第三讲槽波地震勘探

第三讲
槽波地震勘探
主讲人：杨双安
河南理工大学资环学院
一、 引言 二、 槽波 1. 槽波的形成 2. 井下槽波勘探中记录到的地震波 3. 勒夫波频散分析和速度成像 三、 槽波勘探方法与应用实例 1. 槽波勘探方法 2. 透射法勘探实例 3. 反射法勘探实例 4. 透射/反射法联合勘探实例 四、 槽波地震仪 1. Summit Ⅱ Ex防爆槽波地震仪 2. Summit Ⅱ Ex主要技术指标 3. Summit Ⅱ Ex主要特点
6）透射法探测断层破碎带和剥蚀带及采后验证结果
图15 断层破碎带和剥蚀带探测及验证结果
左图是400Hz勒夫波速度成像，可见明显的分 成两部分：右半部低速，没有明显速度差；左 半部高速，速度差大；两者分界线是速度梯度 带，是断层破碎带的反映。左侧的高速体（红 色）是煤层剥蚀带。右图是采后地质图，可见 断层破碎带正好与左图中的速度梯度带一致， 剥蚀带正好与左图中的高速体（红色）一致。 表明，透射槽波探测结果与采后地质图一致。
3.反射法勘探实例
反射法主要应用瑞利波震相探测煤层内的大、 小断层，岩浆侵入体和岩墙等反射异常体。探 测距离是煤层厚度的100倍。
1）反射法探测单一断层
图17 反射法探测单一断层实例
从图17的反射地震剖面可见，瑞利波的反射震 相非常清楚，其到时从120ms延至440ms，是断 层的确切标志。该断层与巷道大致呈30 °斜交。
四.槽波地震勘探应用实例
1.透射法勘探应用实例
1）透射法探测断层
图 10 透射法勘探单炮记录
从图10上图可见，当位于断层左侧的炮点14激 发时，各数据采集站均可收到直达P波，而位 于断层左侧的采集站1-11仅能接收到瑞利波， 但位于断层右侧各采集站由于断层的阻挡收不 到瑞利波。 从图10下图可见，而当位于断层右 侧炮点12激发时，各采集站均可收到直达P波， 而位于断层右侧的采集站12-20可以接收到瑞利 波，但位于断层左侧的接收站1-11由于断层阻 挡收不到瑞利波。所以在透射法勘探中可根据 对瑞利波的追踪，确定断层的存在和位臵。
五、 井下槽波勘探过程 1. 勘探方案设计 2. 施工前准备 3. 施工布臵 4. 施工 六、 河南义马煤业集团槽波地震勘探 1. 仪器组成 2. 现场验收 3. 义安煤矿11061工作面槽波勘探成果
一、前言
众所周知，地面地震勘探方法是物探方法中分辨 率最高，最精确的勘探手段，也是煤田勘探中普 遍应用的方法。槽波地震勘探法是在井下煤层开 采工作面内进行的，地震测线接受点和激发点 （炮点）沿煤巷布设，直接探测煤层内地质构造 或其他地质异常体，并且槽波（面波）对异常体 又非常敏感，槽波数据解释又有巷道已知地质资 料为依据，所以槽波地震勘探是最有效、最精确、 分辨率最高的井下地震勘探方法。 对槽波地震勘探而言，其优点是没有地表地形起 伏变化的影响，没有表层及浅层（基岩、风化岩、 湖泊、黄土及坡积物等岩性变化）激发和接受层 位不一致带来的信号能量及频率差异。
三、槽波地震勘探方法
槽波勘探方法分为透射槽波勘探法、反射槽波勘 探法和透射/反射联合勘探法。
1. 透射槽波勘探法
激发点（炮点）布臵在工作面的一个巷道内，数 据采集站布臵在工作面的 另一个巷道和切口内， 接收来自炮点激发的地震透射波信息。主要用于 探测煤层的地质结构和内部异常，包括煤层厚度 变化，夹矸石分布，大、小断层，陷落柱，剥蚀 带 ，古河床冲刷，岩墙，老窑等，在某些情况 下评估煤层地压相对大小和高瓦斯带，最终给出 开采安全性评估。透射法的探测距离是煤层厚度 的300倍。
2. 井下槽波勘探中记录到的地震波
煤层内激发的地震波除图1所示在顶、底板形成透射、 反射、全反射和折射之外，还有直达波（直达P波和直 达S波）。所以井下槽波勘探中记录到的地震波有： 直达P波和直达S波（体波） 勒夫波（L）和瑞利波R（面波），统称为槽波
图2 井下槽波勘探记录到的地震波形（动校正后）
图3 井下槽波勘探记录到的原始地震数据
图3表示由X、Y双分量水平检波器在单炮情况下记录到 的透射槽波。从图3可见，有两套相似的地震信号，其 中一个是X分量信号（左侧），一个是Y分量信号（右 侧）。Y分量垂直巷道壁，X分量平行巷道壁。
图3记录的是未经动校正的单炮地震信号，共有 34个数据采集站和34个X分量检波器（1-34号） 及34个Y分量检波器（35-68号）。炮点距离第17 个数据采集站最近，也即距17号X分量检波器和 52号Y分量检波器最近，因此直达波到达第17个 数据采集站的时间最短，向两侧到时逐渐加长， 所以图3中的地震信号呈弧形分布。 从图3可见，最早到达的是直达P波，震相强，可 连续追踪；紧随其后的是直达S波，在X分量中振 幅很强，但向两侧减弱；最后到达的是瑞利波震 相，振幅强，速度最低；勒夫波震相位于直达S 波和瑞利波震相之间，振幅弱。
图8
透射法勘探原理
2.反射槽波勘探法
炮点与数据采集站布臵在同一巷道内，接收来 自工作面内的地震反射信号。主要用于探测煤 层内的各种大、小断层，侵入体和岩墙等能形 成反射体的地质异常。
图9
反射法勘探原理
3.透射/反射联合勘探法
若炮点位于通风巷道内，则数据采集站同时布 臵在通风巷道和运输巷道内。通风巷道内的数 据采集站接收反射波信号，运输巷道内的数据 采集站接收透射波信号。
7）透射法探测煤层冲刷带
图16 煤层冲刷带探测（勒夫波240Hz速度成像）
探测区由上煤层O（黑色），下煤层N（黑色）， 岩石层 （白色）和夹矸煤层（黑白相间）组成， 总厚412cm（见柱状图）。在相邻的三个工作 面内进行了槽波探测，发现在工作面中部偏右 存在一个相互连接的、高速带状异常，在此异 常带上煤层O已被剥蚀殆尽，所以高速异常带 是煤层冲刷带的反映。
速 度 （m/s）
夹矸层厚度（0-200cm）
在给定的频率下对勒夫波进行频散分析后，便 可计算在该频率下工作面内各网格点的勒夫波 速度值和勒夫波速度成像结果（图7 某工作面 的勒夫波速度成像图（250Hz） ）。勒夫波速 度成像图是煤层厚度变化和煤层内部各种地质 异常体的综合反映，是透射法槽波勘探结果地 质解释的主要依据。
3.槽波地震勘探波场分析
最早到达的直达P波和S波在槽波勘探中很少应 用。 最后到达的瑞利波以峰值形式出现在波列的末 端，频率高，震相清晰，主要用于反射法槽波 勘探。 勒夫波出现在直达S波和瑞利波之间，在单炮 情况下其相位没有直达P波和瑞利波震相清晰， 但在多炮点覆盖、叠加情况下其相位将明显改 善。勒夫波主要用于透射法槽波勘探。
3）透射法勘探煤层厚度变化原因
图12 探测煤层厚度变化（勒夫波250Hz时速度成像）
图12是另一个煤矿工作面的透射槽波勘探结果，工 作面中部为一宽缓的高速区，最大波速达1700m/s。 该高速区是底板隆起并导致煤层减薄。
4）透射法勘探夹矸石厚度
图13 透射法探测夹矸石厚度（勒夫波250Hz时速度成像）
1. 槽波形成
当在煤层中激发一个震动时，便会产生地震波，包括P波和 S波。这个地震波向四周扩散，传播。由于煤层的波速明显低 于顶板和底板的波速，当震源产生的地震波传播到煤层顶板 和底板界面时将会被全部反射和折射回煤层内部，相互混响、 叠加形成槽波。如图1所示。
上图描述的槽波形成过程是：煤层内炮点产生的地震 波，向顶、底板传播：在A区由于地震波的入射角小于 临界角，所以一部分能量透过顶、底板向围岩中泄露， 而另一部分能量反射回煤层内部，A区称为泄露区。 在B区和C区入射角大于临界角，地震波在顶、底板界 面上被全反射和全折射回煤层之中，这些反射和折射 回煤层之中地震波，在C区内相互叠加混响形成槽波。 由于槽波是由不同类型和频率的地震波叠加而成，所 以槽波的传播速度是频率的函数，槽波是频散波。 由 于槽波被限制在煤层之中，所以在煤层中能传播很远， 但槽波与煤层厚度有关，煤层越薄，槽波频率越高， 传播距离越短。
4.勒夫波频散分析和速度成像
透射法槽波地震勘探主要建立在勒夫波频散分 析和不同频率的勒夫波速度成像基础之上，在 同一频率下的勒夫波波速与煤层厚度和结构有 关，因此勒夫波的频散特征能反映煤层内部的 很多信息。 图4是勒夫波的频散分析实例，它给出了在煤层 厚度变化不大的情况下勒夫波的频散分布差异。 勒夫波频率范围很宽，在煤厚1.00m情况下， 勒夫波能量主要分布在850-1000Hz之间（图 4a），在煤厚1.30m情况下主要分布在5501050Hz之间（图4b）。
巷道地质图揭示，在该工作面的通风巷道中部有很厚的夹矸石 分布，与波速值高达1800m/s的位臵相当。向左上角的运输巷道 方向速度值逐渐降低，夹矸石逐渐变薄、消失。根据巷道地质 图揭示的夹矸石厚度，可将图13转换成矸石层厚度分布图。
5）采后验证结果
图14 夹矸石分布的验证结果
图14是采后的夹矸石实际厚度变化图，是对图13 的验证。可见夹矸石最厚处达2m以上，向外逐渐 减薄至1m，向左上角方向逐渐消失。这与图13的 探测结果一致。
图4 不同煤层厚度的勒夫波频散曲线及能量分布
图5是在单煤层情况下勒夫波频散与煤层厚度的关系， 可见曲线陡度主要与频率有关，若所选择的分析频率 位于曲线的最陡部分，则煤层变化所引起的勒夫波速 度变化最明显，也即探测精度越高 。
速 度 （m/s）
单煤层厚度
图5 勒夫波频散与煤层厚度的关系

图6是在夹矸石存在的情况下，勒夫波的频散曲线 分布，即勒夫波频散与夹矸石厚度的关系。可见， 勒夫波在中频段（160-380Hz）其波速对夹矸石厚 度变化最敏感，因此探测夹矸石厚度变化最好利 用此频段的勒夫波速度成像。
槽波又称之为导波或煤层波。槽波在煤层中激 发，通过同一煤层传播、衰减和反射，并在同 一煤层中被接收。由于煤的密度和弹性波传播 速度一般小于顶、底板的速度，所以在煤层内 激发的弹性波大部分能量不能向煤层外部传播， 总是在两个界面（煤层顶板和底板）之间反射 和混响，从而形成一种特殊的弹性地震波—— 槽波。 井下槽波勘探精度高，可发现尺寸1-2m或更小 的地质异常和断距为煤厚1/3的断层。槽波探测 距离大，透射槽波探测距离为煤厚的300倍；反 射槽波探测距离为煤厚的100倍。