矿井物探-6矿井地震勘探.ppt

第六章 矿井地震勘探,地震勘探是利用地层和岩石的弹性差异来探测地下构造，寻找有用矿产资源的一种极重要的地球物理勘测方法。采用人工的办法（用炸药或其它能源）激发弹性波，沿测线不同位置用地震勘测仪器检测大地的震动，将这种携带了地层信息的震动波进行加工处理和解释，可以推断地下介质结构、岩性，从而达到勘查的目的。,第6章 矿井地震勘探,三维地震勘探是把沿测线观测的二维地震方法扩展到三维空间。通过面积测量技术获得与地质体相适应的三维数据体。面积测量技术是把观测系统布置在一定的面积内，利用炮点和检波点的灵活组合，获得地下均匀分布的数据点网格。也就上说在一个观测面上进行观测，对所得资料进行三维偏移叠加处理，可以得到与地下地质体相适应的三维数据体（右图），对这个数据体可以从纵、横、水平三个方向分析地下的构造信息， 类似于医学上的CT技术， 给人以直观、精确的来自埋藏地下深处的信息。,矿井地震勘探是指在煤矿（山）井巷或采煤工作面内开展的浅层地震勘探，所利用的地震波种类包括体波、面波和槽波勘探，主要是解决煤矿（山）建设和生产过程中所遇到的各种地质问题。自20世纪70年代开始，浅层高分辨地震勘探技术被逐渐应用到煤矿（山）井下，为我国矿山安全生产及日常地质管理工作提供了重要的勘探技术手段，并解决了生产过程中大量的地质问题，为广大地质工作者提供了有力的技术支持。 矿井浅层地震勘探基本原理同于地面地震勘探，它是利用人工激发的地震波在地下传播，遇到地层界面(往往也是岩煤层分界面)所产生的反射波或折射波返回探测面的旅行时间，来确定界面的埋藏深度及其产状的。根据探测时所利用的有效波不同，地震勘探的基本方法有折射波法和反射波法。,第6章 矿井地震勘探,矿井地震勘探条件及其特殊性 1、地震地质条件 与地面二维空间不同的是，在矿井巷道中进行地震勘探属于三维空间体，是一种特殊的地质环境，地震波的激发与接收受到多种因素的影响。对于煤矿，影响其安全高效生产的地质因素较多，象煤岩层厚度、地质构造、矿井水害等内容。矿井探测的主要目的都是解决与煤层有关的地质问题。煤层作为一种特殊的介质体，其弹性性质与其顶底板之间存在明显的差异。通常来说，煤层在煤系地层中，属一个低速、低密度的软弱夹层。 2、裂隙松动作用 巷道在形成过程中受机械或放炮等振动作用，往往会造成巷帮或煤层顶底板的裂隙以及松动带的产生，这给矿井地震探测带来一定的影响，使得高频地震波的吸收加强，同时松散的岩煤层结构会直接影响地震波的激发接收条件，使得探测距离受到限制。对于放顶煤开采过程中，由于顶煤受重力作用，产生大量的垂直张裂隙，在井下实际观测过程中，这种张裂隙大多呈网格状切割，从而导致煤帮及顶板波速的横向变化较大，限制了小排列地震折射波法和反射波法的应用。,第6章 矿井地震勘探,3、井下空间作用 由于井下空间限制，巷道断面只有几个平方米左右，不可能象地面一样任意布置测线。对于巷道迎头构造探测、工作面煤厚及有关地质条件探测，只能利用现有的空间条件，选择合适的探测方法，合理布置相关测线，完成探测任务。 4、震源扰动及井下干扰作用 在地面地震探测中，震源在产生有效纵波、横波的同时，还产生大量的干扰信号，这种震波的干扰主要表现在面波和击振点的延时作用。在井下采用激发接收系统时，最大的技术关键在于解决这一首要的信号采集问题。根据干扰的一般特征，可从3个方面加以限制，提高采集信号的信噪比,第6章 矿井地震勘探,6.1 井下折射波法,6.1.1 基本原理,根据斯奈尔定律，当界面下面介质的速度v2大干上覆介质速度v1时，随着入射波入射角的增大，透射角也随着增大；当入射角为某一角度i0时，其透射角为90，这时透射波就在界面下的介质中以速度v2沿界面滑行。这种特殊情况下的透射波叫滑行波。,6.1 井下折射波法,6.1.2 探测应用,在工程勘查中，常用折射波法确定大坝、高层建筑、大型机场、高速公路、港口等工程建设中的基岩埋深及起伏，覆盖层的厚度及基岩的岩性变化等，探测潜水面深度，也用于考古、文物发掘及保护工作。 煤矿中常用来探测底板剩余煤层厚度。,实测波形记录,6.2 井下反射波法,6.2.1 方法原理,水平界面的反射波时距曲线,倾斜界面的反射波时距曲线,6.2 井下反射波法,6.2.2 工作方法,1. 单点自激自收法,巷道掘进迎头超前探测示意图,巷道两帮超前探测示意图,6.2 井下反射波法,6.2.2 工作方法,1. 单点自激自收法,巷道迎头超前探测单点激发接收布置示意图,6.2 井下反射波法,6.2.2 工作方法,2. 反射共偏移法,共偏移最佳窗口选取示意图,共偏移巷帮测线布置示意图,6.2 井下反射波法,6.2.2 工作方法,3. 多次覆盖观测系统,24道接收的单边放炮6次覆盖观测系统,6.2 井下反射波法,6.2.3 资料处理,1. CDP选排,6.2.3 资料处理,实际观测时，一次放炮得到12道或24道记录。为处理方便，将全部记录按CDP集合(共深度点反射波记录，重新编排，这一重新编排叫做CDP选排。,2. 振幅平衡AGC,野外获得的地震记录，一般都是折射波，面波的振幅大，反射波的振幅小。为便于处理分析，通常要将这样一些振幅小的反射波放大到与初至波的振幅相近，称这一处理为AGC。,3. 频谱分析,6.2.3 资料处理,4. 反褶积滤波,将记录的随时间变化的地震信息，经过傅立叶变换处理，使它变成随频率变化的函数，这个函数就是该地震记录的频谱，而把从地震记录求取组成它的各个不同频率谐波的振幅和相位的过程称为频谱分析。通过频谱分析可以掌握地震波所包含的各种频率成分（干扰波的和有效波的）从而为压制干扰波提取有用信息、进行频率滤波，提供参数选择依据。,6.2 井下反射波法,速度谱和速度扫描是目前进行速度分析常用的方法。做速度谱方法简单，成本较低，在一般地震地质条件下能给出较理想的叠加速度。速度扫描运算量较大，成本较高，但能在地震地质条件复杂的情况下获取较为可靠的叠加速度。,6.2.3 资料处理,5. 速度分析,6.2 井下反射波法,6. 动校正、切除、CDP叠加,6.2.3 资料处理,6.2 井下反射波法,7. 偏移,6.2.3 资料处理,偏移是将由于界面倾斜和凹凸而产生的反射相位的形状(例如凹界面产生的回转波)恢复到本来构造形状的处理，又称波形归位。,6.2 井下反射波法,8. 时深转换,6.2.3 资料处理,输入准确的速度参数，将时间剖面转换为深度剖面。一般是将速度分析求出的叠加速度Vstack假定为均方根速度Vr.m.s，使用迪克斯公式求取各反射界面之间的层速度Vint，再由Vint和T0,i计算各反射界面的深度。,6.2 井下反射波法,6.2.4 实际应用,1. 单点反射法应用,（1）顶煤厚度探测,6.2.4 实际应用,单点自激自收法较为简单，在获得高频地震波情况下可以探测多种地质条件，其中在顶煤厚度探测、锚杆质量检测及巷道超前探测等方面较为突出。,右图为淮南国投新集一矿1301A工作面风巷H4号测点13煤剩余厚度探测结果，其中（a）为该点测试波形图，图中煤层反射波组特征明显，可进行对比与解析。图（b）为具体解析结果，其中地震波在煤层中的平均速度取1.0m/ms。解释的剩余煤层结构为4.5 (0.6) 1.1，用钻探实测的巷道上方煤层结构为4.8(0.8)1.0，可以看出单点自激自收探测煤厚的结果完全能够满足生产的需要。,6.2 井下反射波法,（2）锚杆检测,6.2.4 实际应用,锚杆锚固技术在我国的岩土工程、隧道及峒体支护、矿井巷道支护、边坡稳定和深基坑维护、坝基桥基和塔基锚固工程中得到广泛的应用，与此同时，受现场施工质量的影响加上没有完备检测手段所造成的事故与经济损失也越来越多，因此对锚杆锚固性能及质量的检测与评价工作至关重要。衡量锚杆锚固质量的两个主要指标是锚固状态和锚固力。锚固状态是指锚杆施工后的锚固段长度、自由段长度、密实度和施工缺陷等；而锚固力是指现场拉拔试验过程中临界破坏点的拉拔力，又称极限抗拔力，在完整硬质岩层中其值主要取决于锚固介质对锚杆的握裹力，而在软岩、风化岩层或煤层中则受孔壁摩擦力控制；此外，地质结构、构造、施工工艺(如锚孔孔径的控制)等因素带来的影响也不可忽视。,6.2 井下反射波法,（3）巷道超前探测,6.2.4 实际应用,山东东滩矿1302工作面运顺巷道掘进中某断面超前探测波形图，依据3煤速度2.8m/ms，分析在前方12.88m为一反射界面，实际揭露该断层为13m。,6.2 井下反射波法,6.2.4 实际应用,2. 井下共偏移探测,6.2.4 实际应用,山西霍州矿业集团某矿条带联巷不同位置巷道分别揭露落差为6-9m大断层，为判定其未揭露区前方延伸状况，现采用单道最佳偏移距法，偏移距选定为20m，移动步距为2.0m，共进行了130m段帮内数据采集。图6-1-33为测试偏移时间剖面及结果分析，从图中可以看出，该构造迹线反射波同相轴连续，易于分辨。从波组整体上分析，该断层迹线有所摆动，总体上沿测试起点方向向联巷摆动距离加大。 结合现场测试取2号煤煤体地震波综合波速2500m/s，可以判定在距测试起点60 m处断层应位于工作面面内43 m左右。而在距测试起点110m处断层位置在面内57.5 m，后经穿过巷道揭露，该位置前方距离为60m。,1）构造探测,6.2 井下反射波法,2） 陷落柱探测,6.2.4 实际应用,右图为进风斜井中反射共偏移法测试偏移时间剖面，图中红色代表地震记录正相位，蓝色代表负相位，其相位变化表示介质体中结构特征的变化。测试区域内岩层的各种反射波组特征明显，反射相位清晰，为解释和判别提供依据。分析认为，自测试起点40-62 m段波组相对紊乱，为岩性破碎杂乱引起较多的反射回波，异常区延伸为21.5m左右。,四川某矿进风斜井地质构造异常区域探测偏移时间剖面,6.3 震波CT技术,震波CT技术，也即计算机辅助层析成像技术，它是20世纪80年代开始在地球物理领域中应用并逐渐发展起来的，取得了许多令人瞩目的成果。目前广泛应用于地球内部结构成像，石油勘探、矿产勘探、土木工程检测、地质灾害防治等相关领域。 采面震波CT探测是通过在巷-巷、孔-巷、孔-孔或巷-地面之间建立探测区域，在一条巷道煤帮中激发地震波，并在另一条巷道的煤帮中接收地震波，根据地震波信号初至时间数据的变化，利用计算机通过不同的数学处理方法重建介质速度或衰减特征的二维图像。通过这种重建的测试区域地震波速度场或衰减特征的分布，并结合介质的物理性质来推断剖面中的精细构造及地质异常体的位置、形态和分布状况。,6.3 震波CT技术,6.3 震波CT技术,6.3.1 基本原理,6.3.1 基本原理,假设地震波的第,个传播路径为,，其地震波初至时间为,对测区介质进行网格划分后，其走时成像公式可表示为,6.3 震波CT技术,6.3.1 基本原理,6.3.1 基本原理,对速度场图像重建，首先确定射线追踪方法，主要有直射线和弯曲射线追踪技术，进行地震波理论到时；再使用不同的反演方法进行CT数据反演，有反投演法(BPT)、算术迭代法(ART)、最小二乘法（LSQR）和联合迭代法(SIRT)等可进行终值叠代。弯曲射线追踪震波到时要比直射线追踪更趋于实际值，又由于SIRT方法收敛速度较快，而且对投影数据误差的敏感度小，结果多选取弯曲射线线性插值法（LTI）进行时间追踪和SIRT方法进行反演的结果为震波CT的图像 。,6.3 震波CT技术,6.3.1 基本原理,2、CT构造探测解释依据 地震波在介质中传播的过程中，携带大量的地质信息，通过波速、频率及振幅等特性表现出来，其中地震波速度与岩体的结构特征及应力状态之间有着显著的相关性。通常不同岩性中地震波的传播速度是不同的，即使是同一岩层，由于其结构特征发生变化，其波场分布也会发生新的变化。具体来说，地震波在煤层中传播，煤层是地震波的低速介质，当煤层是均匀分布时，CT反演出的波速分布结果应当是一个较均匀速度图。而当煤层中出现构造及其它异常时，特别是单个的中、小正断层的作用，或者煤层顶、底板突出，使得煤层变薄，而相对高波速的顶、底板岩石介质取代了煤层或部分煤层位置，这为震波CT解释提供了依据。从而可以认为波速CT图中，高速线性条带应代表正断层的一盘或煤层构造变薄区。而低速条带应代表断层构造另一盘、裂隙发育区或煤层增厚区等形迹，具体低速带解释还应结合区域地质与条带产状进行。,6.3 震波CT技术,6.3.2 井下工作方法,6.3 震波CT技术,6.3.3 实际应用-工作面内构造探测,皖北煤电集团某矿3241工作面巷间震波CT探测为例。上图是弯线追踪SIRT法反演的纵波波速切片。图中蓝色和红色分别代表波速的最小和最大值，据此标注了断层构造和纵波相对低速区的界线，高速区由于主要和断层构造近乎一致没有在图中直接标出。右下角区域为无射线经过区，未参加反演运算 。,6.3 震波CT技术,6.3.3 实际应用-底板破坏深度探测,皖北刘桥二矿2614综采工作面孔-巷间观测震波CT最后一次探测VP切片图。此时工作面煤壁距钻孔孔口平面位置为9.8m，煤层开采所产生的底板岩层破坏已完成发育。从CT切片图对比研究中发现，受采动影响，煤层底板岩层发生了巨大变化，其地震波波速分带性增强且较为稳定。,6.3 震波CT技术,6.3.3 实际应用-围岩松动测试,围岩松动测试布置,6.3 震波CT技术,6.3.3 实际应用-围岩松动测试,6.4 坑道超前探测技术,6.4.1 方法原理,MSP（Mine Seismic Prediction）法是利用反射波勘探原理，在巷道掌子面处指定的震源点用锤击或小药量爆炸激发产生地震波。地震波在岩煤层中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面（即波阻抗明显差异界面，如断层、采空区、岩石破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射回来的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收。按弹性波理论，在波组抗存在差异