煤田采空區(qū)中RVSP方法模擬的應(yīng)用范文

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摘要:為了提高煤田采空區(qū)的地震勘探精度，精準(zhǔn)定位采空區(qū)邊界。在傳統(tǒng)VSP地震數(shù)據(jù)處理成像方法的基礎(chǔ)上，通過正演模擬系統(tǒng)地研究了rvsp地震數(shù)據(jù)處理成像方法，并對采空區(qū)填充物及大小分別建立模型進(jìn)行地震正演模擬數(shù)據(jù)分析，研究其成像特征。利用正演模擬研究成果，對某水務(wù)工程關(guān)鍵地段煤田采空區(qū)地震試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，并取得了理想的成像效果；形成了一套適合煤田采空區(qū)RVSP地震數(shù)據(jù)處理成像方法，對精準(zhǔn)探測煤田采空區(qū)具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；RVSP；波場分離；速度場反演；偏移成像

煤田采空區(qū)對煤礦安全生產(chǎn)、重大工程建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)都存在重大安全隱患，由于采空區(qū)的塌陷、煤層開采方式、開采厚度、填充物、埋藏深度和時效性都存在較大的差異，勢必會使得采空區(qū)內(nèi)的地質(zhì)條件和物理性質(zhì)存在很大區(qū)別，從而導(dǎo)致采空區(qū)定位精度較差[1-2]。前人對采空區(qū)的探測方法做了大量研究，并取得了一定的效果，但各種探測方法也存在局限性：如瞬變電磁法受場地的影響大且探測深度淺[3]；探地雷達(dá)雖探測分辨率高但是勘探深度較淺[4]；地震CT施工難度大探測范圍小[5]；地面淺層地震勘探由于頻率和能量衰減嚴(yán)重，其分辨率不高[6]；傳統(tǒng)VSP(VerticalSeismicProfiling)方法因施工成本高，很難大面積開展[7-12]。本文將RVSP(ReverseVerticalSeismicProfiling)地震數(shù)據(jù)處理成像方法應(yīng)用于采空區(qū)探測研究，形成了適合煤田采空區(qū)RVSP地震數(shù)據(jù)處理成像方法，對精準(zhǔn)探測煤田采空區(qū)具有重要的意義。傳統(tǒng)地面地震勘探方法和VSP方法結(jié)合形成了WalkawayVSP，即震源地面滾動激發(fā)檢波器置于鉆井中接收。相比于WalkawayVSP，RVSP方法采用與之相反的激發(fā)接收觀測方式，具有很多優(yōu)勢：a.檢波器使用地面檢波器即可，無需耐高溫耐高壓；b.地面布設(shè)檢波器更為方便，可以全方位觀測，擴(kuò)大了勘探區(qū)域，增加了覆蓋次數(shù)；c.地震波從堅(jiān)實(shí)的巖層傳播到地面能量衰減大大降低，主頻衰減降低；d.相對于地面3D采集，RVSP觀測方式采集成本低；e.資料的信噪比較高，井中激發(fā)減少了面波的產(chǎn)生[13-17]。由于井中震源研發(fā)不成熟從而導(dǎo)致RVSP技術(shù)發(fā)展緩慢，起初RVSP主要以隨鉆地震思想為主。1936年，國外學(xué)者B.B.Weatherby第一次提出利用鉆頭振動作為震源[18]；1994年，我國科研人員方家福最早引入隨鉆RVSP[19]；隨后東方地球物理公司將該方法應(yīng)用于油氣勘探；最近十幾年來，國內(nèi)研究人員陸續(xù)對爆震RVSP進(jìn)行試驗(yàn)研究，通常采用炸藥震源[20]。2003年朱龍生[21]對多方位角RVSP層析成像進(jìn)行了研究；中石化勝利油田立項(xiàng)展開了深部RVSP地震采集處理關(guān)鍵技術(shù)研究[22]。國內(nèi)RVSP方法多應(yīng)用于油氣勘探領(lǐng)域并取得了一定的效果，但在工程和煤礦等領(lǐng)域應(yīng)用甚少[14]。2013年中國礦業(yè)大學(xué)潘冬明教授科研團(tuán)隊(duì)對煤層氣勘探三維RVSP技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并提出RVSP等效地面處理成像新方法，取得了很好的應(yīng)用效果[23-24]。筆者在前人的研究基礎(chǔ)上將RVSP技術(shù)應(yīng)用于定位煤田采空區(qū)，利用類VSP數(shù)據(jù)處理成像原理，獲得了可靠的RVSP成像剖面，以便精準(zhǔn)定位煤田采空區(qū)范圍。

1RVSP數(shù)據(jù)正演模擬及波場分析

RVSP地震波場數(shù)值模擬可以直觀地展現(xiàn)地震波井中激發(fā)在不同介質(zhì)中的傳播過程，我們可以通過正演模擬研究不同采空區(qū)形態(tài)和不同填充物對地震波場的影響，從而指導(dǎo)實(shí)際資料的處理和解釋。通過有限差分法求解波動方程進(jìn)行RVSP地震波場數(shù)值模擬[25]，來研究煤田采空區(qū)的地震響應(yīng)特征。根據(jù)野外實(shí)際鉆孔資料的地層信息建立地震地質(zhì)模型如圖1所示，模型大小為1200m×1000m，地層物性參數(shù)見表1，單分量檢波器沿地面等間距布設(shè)，道距為10m，接收道數(shù)121，激發(fā)井段100~500m，炮距10m，炮數(shù)41，采樣間隔為1ms，采樣長度為1s，子波主頻80Hz。圖2a為M1模型正演模擬100m處激發(fā)產(chǎn)生的地震單炮數(shù)據(jù)。由于激發(fā)點(diǎn)在井中且存在偏移距，RVSP記錄中的直達(dá)波是曲線形態(tài)。和地面地震記錄一樣，RVSP記錄中也存在反射波、多次波和繞射波等，但是RVSP記錄中是不產(chǎn)生面波的。RVSP地震記錄中能量差別很大，直達(dá)波能量很強(qiáng)，井中激發(fā)能量和頻率衰減較弱，相對于地面記錄高頻成分可以很好地保存下來，這些正是RVSP記錄的優(yōu)勢。為研究煤層采空與未采空的波場特征，將圖1模型中的煤層替換為等效空氣介質(zhì)(M2模型)來模擬煤層全采空時波場特征，等效空氣介質(zhì)縱波速度為600m/s。將圖1模型中X=500~700m的煤層區(qū)域采空(M3模型)來模擬采煤巷道特征。圖2a—圖2c分別為3種煤層開采情況下的正演模擬數(shù)據(jù)，激發(fā)井深均為100m，從地震記錄中可以看出煤層開采與否其地震波場特征完全不同。圖3分別是將上述3種情況下的地震記錄抽取共接收點(diǎn)道集(CommonReciverPoint，CRP)，即VSP道集。圖3a中煤層頂?shù)装宸瓷渎眯袝r差小，圖3b中頂?shù)装宸瓷渎眯袝r差較大，圖3c中頂?shù)装宸瓷渎眯袝r差左邊大右邊依次減小。根據(jù)頂?shù)装宸瓷渎眯袝r差的大小，可以判斷煤層與采空區(qū)的區(qū)別。

2RVSP數(shù)據(jù)處理與成像

本次采用的RVSP數(shù)據(jù)處理成像思路與常規(guī)VSP地震數(shù)據(jù)處理一致，VSP數(shù)據(jù)處理方法可以很好地將上下行波分離開[26-30]，圖4為RVSP數(shù)據(jù)處理流程圖。根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理流程對上節(jié)所述的3種模型進(jìn)行了處理，圖5分別為相應(yīng)的疊加剖面，從疊加剖面中可以看出，煤層反射波能量較強(qiáng)。圖5a中箭頭所指層位為煤層反射，因?yàn)槊簩虞^薄，頂?shù)装宸瓷洳眯袝r差較小。圖5b中采空區(qū)填充為等效空氣介質(zhì)速度較低，采空區(qū)頂?shù)装宸瓷洳眯袝r差較大。圖5c中兩條豎直的虛線為采煤巷道邊界，虛線內(nèi)可以看出頂?shù)装宸瓷洳眯袝r差較大，而虛線外頂?shù)装宸瓷洳眯袝r差小，采空區(qū)與未采空區(qū)形成了鮮明的對比。為了精確定位采空區(qū)邊界，對M3模型疊加剖面的瞬時屬性進(jìn)行了分析對比。圖6為疊加剖面的瞬時振幅、希爾伯特變換、瞬時相位屬性，從圖6a中可以清晰地看出虛線兩邊振幅極大值有2個，為煤層頂?shù)装宸瓷?。圖6b為希爾伯特變換，其物理意義是在振幅不變的情況下，將正頻率部分移動–π/2，負(fù)頻率部分移動π/2，這剛好將采空區(qū)頂板顯示出來，如虛線框圖中所示。圖6c中同振幅屬性一致，虛線兩邊相位極大值有2個。

3RVSP方法實(shí)際應(yīng)用

為了驗(yàn)證RVSP方法和處理思路的可行性，對某水務(wù)工程關(guān)鍵地段煤田采空區(qū)地震試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了精細(xì)處理。在測區(qū)布設(shè)了3口試驗(yàn)鉆孔如圖7所示，鉆孔為TN-1，TN-2和TN-3井，其中TN-2井打到了煤層，TN-1井和TN-3井打到了采空區(qū)。在TN-2井做單分量RVSP地震試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，測線位置如圖7所示，道距和炮距都為10m，采樣間隔0.5ms，采樣長度2.4s。對實(shí)際資料進(jìn)行精細(xì)處理后得到RVSP疊加剖面。圖8為TN21測線疊加剖面，從圖虛線框中可以看出煤層同相軸完好，且頂?shù)装宸瓷洳〞r差較小，說明該測線下方煤層未開采。圖9a為TN22測線疊加剖面，圖中虛線框內(nèi)的同相軸紊亂或缺失，與右邊同相軸相比頂?shù)追瓷洳眯袝r差較大，表明該測段煤層已被開采，其瞬時屬性剖面中也可以得到采空區(qū)信息如圖9b所示，虛線框中振幅能量較弱。RVSP試驗(yàn)數(shù)據(jù)疊加剖面解釋成果與鉆孔和已知煤層開采位置高度吻合，在該地區(qū)的試驗(yàn)效果很成功。

4結(jié)論

a.通過正演模擬得到RVSP地震數(shù)據(jù)，測試了RVSP地震數(shù)據(jù)處理思路是可行的，并得到了采空區(qū)地震波瞬時振幅能量較弱，瞬時相位發(fā)生偏移。

b.將RVSP處理成像技術(shù)運(yùn)用到煤田采空區(qū)探測方面得到了很好的應(yīng)用效果。

c.結(jié)合成像剖面的地震屬性分析，可以精準(zhǔn)定位煤田采空區(qū)的邊界。

作者：楊詠梅 孫乃泉 劉永華 魏晉平 單位：長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院