矿井物探-7(槽波地震勘探)

7.1.2 槽波的形成
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
在煤层中可能同时 存在P波、SV波和 SH波。
煤层中的SH波由于质点振动平面垂直于P波、SV波质点振动平面，在煤－岩分界面上没 有波型转换，在煤层内只存在SH波与SH波的干涉模式。 对于P波与SV波，则由于质点振动在同一平面，且在煤－岩分界面上可以相互转换，干 涉模式要复杂得多。如图所示，在煤层内P波与SV波干涉示意图中，从点①、②发出的上行 P波，经上界面全反射的P波，与点②、③发出的上行S波，经上界面全反射的转换P波在同 一方向传播；同理，点③、④发出的P波，经上界面全反射的转换S波与④、⑤的上行S波经 上界面全反射的S波在同一方向传播。此后经下界面全反射，在点⑥的P波与S波只要考虑到 上下界面全反射相移、波长与煤厚关系适当，在煤层内将形成P－SV波的相长干涉。 这样可能有两类干涉振动，作为简正振型在煤层内传播。
播的瑞雷面波与洛夫面波的层间面波。但槽波与体波又有所不同，即：传播速
度低；仅在低速层及相邻近岩石的二维板状空间中传播；振幅随深度非均匀分 布；具有明显的频散特征。 第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.4 洛夫型槽波的基本方程
在岩石－煤－岩石剖面中，煤层是一个低速夹层。在煤层中激发的槽波，
生频散。激发的短促脉冲，由于频散随着传播距离的增大而“散开”，
逐渐形成变频的长波列。 频散使槽波在传播中相位与能量包络极大值的传播速度不同，或
者说相速度与群速度出现了明显的差异。
频散给ISS带来三个问题：1）不能精确估计波至时间；2）不同类 型、不同振型的槽波波列互相重叠、难于分开；3）波列散开，使振幅 减弱，降低了信噪比。
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.1 岩石－煤－岩石剖面特征
煤层总是以泥岩、粉砂岩、砂岩或偶尔还有灰岩作为顶底板或为围 岩，而赋存于它们中间。与围岩相比，煤层具有速度低、密度小的特点 （见下表）。由表可知，在岩石－煤岩石剖面中，以煤层为中心形成了 一个低速“槽”。煤与围岩密度、速度的比值约为1:1.5～3.0之间。煤 层上、下界面都是一个极强的波阻抗分界面。 岩 性 围 岩
(砂岩、粉沙岩、泥 岩、页岩、灰岩)
vP
，km/s
vs
，km/s
、g/cm3
3.0～4.8
1.6～2.8
2.4～2.8
煤
第7章 槽波地震勘探
1.8～2.4
0.9～1.4
1.3
§7.1 槽波的形成
地震波的基本类型
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.1 岩石－煤－岩石剖面特征
第7章 槽波地震勘探
相当于低速夹层中的导波。关于煤层中心面对称的地质模型，L波应满足如下 的周期方程：
d
cL
cL vS 2
2
2
2 2 1 cL vS1 1 1 arctan[ ] n 2 2 2 cL vS 2 1
。
n 0 , 1 , 2 ,
c L ——L波的相速度，且
v S 2 c L v S1
c
——波前沿煤—岩分界面传播的速度
第7章 槽波地震勘探
7.1.2 槽波的形成
由P波与SV波激发的槽 波——简振型及漏能振 型
当煤层中激发的体波以入射角小于临界角入射到煤－岩分解面时，尽管这 些界面都是反射系数的强反射面，在其界面上产生强的反射返回煤层，但同时 仍有相当多的能量，由于折射作用，以体波的形式向围岩辐射，因而，使这些 地震体波在煤层内来回反射的过程中，迅速衰减而消失，形成了所谓的“泄漏” 振型（图7-2a、b、c、e、f） 第7章 槽波地震勘探
（1）煤层厚度变化对L波频散特征影响十分明显（图7-11a）：随煤 厚2d 增大，L波所含主要频段与迅速向低频移动。由此来看， 可能中厚煤层比厚煤层更利用ISS应用。但是，煤厚的变化并不 影响UA。
（2）不论煤层或是围岩密度变化，对L波的频散特征影响不大（图 7-11b、c）。 （3）围岩与煤层速度差异越大，或者说围岩速度越高，煤层速度越 低，L波频散越强烈（图7-11d、e）。随着围岩速度增大，煤层 速度减小，埃里相 U 及 f 都向低频移，其中煤层厚度变化 A A 影响更大。
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.4 洛夫型槽波的基本方程
从周期方程可见，随着 n 的不同， L 波、 R 波都在理论上对应着一 族振型。 0 的频率最低，叫基阶振型； 0 n n 的都叫高阶振型。
因此只有当波长小于煤厚的条件下，谐波全反射相长干涉才出现
高阶振型。尽管高阶振型比基阶振型对煤层的形态与不均匀性更为敏 感，但由于激发的振动中低频分量占据优势，在传播过程中低频分量 衰减较慢，因此实际观测的槽波资料中，多以基阶振型为主。理论计 算也证明了基阶振型比高阶振型发育。
7.1.2 槽波的形成
当体波以入射角大于 临界角入射到煤－岩分 界面，即
c R v S1 ，
则由于全反射，地震体 波的能量被限制在煤层 及邻近岩石的一个薄层 中，不向围岩辐射而损 由P波与SV波激发的槽波——简振型及漏能振型
耗，形成了所谓的简正
振型（图7-2d、g、h)
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成 煤层上下界面的速度条件直接关系到槽波的形成。煤层S波速度 小于上、下围岩S波速度，煤层中的S波速度可能被煤层所制导，但要 区别不同极化的横波：垂直极化SV波入射到煤－岩分界面上，部分能 量转换成P波，如果P波不满足全反射条件，它将以透射P波的形式向 围岩辐射，因此它的能量不断“泄漏”，最后煤层内激发的P波与SV 波迅速消失；而SH波在煤－岩分界面上只要满足全反射条件，它在煤 层中不产生能量的漏失而相长干涉形成槽波。当煤层的横波与纵波速 度都小于上下围岩的横波速度时，不仅SH波而且SV波和P波都能产生 全反射被煤层有效制导。当SV波与P波都以大于临界角入射到煤－岩 分界面时，根据斯奈尔定律，P波入射时转换的SV波与SV波入射时形 成的反射SV波传播方向相同；SV波入射时转换的P波与P波入射时形成 的反射P波传播方向相同。从而P波与SV波具有干涉的可能。考虑到煤 层上下界面上全反射时产生的相移，一旦入射波波长（或频率）与入 射角的关系合适，P波与SV波就可能产生相长干涉形成槽波。 纵上所述，在煤层中可能存在不同的槽波。
于波传播方向上振动。
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。
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.3 槽波的类型
值得指出，在煤层中激发，似乎只形成P波，在界面上可转换为SV波，对 于R波及Cd波的形成最为有利。实际上由于震源的非球对称性，附近介质的非
均匀各向异性，结果P波、SV波与SH波几乎同时激发，因此既可能形成R波、Cd
第7章 槽波地震勘探
§7.2 槽波的性质
7.2.1 槽波的频散特性
结ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：
（4）若上、下围岩速度不对称，在煤层顶底界面上全反射时产生不 同相移，破坏了对称相长干涉，从而使振幅分别不对称，频散
特征也发生变化。L波的相速度是介于围岩S波速度的最小值与
煤层S波速度之间（7-11f）;它的振幅分布不对称，其不对称程 度随频率的降低而加剧：频率越低，振幅极值向低速围岩一侧 偏移越大，在低速围岩中的振动能量越多，衰减也越慢。底粘 土的存在，与这类情况类似（图7-12a）。值的指出，底粘土的 存在，通常可能破坏R波形成的速度条件。 （5）夹矸存在的影响，将一个煤层分成了多层，并破坏了 它的对 称性。夹矸对L波频散的影响（图7-12b） 。
第7章 槽波地震勘探
槽波的反射与透射
(a) 断层落差小于煤厚； (b) 落差大于煤厚；
(c) 煤层变薄；
(d) 煤层分叉； (e) 煤层被冲刷； (f) 充水巷道 R－瑞利波 L－洛夫波 1－入射槽波； 2－反射槽波； 3－透射槽波； 4－由辐射再激发的槽波； 5－反射及透射损失； 6－充水废弃工作面及巷道
第7章 槽波地震勘探
§7.2 槽波的性质
7.2.1 槽波的频散特性
槽波最大的特点就是频散，即槽波的传播速度是频率的函数。从 周期方程可知，在波导层内，干涉振动波前的传播速度决定于层厚及 震源激发的频率。较长波长的振动要在波导层内产生相长干涉，必须 以较陡的射线来回反射，所以它沿波导传播的速度比较短波长振动的 速度高。于是，震源信号不同频率的分量有不同的速度传播，从而产
第7章 槽波地震勘探
§7.2 槽波的性质
7.2.1 槽波的频散特性
一、相速度与群速度
相速度是指相长干涉 相位波前沿波导传播 的速度 群速度也就是波的 能量传播的速度
第7章 槽波地震勘探
§7.2 槽波的性质
7.2.1 槽波的频散特性
频散曲线 （a）－L波频散曲线；（b） －R波频散曲线；
1——相速度曲线；
第7章 槽波地震勘探
§7.2 槽波的性质 二、影响频散的因素
从理论模型计算的基阶L 波频散特征 a－煤厚变化； b－煤层密度变化； c－围岩密度变化； d－煤层速度变化； e－围岩速度变化； f－围岩速度不对称 1、2、3、4、5－参数变 化的顺序号
第7章 槽波地震勘探
§7.2 槽波的性质
7.2.1 槽波的频散特性 结论：
波，同时也形成L波。 从形成简正振型的条件看，L波仅为SH波形成的干涉波，它仅要求煤层的S 波速度小于上下围岩的S波速度；但R波是由P波、SV波形成的干涉波，它不仅 要求煤层的S波速度小于上下围岩的S波速度，而且还要求煤层的P波速度也小 于上下围岩的S波速度，条件更为严格。 从以上所述可知，槽波是体波在低速煤层内形成的干涉波，类似于地表传
§7.1 槽波的形成
7.1.2 槽波的形成
反射和透射斯奈尔定律
vS 2 v S1 vP2 v P1 c sin sin sin t sin t
vP 2 vS 2 ——分别代表煤层的P波速度与S波速度 vP1 vS1 ——分别代表围岩的P波速度与S波速度
t t ——分别代表P波与S波的折射角
煤层波，认为它是由煤层制导的洛夫波，并预言了该导波可能在采矿业中得到应用。 1963年，TH.克雷（Kery）教授发表了有关地震波在煤层中传播的理论和数学推导。 上世纪70年代后期，随着数字地震技术、计算机、仪器发展及煤炭生产需要，ISS在 联邦德国、英国、澳大利亚、匈牙利、捷克斯洛伐克、前苏联、美国等国家迅速发展起 来，并逐渐用于生产，成为一种可供选择的、成功的矿井地球物理方法之一。
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.3 槽波的类型
按物理构成及极化特征，槽 波分为瑞雷型槽波和洛夫
型槽波两类，简单记为R波
与L波。R波是由P波与SV波形 成的干涉波，质点在与煤层 面相互垂直、与传播方向平 行的平面内振动。由于既有 水平分量又有垂直分量，所
以质点振动的轨迹一般呈逆
行椭圆状。L波只由单一的SH 波在煤层中干涉形成，质点 在平行煤层面的平面内垂直
（3）群速度曲线存在着1个以上的极值点，它们分别对应着槽波波列上 的一个特殊震相，称埃里震相。埃里震相以其频率高、振幅大的 特点出现在L波波列的尾部。R波埃里震相，一般有2个以上。即可 对于极小值，也可对应极大值，情况比L波复杂，但仍以强振幅为 特征。
（4）不同n（即不同阶振型）对应着不同的频散曲线对，以及不同的截 至频率和频带范围。随着n 增大，截至频率和频带范围升高，埃 里震相频率也升高，但它的群速度降低，频散程度增大。
第7章 槽波地震勘探
槽波地震勘探（In-Seam Seismics缩写为ISS）是利
用在煤层中激发和传播的导波、以探查煤层不连续性的一种 地球物理方法。它是地震勘探的一个分支。槽波地震勘探具 有探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较容易 识别以及最终成果直观的优点。
1955年，Evison在一篇短论文中首先报道了他在新西兰一个煤矿里激发与接收到了
2——群速度曲线。
第7章 槽波地震勘探
§7.2 槽波的性质
7.2.1 槽波的频散特性
一、相速度与群速度 （1）相速度总是介于围岩与煤层的横波速度之间，随 f 的升高而逐渐 降低。在 f 0时，各阶振型槽波的相速度 c vS1 达最大，这与 煤层的厚度及其它物性参数无关。 （2）群速度总是小于相速度，即 U c