地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展

复杂的地质构造和生产环境使得中国的煤业生产时常蒙受巨大的经济损失和人员伤亡,而地震槽波井下探测技术做为当前可探明煤层中局部小构造和异常体的有效技术,具备分辨率高和预测性强等特点,是煤矿生产中井下探测的一种有效的地震勘探方法.本文回顾了地震槽波勘探研究的发展概况,并基于地震槽波在煤层中传播的物理特征和影响煤层中地震槽波传播等主要因素,对地震槽波动力学特征方面已经开展的物理模拟和数值模拟工作进行了综合阐述,进而指出了地震槽波勘探存在的理论问题、应用难题和可能的发展方向.     

透射法地震勘探中槽波几何运动学特征

矿井煤层中激发产生的地震波类型复杂,导致对各类地震波的认识存在争议.本次研究从几何运动学角度出发,分析槽波传播时间与炮检距之间的关系,由于槽波具有频散特性,无法给定具体的时距方程,通过推导发现槽波的最小群速度,即埃里相速度为固定值,因此可得到槽波埃里相的时距方程.同时推导了透射法槽波地震勘探中直达波和折射波的时距方程.认为三者的时距曲线在炮集记录上均为双曲线,双曲线最小值和曲率与煤层和围岩速度相关.对比分析三者的时距特征,对实际槽波记录中地震波类型划分有了新的认识,折射纵波最先到达,最后接收到的为槽波埃里相,中间为横波与纵波的叠合.     

地震槽波的数学-物理模拟初探

针对地震槽波在低速层的传播特性,开展了煤层内地震槽波勘探的数值模拟和物理模拟研究的初探工作.在数值模拟研究方面,采用交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场模拟.基于波场快照和人工合成地震记录研究了不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律.在物理模拟方面,通过选用不同配比的环氧树脂和硅橡胶类材料构建地震槽波物理模型,利用透射法和反射法观测系统获得了清晰的地震槽波记录以研究槽波的地震学特征.研究表明,在煤层内槽波的地震波场中,Love型槽波的能量小于Rayleigh型槽波的SV分量,大于Rayleigh型槽波的SH分量.相对于Love型槽波和Rayleigh型槽波的SH分量,Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露能量较强.在煤层界面附近的围岩中,地震波仍以槽波形式传播,随着距离的增加能量逐渐衰减.随着煤层变薄,煤层槽波主频向高频方向移动,频散现象增强,传播速度增大.     

平行巷道条带异常体在透射槽波层析成像中造成的假象

近年来透射法槽波地震勘探技术在煤矿勘探领域取得广泛应用,该技术依据槽波频散特征,对特定频率下槽波走时进行层析速度反演成像,在煤层厚度探测方面效果明显.由于煤矿巷道施工的特殊性,震源和检波器布置在巷帮煤层中,观测系统多采用两边式或三边式,导致槽波传播角度有限,容易对层析成像造成误差.在层析正演中采用最短路径与射线弯曲法联合,兼顾走时计算的精度和效率,在层析反演中进行正则化约束,利用平滑和阻尼因子提高算法的精度.通过对大量模型进行正反演发现,当煤层中存在垂直巷道异常体或局部异常体时,透射槽波层析反演不存在假象;当存在平行巷道的条带异常体时,层析结果出现交叉状速度异常假象.这是由于透射槽波采集得到的走时不受异常体位置影响,高值区在平面上表现为交叉型,导致层析反演出现假象.实际勘探施工条件允许情况下,可在煤层工作面四周布置震源和检波器消除这类假象.     

在煤矿区用三分量地震和地电勘探进行参数估计和断层探测

为测定本地岩石物性参数的分布并探测煤层中的不均一性,在匈牙利米什科尔茨附近的Lyukobanya煤矿采用了三分量地震和地电勘探方法。地震测量包括地下体波垂直地震剖面法,以及用槽波技术探测煤层中的地震波振幅—深度分布和传输特性。地电探测采用地电漂测和煤层测深法。     

煤矿井下槽波三维数值模拟及频散分析

采用交错网格高阶有限差分法编制了地震波场三维正演模拟软件,设计了基于镜像法原理处理煤矿井下近水平和起伏巷道特殊空间的算法;模拟了煤矿井下含巷道和不含巷道情况下煤层中传播的地震波场,并分析其频散特征.结果发现:由于巷道的影响,巷道壁上产生很强的巷道振型槽波,煤层中则出现了以Love型为主的槽波,据此分析了实际槽波记录的形成机理,研究结果对今后煤矿井下巷道地震超前探测和工作面弹性波透视等具有重要的理论意义和实际价值.     

透射法典型槽波数据波场分析

煤矿井下巷道煤层中采集的槽波地震数据中包含多种类型地震波,对这些波组认识存在争议.通过正演模拟获得的槽波波场过于理想化,与现场采集槽波数据存在一定偏差.针对煤矿实际采集的典型槽波数据,采用时频域极化滤波方法,利用槽波数据中的纵波在波传播方向能量最强、垂直方向能量最弱的特点,将目前国内煤矿常用的德国SUMMIT槽波地震仪水平双分量检波器接收到的信号,校正到平行波传播方向和垂直波传播方向,有利于判定地震波极化运动特征.经过槽波波场分离,得到三个特征明显的波组,按照时间到达先后顺序,认为分别是折射纵波、瑞利型槽波和勒夫型槽波.其中折射纵波传播速度最快,在共炮点道集上表现为双曲线特征;瑞利型槽波主频最低,水平平行分量和垂直分量都能接收到;勒夫型槽波振动方向垂直波传播方向,只在检波器水平垂直分量有显示.     

煤层厚度变化时地震槽波理论频散曲线计算方法及频散特征分析

槽波地震勘探利用槽波的频散特性反演煤层的结构特征,故理论频散曲线的计算是一个重要方面.使用水平层状模型假设下的面波频散曲线计算方法能够计算煤层厚度恒定模型地震槽波频散曲线;但当煤层厚度变化时该方法不再适用.基于前人水平层状均匀介质模型的面波理论频散曲线计算方法,对于含煤三层模型,本文发展了煤层厚度变化情况下的地震槽波理论频散曲线计算方法,并使用该方法计算分析了不同厚度函数模型的频散曲线形态特征.研究表明：与稳定厚度煤层相比,煤层厚度变化使得地震槽波群速度成为与频率及传播射线在水平面投影路径相关的二元函数;射线路径上煤层厚度的变化使得频散曲线在群速度方向上压缩,群速度变化范围变小,且使处于最小值位置的埃里相群速度增大;而煤层厚度的线性变化模型频散曲线只与射线首、尾处的煤层厚度有关,与煤层厚度恒定模型相比,曲线形态不发生改变;煤层厚度呈非线性变化时,频散曲线形态上可能发生改变.     

煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟

对煤巷小构造地震波场进行了数值模拟研究,分析了层状煤层中地震波的传播特征.研究表明:(1)在煤巷迎头前方煤层内以纵波震源激发的Rayleigh型槽波相对于体波能量较强,波列较长,波速较低.(2)沿煤层传播的Rayleigh型槽波在小构造面上产生Rayleigh型槽波反射波,反射Rayleigh型槽波垂直分量相对于水平分量能量较强.沿煤层反向传播的反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头面上转换为沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.沿煤巷底板可以接收到能量较强的反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波,其可以作为超前探测小构造面的特征波.在地震记录上反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波波至最迟,在时间域与其他波列时间间隔较大,其垂直分量能量相对于水平分量较强,在地震记录上容易识别.(3)在相同的地质条件下应用反射地震超前探测方法,标志煤巷迎头前方存在小构造面的反射地震波能量较弱,受煤巷顶、底板界面和采煤迎头面的强反射波干扰,在地震记录中难以识别.     

透射波勘探在寻找金属矿中的探讨

传统地震勘探大都是以考察地层速度界面为主的反射波勘探,而在金属矿勘探中,由于矿体与围岩的物理性质差异较小,所以未必能形成天然的反射界面,从而严重影响了反射波勘探的效果.本文从透射波勘探理论出发,详细阐述了基于极值法波场二次重构技术下,矿体正演地震波场响应特征.再将子空间联合反演技术运用于矿体反演中,并取得实效.说明透射波勘探在固体矿产勘查中具有较强的可行性.     

含煤地层岩浆岩侵入体地震波场模拟

从地质特征出发分析了岩浆岩侵入对煤层的影响,在此基础上建立岩浆岩侵入模型进行地震叠前波场正演与成像处理,对岩浆岩侵入体不同厚度、岩浆岩对煤层不同的侵蚀程度、不同间距等多种模型进行地震正演模拟,分析了几种情况下的地震反射波特征及岩浆岩侵入对煤层反射波的影响.研究结果表明,岩浆岩侵蚀区地震波场复杂,高精度的成像结果是正确识别岩浆岩反射波特征的基础.岩浆岩侵入体在地震剖面上一般形成能量较强的反射波,岩浆岩完全侵蚀煤层之后,引起了煤层反射波同相轴中断与相位反转.当岩浆岩侵入体与煤层间距小于40 m时,岩浆岩侵入煤层上部与下部对煤层反射波影响差异较大.通过地震波场模拟了解了岩浆岩侵入区的地震波场特征,为矿井岩浆岩侵入区地震资料处理和反射波识别提供参考.     

煤层厚度地震槽波层析成像分辨率分析

透射法地震槽波勘探技术依据不同煤厚槽波频散特征差异,利用敏感频率下槽波走时层析成像算法反演得到煤层槽波速度,进而预测煤层厚度分布.层析反演结果的准确性直接影响煤厚探测的精度,反演得到小异常体常被错误地当作高精细度的体现.槽波层析反演分辨率是衡量反演结果精细程度的重要指标,决定了反演结果的可靠程度,但对于槽波分辨率的估算缺乏有效的技术手段.通过对比分析理论模型、棋盘格模型、射线密度和统计分辨率等方法,探讨这些分辨率分析方法的优缺点.根据义马11061工作面层析成像结果以及后期实际煤厚揭露数据,验证了槽波勘探方法的合理性和准确,认为采用巷帮煤厚作为约束条件,可提高层析成像分辨率,采用统计分辨率方法对反演结果分析较为实用.     

垂向裂隙各向异性煤层地震波响应

煤层中存在的裂隙会导致介质表现为各向异性,本文以HTI型煤层为例,结合各向异性介质弹性矩阵和各向异性裂隙理论,推导出不同充填物的垂直裂隙中各向异性参数表达式,将其应用于地震波响应分析;通过改进的交错网格差分法和各向异性Christoffel方程波场分解法,得到地震波合成记录和分解后的P波和SV波记录;将Thomsen群速度与相速度公式,经过坐标轴旋转变换,得到HTI型煤层中不同各向异性参数的地震波速度响应表达式;建立不同类型煤层地质模型,分析了裂隙密度、裂隙充填物以及煤层厚度等参数变化时的地震波响应特征.研究结果为分析垂向裂隙各向异性薄煤层地震波传播规律提供工具,为选用相应地震数据进行地震波各向异性参数反演提供依据.     

含小断层煤层Rayleigh型槽波波场和频散分析

煤层隐伏小断层在煤田地质勘探期间能否查明,是影响煤矿安全生产的主要地质因素.煤层中传播的地震槽波,非常适用于探测煤田异常构造.本文利用谱元法模拟计算了含断层模型Rayleigh型地震槽波的产生、传播过程,对于直达槽波、反射槽波、透射槽波进行了波场特征分析,频散特征分析,频谱特征分析.根据不同小落差断层模型（垂直断距分别为1/4、1/2、3/4、1个煤厚;断层倾角分别为90°、60°、45°）,分析了Rayleigh型槽波传播过程中断层对反射槽波、透射槽波能量、频谱的影响效应.基于以上分析,对于小断层模型中的Rayleigh型地震槽波取得了一些规律性认识,并对Rayleigh型地震槽波的勘探应用做了一些探讨.     

用H/V谱比法与折射微动法确定表土层参数

表土层参数对地震场地响应有重要影响,通过H/V谱比法和折射微动(REMI)方法确定场地表土层厚度和速度结构等有实际意义.REMI方法采用常规折射地震采集设备,利用自然震动作为源,通过地震波场τp变换和傅立叶变换,将地震记录从时空域变换到慢度-频率域提取频散曲线,不同于主动源面波勘探,被动源面波勘探能获得更大深度的土层结构.     

煤巷三维槽波全波场数值模拟与波场特征分析（英文）

当前煤巷地震槽波超前探测数值模拟主要以二维波场研究为主,难以精确模拟三维全波场特征和全空间观测方式接收的地震记录。本文应用三维弹性波动方程的交错网格有限差分算法模拟了在巷道迎头前方煤层中以纵波震源激发的三维全波场。采用取平均值的办法实现了交错网格地震波场模拟的振动速度三分量同点记录。查明了三维顶底板对称煤巷模型和非对称模型中传播的波型及其传播特征。研究发现巷道迎头前方煤层内Rayleigh型槽波能量较强,Love型槽波能量较弱,煤层内巷道迎头反射Rayleigh型槽波在煤层顶、底板中泄露能量较小,在煤层中传播距离较远;在巷道周围存在巷道面波和折射头波;在煤巷两侧煤层内接收的地震记录中Rayleigh型槽波能量较强,受头波和面波的干扰较弱,而Love型槽波能量较弱,受到相对强能量头波和面波干扰,难以识别;增加接收点在煤层中的深度可以有效降低面波对Rayleigh型槽波的干扰,但不能有效减弱面波对Love型槽波的干扰。基于以上波场认识,发现传统的采煤工作面Love型槽波构造探测方法难以适用于掘进煤巷构造超前探测,Rayleigh型槽波可以用于掘进煤巷构造超前探测。     

透射与反射槽波联合探测小构造应用研究——以山西龙泉矿区为例

矿井勘探方法中,槽波地震是探测小构造最重要的一种方法,小构造的定量探测对于工作面的设计和开采具有重要的意义,通过透反射联合勘探并以揭露信息进行约束能够取得准确的结果.对山西龙泉矿4203工作面进行槽波透反射勘探,巷道的煤厚为6.8 m,巷道揭露的断层f29落差为7 m,f30落差为11.8 m,利用椭圆切线法和透射层析成像信息得出槽波的解释成果,从构造发育规律和三维地震解释的断层的数量、延伸长度、走向进行统计分析,合理推断槽波探测断层在工作面内外分布及延伸长度,并通过钻探得到了验证,得出在有效利用先验地质资料条件下矿井槽波地震透反射法具有广泛的应用前景.     

計算有效速度的“积分法”

在現代的地震勘探中,主要是利用地震波的运动学特点,来勘探地壳的地貭构造的. 地震勘探結果的精确度,在很大程度上与平均速度的选择有关。目前,在我国的很多地区內,深探井較少,速度资料主要还要依靠有效速度的計算来获得.显然,如何根据反射波时距曲綫准确地計算有效速度,仍然是現代地震勘探中的一个重要課題.     

地震反射波P_(11)、S_(11)的特征及其应用

前言 我国大陆地震大都发生在莫霍界面以上的地壳内,属于浅源地震。不论是浅源地震还是深源地震,波从震源发出后,在传播过程中,遇到介质界面便要发生反射现象。形成地震波全反射的条件是:地震波在地壳介质传播过程中必须遇有明显的介质界面;地震波必须先从低传播速度的介质中入射,透过界面传向高传播速度的介质中,并同时发生远离法线的折射;入射波的入射角必须大于临界角。若上述三个条件得到满足,地震波则在界面发生全反射。这是广义的描述地震波全反射现象。广义的地震波全反射波可以在较远的距离观测到,例如地面爆破反射波P_(11)、S_(11)在震中距180公里左右仍可清晰地记     

基于接收阵列的时域地震波束形成方法

地震勘探中,针对目的层地震数据信噪比较低情况,为改善信噪比,本文提出一种基于接收阵列的时域地震波束形成方法(TSBBRA).该方法的理论依据是波束形成原理,文中通过对相控震源激发定向地震波场的分析,提出在反射地震勘探中,在信号接收端同样能生成定向地震波的思路.具体地,论文给出在地震数据集上先对单炮记录分组,再对组内记录时域内延时、叠加,生成对应定向地震波场的地震记录的方法.TSBBRA方法适于杂波干扰强,且杂波与目的层反射波方向不一致的地震条件.本文先通过波场模拟,展示了TSBBRA方法具有形成定向地震波场的能力;而后通过对比相控震源与TSBBBRA时间剖面,说明了TSBBRA方法的有效性;最后在吉林某油页岩矿区,用TSBBRA方法,分别针对浅层目标与深层目标,生成定向地震波数据.与原始数据相比,目标层信噪比提高了3~35 dB,在时间剖面上观测到的深部目标信号从200 ms扩展到1000 ms,TSBBRA剖面资料与测区附近区域的地质与地震资料一致.由此得出结论,TSBBRA方法有助于改善目的层地震资料信噪比,当关注深部目的层时,由于TSBBRA方法能有效压制噪声,因此可用于能够实现更大的勘探深度.实验中,我们给出了浅层勘探结果,由于本方法对震源及观测系统没有限制,实际应用中TSBBRA方法可作为深部资源勘探领域提高深部地震资料信噪比的有效方法.