槽波技术在阳泉矿区地质异常体探测中的应用研究

通过回顾近几年槽波地震探测技术在阳泉矿区的发展历程及应用情况,总结阳泉矿区槽波发育特征,详细分析阳泉矿区发育的断层、陷落柱等地质异常体的槽波探测效果,并对各区域矿井槽波特征进行总结,针对发育不同构造的矿井,分析总结相应的槽波传播规律和解释方法。结果表明:槽波探测工作面在阳泉矿区达到200多个,在15号煤层探测应用最多,达到58个工作面,主要解决断层、陷落柱、挠曲、顶底板破碎带等地质异常体的探测问题,探测结果总体准确率在82.2 %以上;阳泉矿区槽波发育特征:3~6 m煤厚槽波发育中等至良好,煤厚小于2 m的晋南地区,槽波发育一般;槽波Airy相速度960~1 000 m/s,不同地区速度相差不大;Airy相频率与煤厚相关,煤层越厚,Airy相频率越低;相同煤层中,槽波Airy相速度与频率相差不大;根据回采验证情况,不同煤层及地区,探测效果差别较大;对槽波探测不同地质异常体的问题,从数据采集、处理与综合解释上给出了建议;今后需进一步加强槽波对构造煤、瓦斯富集区、应力异常等地质灾害的探测研究,深化槽波在地质保障领域的应用范围,为矿井安全生产及工作面透明化提供可靠的地质保障。      

透射槽波方法在中厚煤层隐伏小断层探测中的应用

隐伏断层是回采工作面地质灾害的重要诱因,实践证明,槽波地震勘探技术是井下查明隐伏小型地质构造的有效手段。基于透视槽波地震勘探法原理,分析槽波在传播过程中的能量衰减特征;采用联合代数重建法,求解振幅衰减系数矩阵方程。依据振幅衰减系数CT成像,解释回采工作面内隐伏地质构造的形态及位置。以某矿区2. 5m厚的工作面为例,在经过对槽波原始数据滤波、振幅衰减系数CT成像后,确定一断距约为2m的隐伏断层。后经工作面回采揭露,该位置存在一落差约2. 2m的正断层,验证本次槽波探测的有效性。     

阜新矿区艾友立井首采区槽波地震综合探测成果及生产实践

阜新矿务局地质测量处与煤科总院西安分院物探所于１９９３年３－４月联合对阜新矿区艾友立井首采区实施了以槽波地震探测为主的综合探工作。通过在一条沿煤巷道和两个地面中深钻孔间的槽波地震探测，结合弹性波剖面“ＣＴ”法探测和一条地面高分辨率和地震探测提出了三个地质异常，该采区二个工作面的生产和准备的实践，对探测区提出的异常进行了全面揭露，其异常与探测成果基本一致。     

反射槽波在阳煤和顺矿区小构造探查中的应用

为查明阳煤和顺新大地煤矿15304工作面内构造发育情况,在与其紧邻的15305工作面回风巷侧帮向该工作面内开展反射槽波探测,采用反射槽波CDM(Channel-Wave Diffractive Migration)成像法对工作面内构造进行成像。以1 025 m/s的槽波速度进行CDM成像计算,成像结果显示在工作面内存在两个延伸长度大于500 m的强反射界面。第一个强反射界面为巷道实见的DF5断层,另一个强反射界面与隐伏的DF6断层的延展方向一致。结果表明,反射槽波探测技术在阳煤和顺矿区小构造探查中是有效的,探查结果为矿井下一步工作面的布置和巷道开拓提供地质依据。     

厚煤层内小断层的反射槽波探测技术及应用

厚煤层、巨厚煤层工作面内的小断层一般断距或延展长度的规模较小,目前的探查方法和仪器受分辨率限制一般难以探查这类小断层,而小断层探查不清,将会对智能化工作面高效回采带来较大影响。针对这一问题,开展厚煤层内小断层反射槽波探测的数值模拟及现场实验工作。在数值模拟方面,采用交错网格有限差分法对厚煤层(6 m)、巨厚煤层(20 m)两种环境下含小断层(落差小于3 m)的数值模型进行三分量弹性波模拟,在对数值模拟结果进行频谱分析的基础上研究不同模型中的直达槽波与反射槽波的特征。在实际探查方面,通过不同矿区厚煤层、巨厚煤层实际发育断层进行透、反射数据综合研究,分析和比较透射与反射槽波方法对小断层的探查情况。研究表明,工面内构造发育相对简单的条件下,反射槽波对厚煤层、巨厚煤层工作面中小断层的探测较透射槽波有更强的识别性及准确性。      

反射槽波探测技术中速度分析方法研究

在巷道掘进过程中,利用反射槽波探测技术探查巷道侧帮构造发育情况,并准确解释槽波波阻抗反射界面的位置对矿井生产意义重大,但现阶段反射槽波地震解释断层的位置常存在偏差,主要原因是数据处理阶段选取速度存在较大误差。为降低反射槽波速度选取误差,系统分析国内13个煤矿15个煤层的槽波速度特征,总结出反射槽波速度与直达槽波、透射槽波速度的关系。研究发现反射槽波速度高于直达槽波速度3%~12%;低于透射槽波速度1%~6%。将其研究成果引入山西某矿反射槽波探测项目,槽波解释断层位置与探巷揭露位置偏差仅为3 m,取得了较为理想的应用效果。该研究为进一步提高反射槽波探测精度提供了新思路。      

三层对称模型瑞雷型槽波与洛夫型槽波频散特征研究

槽波频散特征分析对槽波地震成像至关重要,是槽波地震数据处理的重要环节之一。瑞雷型槽波应用较少,槽波应用仍以洛夫型槽波为主。基于槽波理论,对三层对称模型的洛夫型槽波与瑞雷型槽波的频散特征进行了研究。通过对比发现两种频散特征随煤层及围岩参数变化的趋势具有相似性,但其影响程度存在较大差异,其中瑞雷型槽波频散特变化相对复杂一些。这个特征可用于多分量矿井槽波地震反演纵波速度成像,并有望达到对地质异常体更加精细的刻画。     

反射槽波绕射偏移成像及应用

反射槽波能够探测煤层中的小构造,但反射槽波信噪比低,探测效果不理想。为改进成像质量,分析了适用于反射槽波的预处理技术,从理论和实际应用两方面,通过三维槽波数值模拟和实际数据处理应用,验证了反射槽波绕射波偏移方法的有效性。结果表明:应用绕射波偏移方法时,需对反射槽波做Hilbert变换,使之适应槽波的特殊情况;绕射偏移时只需要一个速度,槽波速度基本恒定,槽波绕射偏移方法相对地面地震有独特优势。      

Rayleigh型与Love型槽波波场分离

煤矿井下采集到的槽波通常包括Rayleigh型槽波和Love型槽波,这两种类型的波场具有不同的偏振特点,由于目前现有的槽波处理软件和方法仅针对单一类型的波场,因此在数据处理过程中两种波场互为干扰,影响了后续频散分析和槽波成像的质量。从煤层槽波中Rayleigh型槽波和Love型槽波的基本偏振方程出发,利用两种波场的不同偏振特征,推导出一种时间域的波场直接分离方法,该方法具有经验参数少、算法稳健的特点;通过模型数据和实际数据的波场分离验证,取得了满意的结果。      

槽波速度谱相对透射系数图法

针对近年来国内推广槽波地震探测技术中遇到的问题,提出了一种新的槽波相对透射系数图方法——槽波速度谱相对透射系数图法。它是根据槽波埃里相的速度特征求取槽波相对透射系数的另一种成图方法。      

基于时频域极化滤波的勒夫型槽波提取

矿井槽波地震勘探数据中,含有多种类型地震波,包括线性极化的纵波、横波、勒夫型槽波和椭圆极化的瑞利型槽波。由于槽波频散现象严重,不同类型槽波互相重叠,在地震记录上难以区分,合理地进行波场分离是槽波数据处理的重要环节。根据不同类型槽波振动极化特征,提出基于S变换的时频域自适应协方差矩阵极化滤波方法;在时频域中,针对槽波水平双分量信号建立自适应协方差矩阵;利用矩阵对应特征值和特征向量,计算椭圆率和方位角参数来描述槽波极化振动特征;依据极化参数建立极化滤波函数,对槽波地震信号进行波场分离。经过理论合成信号和实际数据测试表明,该方法可以有效地从槽波地震记录中提取出勒夫型槽波,避免其它类型地震波在槽波数据处理过程中产生的干扰,为槽波地震勘探数据处理提供新的技术手段。      

黏弹介质槽波超前探测数值模拟与波场分析

目前常用槽波超前探测掘进工作面前方隐伏断层,而实际煤层具有黏弹性,对槽波有吸收衰减作用。为研究黏弹煤层介质中槽波超前探测的波场特征和传播规律,基于Kelvin-Voigt一阶速度-应力方程,建立了三维含断层煤系地质模型,进行了三维有限差分数值模拟。结果表明：黏弹介质中反射槽波能量衰减大,其传播与衰减特征比完全弹性介质更符合实际煤层反射槽波传播特征。煤层Q值越大槽波超前探测效果越好,煤层Q值过小时,槽波超前探测效果差,可利用x分量的反射横波与z分量的P-S波超前探测。断层落差小于煤厚时,y和z分量的槽波超前探测效果都较好;落差大于煤厚时,可利用y分量进行槽波超前探测。断层夹角大于60°时,可利用y和z分量进行槽波超前探测;夹角小于60°时,可利用x和y分量进行槽波超前探测。研究结果可为煤矿槽波超前探测提供理论支持。     

槽波地震勘探在煤矿大型工作面的应用

以陕北某煤矿大型工作面槽波地震工程为例,开展了超大型工作面内断层的槽波地震探测技术研究。槽波探测采用全排列接收,最大限度地保障了槽波信息的获得。根据得到的槽波记录数据以及CT成像结果,解释了工作面内断层的发育情况,与后期巷道揭露情况基本吻合。槽波地震勘探在大型工作面的成功应用,可为矿井实现盘区勘探提供技术支持。      

煤矿反射槽波探测技术研究评述

反射槽波可用于单条巷道内探测巷道两侧和掘进前方一定区域内的断层等异常地质构造。目前该项技术已在我国多数矿井开展过探测试验和工程应用,对采掘危险区治理、工作面布置和采掘方案设计等生产环节起到了重要的指导作用。阐述了反射槽波的处理方法和原理,比较了面对巷道的侧帮和掘进前方2种不同探测区域时,反射槽波数据和处理方法的异同之处,着重对反射槽波的叠加成像、偏移成像以及掘进工作面超前成像3类成像方法的技术原理、适用条件和研究进展进行了梳理和分析,总结了反射槽波在巷道侧帮与掘进前方断层、采空区以及陷落柱探测方面的典型案例。在此基础上提出进一步提高探测能力的改进方向：研究适用于槽波频散性的反褶积方法,有效压缩反射槽波并依据频散速度准确偏移归位,提高成像分辨率;通过极化处理求出槽波的偏振方向,从而减少“画弧”现象;借鉴束偏移技术,选取特定方向的槽波参与成像,提高成像信噪比;研究影响反射槽波信号强弱的地质条件和采集条件,在不增加震源能量的条件下有效增强反射槽波;研制新型震源,提高反射槽波探测应用的安全性和适用性。对反射槽波未来的应用方向进行展望,以期促进反射槽波探测技术发展,为煤矿安全高效开采提供保障。     

透射槽波相邻道质心频率的层析成像方法

槽波勘探是煤层工作面小构造探测的主要方法之一,该方法主要是利用槽波的能量衰减特征。当检波器的耦合差或工作面存在较大地质异常时,会显著影响槽波在不同频段上的能量分布,降低槽波探测结果的稳定性和准确性。利用槽波信号的质心频率变化特征进行反演成像是一种创新且有效的方法,但该方法存在震源质心频率准确估算及兼顾震源差异性的难题。为此,提出基于透射相邻道槽波信号,估算其质心频率相对变化量的层析成像方法。基于理论分析,推导出相邻道槽波质心频率相对变化量(M_i)的计算公式;采用二维数值模拟方法,验证槽波M_i值与传播距离的正向线性变化规律;通过槽波实测试验,对比分析了相邻道质心频率成像方法的效果。结果证明,槽波信号存在频移现象,槽波相邻道M_i值层析成像方法是有效,该方法克服了震源差异性和震源质心频率人为选择不当对成像结果造成的影响,为槽波勘探数据处理提供了一种新的思路。      

反射槽波探测煤层断层构造的应用研究

在实际煤田地球物理勘探中,常规的地面地震勘探技术无法对煤层中的小断层、陷落柱、夹矸等微幅构造体进行精细的探测。相比于地面地震勘探,槽波地震勘探直接在煤层中激发,能量强,范围大,能够精确探测煤层中的微幅构造体。笔者等针对反射槽波地震数据的特征,给出了一种有效的反射槽波地震数据精细处理技术和流程,通过对频散分析以及槽波包络叠加等关键技术进行试验研究,提高反射槽波地震数据的成像精度,进而更准确地识别煤层中小断层等微幅构造。实际煤田反射槽波的应用试验表明,反射槽波勘探准确识别出煤层中的小断层构造,验证了反射槽波勘探技术的实用性以及本文反射槽波地震数据处理技术的有效性。     

反射槽波探测煤层断层构造的应用研究

在实际煤田地球物理勘探中,常规的地面地震勘探技术无法对煤层中的小断层、陷落柱、夹矸等微幅构造体进行精细的探测。相比于地面地震勘探,槽波地震勘探直接在煤层中激发,能量强,范围大,能够精确探测煤层中的微幅构造体。笔者等针对反射槽波地震数据的特征,给出了一种有效的反射槽波地震数据精细处理技术和流程,通过对频散分析以及槽波包络叠加等关键技术进行试验研究,提高反射槽波地震数据的成像精度,进而更准确地识别煤层中小断层等微幅构造。实际煤田反射槽波的应用试验表明,反射槽波勘探准确识别出煤层中的小断层构造,验证了反射槽波勘探技术的实用性以及本文反射槽波地震数据处理技术的有效性。     

槽波地震探测技术在金家渠煤矿首采工作面断层探查中的应用

为了科学分析评价工作面隐蔽致灾地质因素对开采的影响,有效指导煤矿开采生产,以神华宁夏煤业集团金家渠煤矿110301首采工作面为研究对象,采用煤矿井下槽波地震反射、透射方法对110301工作面内部隐伏构造进行探测,结合工作面实际情况设计了井下槽波地震观测系统,通过对槽波地震数据的采集,应用透射槽波能量成像和反射槽波成像技术分析处理槽波数据,最终查明了金家渠煤矿110301工作面隐伏断层,为工作面安全回采提供了决策依据。     

钻孔槽波地震勘探的研究

槽波地震勘探通常是在一条或几条巷道中进行。本文讨论了利用钻孔进行槽波地震勘探的方法、实现装置及资料的分析与解释。该方法切实可行,拓宽了槽波地震勘探的应用范围,对煤矿利用槽波探测小构造有实用价值。      

透射槽波技术在煤田勘探中的应用研究

槽波地震勘探技术可以有效探查煤层中小断层、陷落柱等地质异常体,在探测精度和距离上明显优于其他煤矿井下勘探方法。透射法作为基本的槽波地震探测方法,具有简单灵活、探测范围大、准确率高等优势。采用透射槽波方法对实际煤矿工作面内断层构造进行探测研究,通过滤波、频散分析、波场及速度分析、能量分析以及透射CT成像等关键技术对实际透射槽波数据进行精细处理,获得准确的透射槽波成像剖面。根据槽波在煤层中受到断层阻断或遇到煤层破碎时其能量将急剧降低的特征,利用透射槽波能量CT剖面,并结合实际揭露情况,解释出12条可靠断层。通过实际煤层工作面透射槽波勘探方法测试,验证了透射槽波方法的有效性以及在煤田断层等构造探测中的实用价值。