基于透射槽波多波场煤层隐伏构造探测研究

2021-09-29赵红利张万鹏姚小帅

西部探矿工程 2021年10期

赵红利，张万鹏，姚小帅

（河南能源化工集团研究总院有限公司，河南郑州450000）

槽波是地震波的一种，槽波勘探是利用在煤层中激发、形成和传播的槽波所携带的地质信息来探查测区内的煤层厚度变化、矸石层分布、断层、陷落柱和老窑等各种异常体的一种新的地球物理勘探方法。

在煤系地层中，煤层与围岩相比具有密度小、震波速度低的特点；煤层顶底板大多是砂岩、泥岩或灰岩，其密度较大，地震波速度较高。在地质剖面中，煤层是一个典型的低速夹层，在物理上构成一个“波导”区间[1]。因此，煤层与顶底板岩层界面均为高波阻抗。煤层中激发的体波的部分能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层及其邻近的岩石中，不向围岩辐射，在煤层中相互叠加、干涉，形成槽波（图1）。

图1 槽波形成示意图

1 透射法槽波勘探

1.1 勘探方法

透射法槽波勘探是将震源和接收单元分别布置在不同巷道内。在一条巷道内放炮激发，在另一条巷道内接收穿过测区的透射槽波，并计算震源与接收排列之间地震射线所覆盖的区域内的槽波速度分布和槽波传播质量等多项参数，来确定测区的煤层厚度变化、矸石层分布、断层以及陷落柱和老窑等各种异常体的位置和规模。

1.2 数据处理

槽波资料的数字处理是用计算机对勘探所采集的原始数据进行以压制干扰、提高信噪比和分辨率、提取槽波参数等为目的的一系列数据处理方法和技术，能够提供槽波速度、能量及频率等地震参数，用于煤厚、煤层中地质异常体的解释工作。

透射法槽波数据处理是利用透射槽波的速度、能量及频率等参数来反映煤层中的断层、陷落柱、采空区和煤层厚度及其变化等地质信息。数据处理过程大致分为槽波参数的提取和层析成像两个部分[2]。

2 工程实例

本次以贵州省安顺煤矿9304回采工作面勘探工程为例，对采区进行“透射扫描”，绘制槽波质量图、速度图，根据槽波速度与煤厚的负相关关系，与回采揭露煤厚信息相拟合，将速度图转变为煤厚分布图；再根据纵波和槽波的速度场、质量场变化特征，预测断层在煤层中的展布情况。

2.1 数据辨识与预处理

共采集地震道2432道，整体数据质量略差。得到的炮点道集原始地震槽波记录中，a和b类是本次数据中槽波质量较好的炮集代表，可清晰辨识出槽波埃里震相（黑线所示部分），这类炮集占比少，主要集中在测区外段；c类代表测区中槽波质量差的炮集记录，仅少量道数有较明显的槽波震相，这类炮集占比约60%，不利于槽波数据的处理和分析；d类代表测区中一般炮集，剖面中无明显的槽波震相，里段测区槽波数据中这类炮集占绝大多数，整体数据质量差（图2）。

图2 不同质量槽波的炮集记录

2.2 频散分析

频散特征里携带有煤厚、夹矸、构造和围岩等地质信息，对频散进行分析，可以研究采煤回采面的薄煤带、断层等。频散分析的方法很多，SPW使用了Gabor变换来提取槽波信号的频散曲线。Gabor变换又称为窗口Fourier变换或者短时Fourier变换，它把地震信号划分成许多小的时间间隔，采用傅里叶变换分析每一个时间间隔并确定信号在该时间间隔存在的频率，得到不同槽波的频散曲线特征图（图3）。

图3 不同质量槽波的频散曲线图特征

2.3 旅行时拾取与有效测区圈定

旅行时拾取关键点是选定适宜的频率，在煤层厚度探测中，140~200Hz频率对煤厚小于2m区域分辨能力较强，100~140Hz频率对2~6m的煤厚分辨能力较好。频率的选定也要综合考虑煤层的平均厚度、变异系数以及需要解决的主要地质问题等因素，只有选取了适宜的频率来拾取旅行时，才能得到较好的数据处理结果。此外，在旅行时拾取时，槽波实测频散曲线常存在连续性差、分辨困难情况，对于这类频散曲线，要结合相邻道的槽波拾取速度及地质资料等合理拾取。

本次数据的主频较高，经分析实测频散曲线，选定了150Hz为适宜频率。该次数据整体质量较差，可辨识的频散曲线较少，在2432道数据中，拾取了有效的槽波射线379道，占比约15.6%，有效射线分布相对均匀。根据有效槽波射线的分布情况，将射线密集、射线交叉点多的区域，划定为本次勘探速度解译的“有效测区”，射线稀疏、交叉点少的区域认定为“参考测区”。

2.4 层析成像

层析成像利用不同方向投射穿过物体且携带物体内部信息的物理信号，辅以计算机反演技术，对物体内部精细结构进行二维或三维成像。槽波速度层析成像就是对透射槽波的速度参数进行层析成像，来重构煤层的槽波速度场分布[3-5]。层析成像的处理流程包含预处理、加载初始模型、反演算法选择、平滑处理、生成TomCat计算文件、Surfer成图等。大致可分为反演计算和成图两部分。

2.4.1 TomCat反演计算

TomCat是一款用于层析成像的软件系统，此软件运用直线重构模型对槽波速度参数进行层析成像的反演计算。槽波在煤层中传播时，槽波射线的走时是速度V（x,y）和集合路径的函数，对于第i条射线，若射线的走时为ti，则有下列积分公式：

式中：V（x,y）——速度分布函数；

Ri——第i条射线路径；

A（x,y）——慢度分布函数。

将成像区离散成若干个规则的网格单位，则积分式可化为离散的线性方程组为：

式中：ti— —第i条射线的走时；

dij——第i条射线穿过第j个网格的长度；

xj——第j个网格的慢度；

M——射线数；

N——网格数。

将方程（2）转变成矩阵形式：

式中：[T]——M维列向量；

[X]——N维未知列向量；

[D]——M×N阶矩阵。此即为TomCat直线重构模型进行层析成像的基本反演数学原理。TomCat进行反演处理的计算方法有联合迭代重建算法（SIRT）和直射线代数重建算法（ART）。两种算法结果较为接近，在成像处理程序中，重点要考虑的是成像波速数值区间的约束和成像网格的划分，这两项参数的选择对于层析成像结果中槽波速度异常区的范围和形态存在一定影响。

2.4.2 Surfer成图

利用Surfer的插值功能和绘图能力，将TomCat计算得到离散的速度数据绘制成等值线图，获得9304回采面150Hz槽波速度分布图。利用槽波速度等值线成果图，结合有关地质信息，便可对测区地质现象进行解译。

3 槽波资料解译

3.1 速度场解析

槽波频散在煤层厚度变化时影响较为敏感，随煤厚增加，Love波主频段向低频方向偏移，对应于同一频率的波速降低。在选定频率条件下，煤层厚度与槽波传播速度呈负相关关系，也就是槽波波速随煤层厚度的减小而增加。

槽波数据经过流程解析，得到150Hz频率下的槽波速度等值线图（图4），显示测区中间及外部的槽波速度相对稍高，大于2100m/s，其他浅色系区域槽波速度稍低，处于2100~1800m/s之间。

图4 槽波速度分布图（150Hz）

本测区槽波速度变化较小，分布相对稳定，说明区内煤厚整体变化不大，属稳定煤层，仅在局部区域略有薄化。根据煤厚与槽波速度的负相关关系，结合回采面揭露煤厚信息，分析认为槽波速度大于2100m/s的区域可能为煤层相对薄化区，经综合地质分析，认定两个煤厚约1.5m的相对薄煤区。其中一处位于停采线附近，一处位于停采线以里400~500m范围，两个薄煤区均呈团块状。

3.2 能量场解析

透射法勘探主要利用的是接收到的Love型槽波来解译地质信息，当煤层赋存稳定、围岩完整且波阻抗较大时，槽波的埃里震相较清晰、频散曲线较连续、槽波质量较好；当煤层中存在构造、煤岩层破碎等异常因素时，没有槽波或埃里震相及频散曲线被干扰，难以辨认，槽波质量较差。根据上述逻辑，辨析透射槽波的质量，将质量好的射线绘制在平面图上，采用射线交汇的方法绘制槽波质量分布图（图5），将测区划分为“有效测区”（深色区）和“参考测区”（浅色区）。测区的深色区域射线分布密集，成果可靠程度高；浅色区域没有或较少槽波射线穿过，表明此区槽波信号差，分析可能此区域可能存在构造、破碎带等不良地质体的风险区。

图5 透射槽波质量分区图

3.3 纵波场分析

纵波传播过程中遇到构造、破碎带等因素时，速度会降低，遇到应力集中区时，速度会提高[6-8]。利用SUMMIT数据中的纵波数据，有助于解译工作面断层、破碎带、应力集中区等地质异常体[9-12]。采集的数据中不仅包含槽波，还包含纵波、横波等，其经零点校正、滤波、增益等预处理后，除了少数地震道信号受环境噪声干扰，纵波初至难以辨识外，绝大分部地震道信号的纵波震相清晰，拾取占比约91%。纵波初至经CT层析成像得到纵波速度分布（图6），图中黑色区域的纵波波速大于5600m/s，灰色区域的波速小于5600m/s，浅色区域波速为4600~5600m/s。整体看，测区纵波速度偏高，仅局部灰色区域波速较低。

图6 纵波速度分布图

4 结论

据纵波高、低速分布特征，综合地质资料进行分析，认为区内存在3个波速异常区，并对测区里段多条断层在区内的延展情况进行了预测。其中，两个黑色区域为纵波高速异常区（图6），可能为局部相对高地应力所致；灰色区为纵波低速区，可能为煤岩层破碎或构造所致。DF1是根据纵波低速区预测的F9302下-3断层在工作面内的延展部分，延展长度约40m；DF2是根据纵波速度成果预测的隐伏断层，延展长度约60m；DF3是根据纵波成果预测的F9304下-4向工作面内的延展部分，延展长度约40m；F9302下-2断层预较快尖灭，且与F9304下-4不属于同一条断层（图7）。