位置與走向，但無(wú)法探出斷層的落差大小。