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2002年第11期煤炭工程问题探讨地震勘探在煤矿防治水工程中的应用孙升林宁书年李育芳吴志勤(中国矿业大学北京校区北京100083)摘要:煤矿井水灾害事故严重威胁着矿井的安全生产,矿井水防治的首要条件就是查清与导水有关的裂隙发育带部位及发育深度等水文地质问题。本文基于地震介质各向异性理论基础,讨论了P波、分裂波联合地震勘探在煤矿防治水工作中用于探测导水裂隙带的可行性问题,并结合成功的实例来说明这种方法对在目前解决煤矿防治水工作中有一定的应用价值。关键词:地震勘探;矿井堵水;各向异性理论中图分类号:P315.2文献标识码:A文章编号:1671-0959(2002)11-0045-030引言矿井水灾害事故是危及煤矿安全生产的五大灾害之一,我国煤炭工业史上发生过的水灾害事故十分严重,到目前为止仍有上百亿吨的煤炭受水的威胁不能开采,仅在我国北方地区,受突水灾害威胁的大型矿井达200多个,煤炭储量达67亿t,已发生大的突水事故数百起,直接经济损失约数十亿元人民币,这一重大问题已引起人们的广泛关注。二十世纪中叶,国内专家就已认识到突水现象与含水层的富水性、水头压力、相对隔水层厚度及断层的存在等因素有关,大量突水矿井资料统计表明,矿井的突水均发生在可采煤层周围存在富含水区,富含水区的水通过导水层涌入矿井,因此,在矿井水害发生前后,若查清导水通道的准确位置,对矿井的防治水工作是一个重要的环节。[1]本文所论述的一种地震地球物理方法,则为矿井提供了一种行之有效的手段。能否用地震勘探方法对煤矿防治水工作提供有效的水文地质成果资料是一个引人注意的问题。根据作用在近年来理论和实验等所做的研究工作看是可行的。本文结合成功实例来介绍这种地震勘探方法。造、已开巷道、岩层破碎带等)则显示不足,这主要是地震波传播的实际介质,由于各种地质因素的作用,其特征分布是很复杂的。当我们使用精细的观测手段,研究较为复杂的地质问题时,往往要考虑介质特性的不均匀性、介质的非完全弹性性质,甚至于介质的各向异性。一般说来,在各向异性介质中,质点位移方向与波的传播方向是不同的,位移f与α均应为向量。向量α称为极化向量。在三维空间,位移坐标可用一个空间的向径x表示,称位移向量,设g为波的传播方向上的单位向量,则波的传播距离■x为位置向量x与g的点积,若c为波的传播速度,上式可改写为:f(x,t)=α·sin(t-x·g)(1)c在均匀各向异性介质中,我们区分两类波,拟纵波和拟横波。拟纵波的极化方向与波的传播方向(α与g)大致相同,而横波的传播方向与极化方向大致正交。波的极化现象在各向异性介质的地震研究中占有重要的地位。为简单起见,以后本文将在以上意义下将拟纵波和拟横波简称为纵波和横波。1)一个各向异性介质,对位移的不同极化分量有着不同1理论基础地震波理论是建立在均匀各向同性完全弹性介质的假设基础之上的,常规地震勘探的正、反演过程均源于此。实践证明,常规地震勘探对于较大地质异常体(依地震波长为量度)的反映是真实显见的,但对细小的异常体(诸如导水构的传播速度,各向异性系数r可描述为:r=t⊥t-t11(2)11式中r为岩石的方向异性系数,t⊥为垂直极化分量的地震波的旅行时间,t11为平行极化分量地震波的旅行时间。2)对任一方向传播的波,总可以将它的极化方向,分解收稿日期:2002-09-28作者简介:孙升林(1957—),男,1982年毕业于中国矿业大学,高级工程师,博士研究生。·45·问题探讨煤炭工程2002年第11期为两个互相垂直的极化分量,各有不同的传播速度,其结果将使波发生分裂,平行裂缝走向的极化分量f11传播的快,而垂直裂缝走向的极化分量f⊥传播的慢,在传播过程中,这两个极化波将一个在前,一个在后,即所谓分裂现象。这种现象称为横波分裂,是各向异性介质中又一个显著特征。3)各向异性介质对地震波传播的另一个影响,表现在反射系数与测线方位的关系上。测线方向与反射层裂隙发育方向平行或垂直,对横波影响较大,而对反射纵波,则无明显影响。实践证明,各向异性介质横波分裂现象有着一定的规律,如图1为含有平行的垂直裂缝的各向异性介质,根据应力与应变的依赖关系有:①裂缝的走向与最小压缩应力σmin垂直。②裂缝的走向与最小压缩应力σmax平行。③在地下足够深处,由于地层压力,最小应力通常是水平的,所以裂缝往往是垂直的。④沿应力大方向偏振的波传播速度VS1比沿应力小方向偏振的波传播速度VS2大,即VS1VS2。图1各向异性介质与应力关系示意图在以上模型的假设前提下,让横波分别以下面几种不同的偏振情况由下向上传播通过介质,其偏振和传播规律如下:第一种情况:如图2a所示,S波偏振平行裂缝走向时,穿过裂缝介质的波偏振方向不变,以最快的速度VS1传播,波形振幅衰减小。第二种情况:如图2b所示,S波偏振垂直裂缝走向时,穿过裂缝介质的波偏振方向不变,以最慢的速度VS2传播,波形振幅衰减大。第三种情况:图2c所示,S波偏振斜交裂缝走向,这时偏振方向分裂成平行裂缝走向和垂直裂缝走向两部分,平行裂缝走向偏振的S波以快速度VS1传播,称为快横波,垂直裂缝走向偏振的S波以慢速度VS2传播,称为慢横波。这种现象称为S波分裂,也称为横波双折射。[2]2应用实例基于上述理论,在河北邢台某矿区进行了实际工作。该矿地质勘探程度较低,对采区的小构造基本无法控制,由此造成矿井在巷道掘进过程中屡屡出现水灾事故,本次工作主要依采集P波和P—S波为主。图2垂直裂缝各向异性介质横波分裂示意图2.1数据采集采集参数的选择依据要考虑到水文地质目的层的埋深、地层倾角、反射波主频等各项因素。由于三维相对二维而言能有效地提高信噪比,一般认为三维地震勘探的覆盖总次数约为二维的二分之一或三分之一时,即可达到同等的控制效果,特别是该参数的选择还应考虑到工作区的浅层及深层地震地质条件。空间采样适合于很多技术领域。针对三维三分量地震采集技术来讲,就是用分布在地面的离散的检波点来采集震源激发所形成的地震波场。为了使采集到的地震数据真实地反映地震波场的分布和特征,必须适当的选取空间采样率。激发方式的选择主要取决于工作区地层的倾向,考虑到更有利于有效地控制小构造及裂隙发育带即可。2.2资料处理三维地震数据处理总的流程与二维地震数据处理流程是相似的,它由三个步骤组成:叠前处理(包括三维速度分析)、偏移前处理和三维偏移处理与结果显示。三维地震数据处理流程中的某些处理模块可能不用,这要根据各个地区的情况而定。但是,组成三维地震数据处理的基本模块在任何一种三维地震处理中都是必用的。应当指出的是,三维地震数据处理是把全部地震数据做为一个整体来对待的,就像二维地震数据处理是以一条测线为一个处理整体一样。因此,一点或局部上出现原始数据或处理错误都会影响到全区。这就要求在三维处理中特别慎重地对待每个数据和参数,否则将引起反工,其浪费是惊人的。三维三分量地震资料处理是结合本实验的目的任务进行的,采用了保幅、高保真处理手段。基于纵、横波的差别,横波的处理是在纵波处理的基础上进行的。在本次实验项目中,针对断层含水性及裂隙带分布问题等布置了横波数据采集。横波采集的目标波场为P波入射到裂隙反射层后产生的分裂P波和分裂S波。分裂P波的特点是T0到时与正常P波反射相同,但波的偏振方向与射线成较大夹角(各向异性引起),从而在偏振上与横波类似。分裂S波则以P波速度入射,S波速度反射,波的偏振大致与射线垂直。本次勘探中未对S1快横波和S2慢横波进行分离(因为从技术上而言,目前尚无好的相应的波场分离处理软件)。本文地质地震数据采集为各向等权的观测采集方式。·46·2002年第11期煤炭工程问题探讨这一特点使得处理后的S波剖面的物理意义为各向等权的平均横波。2.3解释成果地震勘探资料的解释是地震勘探工作的最后阶段,它对取得良好的地质效果有着重要的意义。解释成果的正确与否将直接影响到油气等矿产资源的勘探和开发的进度、成本及经济效益。因此,解释工作受到特别的重视。为了搞好地震勘探资料的解释工作需要有一大批具有全面知识和广泛经验的地球物理专家。这些专家应当对地震学的原理清楚,对原始地震数据采集因素及工区地震地质条件以及它们对记录质量的影响有明确的了解,对处理方法和它们的效果及其对地震数据的作用有充分的认识,更重要的是要掌握现代解释方法和地质知识。只有这样才能把解释工作搞好。三维地震勘探资料的解释工作包括两个方面的内容。一个内容是将经过计算机处理的数据进行各种显示和做图,另一个内容是根据所得到的各种图件进行地质解释,通过地质解释获得探区范围内有价值的地下构造和它的发育史情况、岩性变化和含油气前景等情况。进而结合其它地球物理勘探资料和钻探所得的地质资料指出有利于水源的存在位置和地层段,划分出有利地区和部位。最后写出总结报告,估算地质储量并提出堵水方案。下图是按本方法在本次工作中所获得的典型剖面图,其中,图3:距7线10m.突水区在81—101CDP点间;图4:距5线10m;距9线10m.突出区在85—103CDP点间;图5:距7线10m;距11线10m.突水区在93—113CDP点间;图6:距9线10m;距13线10m.突水区在93—117CDP点间。T9分裂波为9煤的底板破裂带产生;T0分裂波为奥灰的破裂带产生。突水区为T9分裂波和T0分裂波的缺损区(大体上在剖面中部)。堵水结果表明:获取全方位角的反射波或分裂波资料所解决的水文地质问题在该实验区是较可靠的,已由生产矿应用并堵水成功。图43D3C得到的7线分裂波地震剖面(道间距2.5m)距5线10m;距9线10m突水区在85—103CDP点间图53D3C得到的9线分裂波地震剖面(道间距2.5m)距7线10m;距11线10m突水区在93—113CDP点间图63D3C得到的11线分裂波地震剖面(道间距2.5m)距9线10m;距13线10m突水区在93—117CDP点间图33D3C得到的5线分裂波地震剖面(道间距2.5m)距7线10m突水区在81—101CDP点间3结论通过该勘探实例表明,地震勘探采用以P波为基础,充分挖掘分裂波的信息来实现精细勘探是一种十分有效的方法,利用分裂波同P波的差异,可查找一些导水的破碎带裂缝、裂隙发育带,对矿井堵水工作可提供切实、可信的指导作用。结合本介绍的方法对煤矿防治水有一定的指导意义,同时表明,对该方法很有必要进一步加强理论和实验的研究。参考文献:[1]邵爱军,刘唐生,等.煤矿地下水与底板突水.地震出版社,2001.[2]李录明,等.多波多分量地震勘探原理及数据处理方法.成都科技大学出版社,1997.11.(责任编辑章新敏)·47·