巷道超前探测中的地震波场特征与断层识别

李娜 刘金水 张金亮 申雯龙 姜旭

( 1.北京师范大学地理科学学部， 北京 100875； 2.中海石油(中国)有限公司上海分公司， 上海 200335 3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院， 北京 100083)

将巷道超前探测应用于地下工程掘进中，能够有效地避免废巷的产生，提高掘进效率，降低突水事故发生率。断层是巷道开挖前方的重要地质异常体，断层探测也是广泛研究的内容之一[1-8]。本次研究中，将对巷道超前探测过程中的地震波场特征与断层识别进行分析。

1 基于断层模型的正演模拟

1.1 二维巷道掘进模型的建立

借助Tesseral软件建立二维巷道掘进模型(见图1)，模型的长度为600 m,宽度为300 m， 断层厚度为30 m。模型岩性参数见表1。

表1 模型岩性参数

图1 二维巷道掘进模型

1.2 观测系统的设计

观测系统会对仿真模拟结果产生较大的影响，理想的观测系统能够提供高品质正演数据。图2所示为观测系统布置图。本次试验中，设计有24道接收道，均为单分量检波器，最大、最小炮检距分别为24、1 m。将检波器设置在底板，可以有效减轻来自顶板干扰波的影响。

图2 观测系统布置图

1.3 正演结果及分析

对巷道模型进行射线追踪正演模拟，震源埋放于巷道底板下1 m处，且位于迎头位置。设置采样参数：雷克子波频率为100 Hz；采样间隔为0.1 ms；采样长度0～0.1 s，共计1 001个采样点；激发方式为单边激发。图3所示为巷道模型射线追踪正演模拟结果。 其中a图中，直达波速度为2 780 ms，巷道声波速度为345 ms，来自断层反射界面的第1层反射波和第2层反射波速度与直达波速度相同。b图中，直达波速度为2 788 ms，巷道声波速度为342 ms，0.1 s采集时间内楔状体只有一层较为清晰的反射波。

图3 巷道模型射线追踪正演模拟结果

2 基于频域率分析的断层特征识别

若直接对信号时域进行分析，则很难据此判断前方是否含有异常体。在此，截取时间域的反射波有效信号，开展包括频谱及功率谱在内的谱分析研究，对比断层与楔状体的差异，表征含有异常体时的频谱和功率谱，实现对断层异常体的识别[9-16]。

2.1 基于频谱分析的断层特征识别

由于所采集的地震记录是有限长离散信号，所以采用傅里叶变换，计算地震信号在频域率的频谱。x(n)为原始信号，其在频域率的信号可以用式(1)表示[17]：

(1)

对信号进行频域分析，使信号的频率结构、成分及幅值均得以展现；因此，可以借助巷道探测前方由于存在断层而引起的信号频率特征变化，以更加精确地识别断层及其他微裂隙。

通过频谱分析，得到各道频谱主峰峰值曲线和各道频谱主峰频率曲线。图4所示为各道频谱主峰峰值曲线。其中，a图与b图中主峰峰值均随远离震源的方向升高。频谱能量升高，表示频率降低，主频的高频成分降低，断层使得高频成分衰减。a图与b图的明显差异在于主峰能量大小的差异，断层主峰能量大于楔状体主峰能量。

图5所示为各道频谱主峰频率曲线。其中，a图表示断层各道频谱主峰频率曲线，第2道到第21道其主峰频率相同；b图表示楔状体各道主峰频率曲线，前16道主峰频率大于80,第17 — 24道主峰频率降到接近零值。

地震信号频域率分析显示，高频信息在遇到断层之后明显衰减，主频向低频方向移动。其主要原因是，断层对信号有遮挡作用，从而构成低通滤波，使高频信号出现衰减，主频往低频方向偏移。这与数字信号中信号遇到绕射、遮挡、大气衰减等会产生高频衰减的现象是相对应的。在实际工程中，多次反射构成的低通滤波器是高频信号产生衰减的重要原因之一。

图4 各道频谱主峰峰值曲线

图5 各道频谱主峰频率曲线

2.2 基于功率谱分析的断层特征识别

(2)

式(2)左边表示信号x(t)在(-∞,+∞)区间上的平均功率，T表示采样的时间；式(2)右边的被积函数，则称为信号x(t)的功率谱密度，简称功率谱[17]。本次研究采用传统的welch方法进行功率谱分析，其基本原理是选择合适的窗函数，并在周期图计算之前直接加进窗函数。这样可以使谱估计值为正，各段函数在叠加时会使得方差减小。

图6所示为各道功率谱主峰峰值曲线。其中，a图为断层各道功率谱主峰峰值曲线，从第1道到第24道逐渐增大；b图为楔状体各道功率谱主峰峰值曲线，各道功率总体上呈增长趋势，但在第6道和第10道突然降低，楔状体的功率小于断层的功率。功率谱的变化与频谱的变化基本一致，两者可以相互佐证。

图7所示为各道功率谱主峰频率曲线。其中，a图表示断层各道功率谱主峰频率曲线，所有24道主峰频率均相同；b图表示楔状体各道功率谱主峰频率曲线,第1至第22道的主峰频率均大于50 Hz，第23与第24道的主峰频率降到接近零值。

2.3 基于互相关分析的断层识别

互相关分析结果表示信号间的关联程度，随机信号或规则信号都可以利用互相关手段进行信号分析，对于巷道探测前方断层而言，可以通过互相关分析加强含有断层信息的信号。试验中应用以下互相关函数进行分析[18]：

(3)

式中：x(n)与y(n)均为实信号,在本次试验中各自代表1道地震数据。 当m= 0时，互相关函数的值r取决于x与y的相似程度，若两者相似程度高，则r值较大；当m≠ 0时，r描述的是在延迟量m处这2道地震数据的相关程度[18]。

对提取的有效信号进行相邻道互相关分析，得到图8所示互相关分析结果。其中，a图表示断层相邻道互相关，有明显的3层信号，上下为断层2个面所形成。信号的相关性较好，也与之前分析的地震波遇到断层低频成分增加有所对应，信号具有高相关性，其能量位于其低频部分，中间为波的干涉形成。b图表示楔状体相邻道互相关，只有1层信号，此信号为楔状体反射界面所形成。由于有效信号与干扰信号的相关性较差，故通过互相关分析可以消除地震记录中部分干扰信号，增强断层反射波的信息量。

图6 各道功率谱主峰峰值曲线

3 结 语

通过断层与楔状体掘进模型，对比二者造成的地震波场差异特征，分析单一变量对地震波时频响应产生的影响。通过对巷道中地震超前探测数据的时域分析、频谱分析、功率谱分析、互相关分析，得到以下认识：断层的地震响应信息在频域率可定量化显示，比在时间域识别的结果更为精确，可提高地震资料解释巷道前方断层的精度；地震波的频谱分析结果与功率谱有一致性，都具有高频衰减快、主频移向低频的特征，表明断层会使信号产生衰减。从数字信号处理的角度分析，多次反射会产生这种现象，此现象应是反射序列的低通滤波现象。这种一致性可以为提取有效信号服务，但是功率谱分析的效果相对优于频谱分析。按照对比试验的思路，我们还可以进一步研究断层宽度、断层岩性、炮检距等对巷道超前探测波场特征的影响。

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