地震超前探测技术

地震波超前探测技术地物10-2班张明川吴旭东姜重昕目前用于超前探测的方法主要有直接钻探法、地震波法、井巷电阻率法、电磁波法等。其中反射地震波法是应用最多的一种方法，具体来说，依据反射波原理超前探测的方法主要有隧道地震剖面系统、隧道垂直地震剖面法、水平声波剖面法、真反射成像法、综合地震成像系统以及陆地声纳法等。1、隧道地震超前预报系统(TunnelSeismicPredic—tion，TSP系统；最新款为TSP一203型)：是由瑞士安伯格(Amberg)测量技术公司研制的一套先进的地质超前预报探测系统。，采用了回声测量原理，通过分析反射地震波信号的运动学和动力学特征，对断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数进行计算与界面提取成图。其成果解释依据：正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；若s波反射较P波强，则表明岩层饱含水；若Vp／Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起；若下降，则表明裂隙度或孔隙度增加；该方法有效探测距离在200m左右。2、负视速度法、垂直地震剖面法：地震负视速度法类似于TSP法，20世纪90年代初由曾兆璜提出，或称隧道垂直地震剖面法(TVSP)它利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特征，来预报隧道施工开挖面前方及周围区域的地质情况。同样在隧道洞室侧壁的一定范围内布点进行激发与接收反射波，反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像上呈负视速度。其延长线与直达波延长线交点即为反射界面的位置。当所得记录中没有明显反射波时，预测开挖面前方的岩质是均质的。通常负视速度法是测试面与所要探测的地质界面相互垂直，这种方法对与巷道夹角大于70度的异常界面适用性强。3、水平声波剖面法(HorizontalSeismicProfiling．HSP)：最早由日本OYO公司在20世纪50年代用于隧道前方地质探查。其工作原理与地表反射地震类似，是分析反射波走时计算地层界面位置。HSP施工布置在距隧道迎头50～70m范Ⅲ内，同样在一侧帮取2m左右深裸孔放置炸药，激发地震波，24个左右高频传感器接收地震波。HSP数据处理经过波场分离和叠前偏移可获得清晰的成像结果。图1为HSP法偏移结果的三维切片。4、真反射层析成像(TrueReflectionTomography，TRT)是由美国NSA工程公司20世纪90年代后期开发完成，目前在欧洲、亚洲开始应用，其巾日本、澳大利亚和香港隧道工程中应用最多。FRT方法在观测方式和资料处理方法上与TSP法有很大不同。在观测上，它采用的是空间多点接收和激发系统。检波器和激发的炮点呈空间分布，布置在巷道迎头、顶板及两个侧帮上，以充分获得空间波场信息，提高对前方不良地质体的定位精度。在资料处理方法上是通过速度扫描和偏移成像。该方法对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分等都有较高的精度5、综合地震成像系统(IntegratedSeismicImagingSystem，ISIS)，是1999年由德国GFZ公司与基尔大学合作完成的一套地震测试系统。它将3个相互垂直状态的检波器，利用粘固剂固定在锚杆上，按一定间距安装在隧道的墙面上。并利用TBM作为震源激发地震波，从而接收地震记录。数据处理是采用Fresnel—Volume偏移成像技术完成的。该方法可对隧道及井巷工程掘进前方以及顶部的复杂地质构造进行较为全面的预报。6、陆地声纳法(也叫高频地震反射法)是钟世航1992年提出的，其实质是垂直地震波反射法。该方法在隧道掌子面上采用极小偏移距，单点采集高频地震反射信号形成连续剖面，通过十字形观测系统和宽频带脉冲接收技术，预报掌子面前方断层及其它地质界面的位置和产状。该方法优点是分辨率高，但需占用掌子面。1.弹性波动方程交错网格有限差分数值模拟二维波动方程应力与速度关系为地震超前探测数值模拟及波场特征式中，σxx、σzz分别为沿x、z方向的正应力;σxz为剪应力;λ、μ为拉梅参数;vx、vz为质点沿x、z方向的振动速度;t为传播时间对一阶速度－应力弹性波动微分方程进行2阶时间差分精度和4阶空间差分精度的交错网格有限差分，其紧致差分格式为:模拟过程中取Δx=Δz=1m，Δt=0.1ms，震源函数采用频率为150Hz的雷克子波纵波源激发，在施工现场考虑安全因素可采用机械震源和小药量炸药震源等。模型边界采用Cerjan吸收边界，以减小人工边界产生的边界干扰。根据以上差分格式和边界条件,利用计算机软件进行数值模拟。2.水平层状地层采煤巷道内激发的地震波场特征煤系地层是典型的层状结构，可将煤层与层状顶底板看作横向各向同性均匀介质。据此，设计了采煤巷道工作面的层状模型1顶板:vp=2600m/s，vs=1700m/s，ρ=2000kg/m3;巷道:vp=340m/s，vs=0，ρ=100kg/m3;煤层:vp=2200m/s，vs=1200m/s，ρ=1400kg/m3;底板:vp=3000m/s，vs=2100m/s，ρ=2400kg/m3;底板下岩层:vp=2600m/s，vs=1700m/s，ρ=2000kg/m3;vp为纵波速度;vs为横波速度;ρ为密度，下同图2为模型1地照震波波场在不同时刻的波场快。图2(a)表明，波场中存在顶板纵波、顶板横波、底板纵波、底板横波、巷道内管波、巷道内声波、煤层纵波、煤层横波以及在顶底板界面和工作面上产生的多次反射波、转换波、绕射波等。由于传播时间较短，在煤层内的煤层纵波和煤层横波及顶、底板之间的多次反射波混叠在一起。图3为采用模型1中的激发接收方式的200ms地震记录，其中同相轴1为底板直达纵波;同相轴2为底板直达横波和巷道内管波混叠;同相轴3为底板下界面反射波;同相轴4为巷道内声波。从图3地震记录中没有发现能量较强的在顶板中传播的各类波，因此采用工作面激发地板接收的观测接收方式可以有效排除顶板波的干扰。3.巷道前方存在地质异常体的地震波场特征在模型1的基础上设计了采煤工作面前方100m处存在界面为倾斜的侵入地质体模型2侵入地质体:vp=3600m/s，vs=2700m/s，ρ=3000kg/m3图5为模型2地震波波场在不同时刻的波场快照，与图2相比可见，模型2波场更为复杂。模型2波场中除了存在模型1波场中的各类波外，还存在各类波在地质体界面产生的透射波和反射波。图6为模型2的200ms地震记录，与图3模型1的地震记录相比较，可以发现其中除了含有模型1接收记录中的各类波同相轴外，还存在在工作面前方构造界面上产生的绕射波同相轴1和反射波同相轴2。1激发装置1.1震源类型：激发装置包括震源类型与触发方式。要求震源能量大,频率高,和采用小药量爆炸震源在业内已达成共识,但高质量的震源信号还与岩体的围岩质量、起爆时炮眼内是否注满水有关。同等条件下,水中起爆和无水起爆相比较,其地震波的传播距离前者是后者的1.5~2倍,地震波频率前者比后者高1.5~3倍,在充满水条件下可有效压制管波的干扰能量。数据采集参数选择1.2触发方式：触发时间精度关系到地震波的读时精度和速度的准确性。2接收装置接收传感器是地震数据采集最为关键的设备之一,其性能直接关系到地震数据的质量和地震波成像的精度。三分量检波器必须具有高保真、高指向性能和较宽频带响应等特点,保证地震波波形完整、纵横波信息丰富明确。3采集参数3.1炮距与常规地震勘探相比,隧道地震波沿岩体传播,速度快频率高,记录的延时误差与人为的读数误差对解释成果的影响更大。同一炮距条件下预报误差随岩体速度增大而增大,同一岩体条件下预报误差随着炮距的增大而减小。但坚硬岩与硬岩隧道炮距宜选大,可选2m;软岩与较软岩隧道地震波衰减快,炮距宜选小,可选1~1.5m。3.2偏移距坚硬岩与硬岩隧道偏移距宜选大,可选35~50m;软岩与较软岩隧道在无管波干扰条件下偏移距宜选15~25m,在管波干扰条件下应综合考虑预报距离适当加大偏移距,可选20~30m。3.3采样率与采样点数一般软岩的地震波(小药量爆破激发)频率为200~600Hz,硬岩为400~1500Hz。根据抽样定理,抽样间隔$与谐振最大频率fmax必须满足f1/2fmax。以最高频率1500Hz计算,只要小于0.333ms即可,考虑读数精度一般采用高采样率采集,即选用0.05~0.1ms,采样点数与预报距离有关,预报距离在100~200m范围采样点数选2048~4096。1地质概况龙东煤矿隶属上海大屯能源股份有限公司，位于江苏省徐州市。井田含煤地层有太原组、山西组、下石盒子组，其中可采或局部可采煤层为7、17、21号煤层。本区位于滕鱼复向斜中滕县的倾伏部位，井田内褶皱构造较为发育；褶曲内断裂构造发育，断层分布很不均匀，大断层多分布于井田东南部和西部，并成束状、枝状分布，制约矿井安全生产。矿井地震超前探测技术在龙东矿的应用在龙东矿21试煤采区回风巷迎头有限空间内展开，测线布置巷道左帮上，采用炸药震源。其炮孔20个，接收传感器点为2个即C1、C2。传感器及炮孔顺序、方位及炮间距见图，炮点布置在左帮。其中C1传感器距离S20号炮点21.8m，C2点距C1点5m。测点W20距离C2传感器19.5m。采集数据是KDZ1114-6B30地震仪利用两个三分量传感器C1、C2接收20炮地数据。地震波形的频谱分析图现场实采波形及直达波速度拟合从图中可以看出直达纵波速度为5000m/s，直达横波速度为2780m/s。利用直达波速度可基本确定本探测区域速度范围并作为深度偏移时的速度背景值。深度偏深度偏移处理为MSP处理的核心部分。在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上，以此成果图件为基础提取巷道前方反射界面。基于直达波速度，本次均匀横波速度背景值取值为2780m/s。由于采用炸药震源，探测距离较远，整体探测距离达到168.5m，其中已揭露区68.5m，未揭露区100m。MSP深度偏移结果图（SV波）从图中可以提取出5个异常界面，分别为R1(迎头前22.5m)、R2(迎头前方40.5m)、R3(迎头前方54.5m)、R4(迎头前方64.5m)、R5(迎头前方98.5m)。结合地质资料，5个异常界面解释为小断层。根据现场掘进实测剖面资料，21煤试采区回风巷的2010-03-02迎头处（测点W20+87.9m）前方100m范围内存在5个小断层，分别为：①迎头前方28.7m处存在一小断层∠70°,落差H为0.30m；②迎头前方43.42m处存在一小断层∠80°,落差H为0.40m；③迎头前方50.32m处存在一小断层∠80°,落差H为0.40m；④迎头前方62.52m处存在一小断层∠80°,落差H为0.30m；⑤迎头前方94.78m处存在一正断层∠73°,落差H为1.40m。通过与现场结果验证对比，MSP探测异常界面个数与实际情况吻合良好，界面距离误差R1、R2、R3、R4、R5分别为：6.2m（R1）、2.92（R2）、4.18m（R3）、1.98m（R4）、3.72m（R5）。最大界面距离误差为6.2m，超前探测100m的误差率6.2%。