基于Madagascar的矿山微地震正演模拟

周项通 赵晓阳 杨 涛

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 概述

矿山微震监测是一种新型的地球物理方法，它主要是在对岩体破裂产生的微地震事件进行捕捉和反演定位的基础上，结合岩体力学来对岩体损伤演化的过程进行综合分析，从而指导技术人员提前采取措施，阻止灾害事故的发生。与传统地震勘探不同的是，矿山微震震源的空间坐标、时间、强度都是未知量，且能量较弱(里氏震级一般在-3～1之间)，大多数微震事件的频率范围为200 Hz～1 500 Hz，持续时间小于1 s。高精度的矿山微地震正演模拟是对微震事件进行准确定位的前提，通过分析不同复杂程度的矿井层状模型的微震波场特征，能够了解微地震的传播规律，对后期的微震事件综合分析具有很好的指导意义。

Madagascar是一个开源、功能丰富的地球物理软件，由堪萨斯大学奥斯丁分校的Sergey Fomel教授在2003年发起并于2005年正式发布。该软件最大的优点就是提供了一个很好的开发环境，使用者可以根据需求对软件中已有的成熟模块进行改进并与他人进行交流。本文基于Madagascar建立不同复杂程度的矿井层状模型进行正演模拟，并对得到的波场快照和地震记录进行对比分析。

2 Madagascar软件介绍

Madagascar是一个类似SU(Seismic Unix)、完全开源的地球物理软件包，提供了一个针对多维数据分析程序的集合。如图1所示，RSF是Madagascar所有程序通用的数据交换格式，一切后续操作都是基于RSF文件的。RSF文件由头文件(Header file)和二进制文件(Binary file)组成(见图2)，其中头文件主要是关于二进制文件的描述性信息，如数据体的维度、数据类型、二进制文件的实际存储位置等。Madagascar提供了sfsegyread和sfsegywrite两个函数与标准的SEGY文件进行数据交换。

Madagascar对每个程序(Programs)都进行模块化封装，以便后期进行调用。VPLOT是一个强大的图形库，实现RSF数据的可视化。SCons是一个开放源代码、以Python语言编写的程序建造工具。在Madagascar中通过Scons和Python脚本文件SConstruct来进行复杂的数据处理，由于SConstruct是可以重复利用的，从而体现出Madagascar遵从的是Claerbout(1992)提出的可重复性(再生性)研究的思想原理。

3 正演计算

3.1 模型建立

菏泽某煤田位于山东省西南部，与其他华北型煤田一样，煤系基底为中、下奥陶统石灰岩，煤系的上覆地层主要有第四系砂质黏土、黏土和砂层，厚92 m～180 m，平均146 m，由北向南，自东向西逐渐加厚，新第三系黏土岩、砂质黏土岩和粉、细砂岩，厚270 m～596 m，平均464 m，固结程度较差，比较松软，一般北薄南厚、东薄西厚。该区含煤岩系为石炭—二叠系，其中二叠系厚约700 m。含煤部位主要在下二叠统山西组，含第2、第3两个煤层，其中第3煤层特厚，一般4 m～8 m，最厚可达10.43 m。本文结合该煤田煤系地层特征，建立地层模型进行矿山微地震的正演模拟。

3.2 正常地层模型

图3为矿山水平层状模型示意图，具体模型参数为：微震震源位于煤层上方的砂岩层中，坐标为(2 890,980)，主频为200 Hz，网格大小3 200×2 000，空间步长为dx=dz=1 m，详细的模型参数见表1。在地表沿水平方向布设检波器，首个检波器位置为(0,0)，时间采样间隔为0.2 ms，记录长度为1.5 s，SPML匹配层厚度为80个网格。选择250 ms和500 ms 时刻的波场快照进行波场特征分析。

表1 六层介质模型参数(一)

从图4，图5的波场快照及微地震记录(如图6所示)中可以看出，正演程序仍能对微地震波进行较好的模拟。在砂岩与泥岩、泥岩与煤层的分界面上发生明显的反射和透射，图4中直达P波、直达S波、反射PP波、反射SS波、透射PP波、透射PS波和透射SS波等波场特征明显。图6中微地震记录清晰，初至P波、初至S波同相轴明显。

3.3 受采动影响的地层模型

图7为回采中的矿山六层介质速度模型示意图，微震震源位于裂隙带中，坐标为(2 890,980)，震源主频200 Hz，网格大小为3 200×2 000，空间步长为dx=dz=1 m，采空区长度为800 m，详细模型参数见表2。其中煤层厚度为5 m，冒落带最大发育高度为25 m，裂隙带最大发育高度为55 m。在地表沿水平方向布设检波器，首个检波器坐标为(0,0)，时间采样间隔为0.2 ms，记录时间为1.5 s。选择250 ms和500 ms时刻的波场快照进行波场特征分析。

从图8，图9不同时刻的波场快照和微地震记录(如图10所示)可以看出在考虑冒落带和裂隙带的情况下，由于在冒落带和裂隙带中微震波的速度会产生较大的衰减，那么在冒落带和裂隙带与围岩的边界处会产生较大阻抗差，从而反射现象明显。同时，从500 ms时刻的波场快照(如图9所示)可以看出层间反射产生的多次波以及不同波场之间的干涉使整个波场变得十分复杂，进一步说明程序对回采中的复杂介质模型也能进行正确、高精度的模拟。

表2 六层介质模型参数(二)

4 结语

目前微震监测技术仍处于起步阶段，尤其是高精度矿山微震监测技术，许多基础理论都还待进一步完善。本文结合某煤田实际地质情况，分别建立正常地层和受采动干扰地层模型进行正演模拟，通过对得到的波场快照和地震记录进行分析，了解了微地震波的传播规律，对后面微震事件的捕捉与定位具有较好的指导意义。Madagascar是一个开源的地球物理软件，具有强大的数据处理和图形显示功能，具有很好的扩展性。

本文仍有很多不足之处，下一步主要考虑建立更具有实际参考意义的三维矿山速度模型以及研究随机矿山微震震源的添加方式。由于矿山微震是在开采过程中导致上覆岩体应力失稳而发生的，实际中矿山微震的产生时间，震源强度及震源位置都是不确定的，因此在模拟过程中就需要对随机震源进行研究，使模拟结果更符合实际情况。