煤田采空區中RVSP方法模擬的應用范文

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摘要:為了提高煤田采空區的地震勘探精度，精準定位采空區邊界。在傳統VSP地震數據處理成像方法的基礎上，通過正演模擬系統地研究了rvsp地震數據處理成像方法，并對采空區填充物及大小分別建立模型進行地震正演模擬數據分析，研究其成像特征。利用正演模擬研究成果，對某水務工程關鍵地段煤田采空區地震試驗數據進行精細處理，并取得了理想的成像效果；形成了一套適合煤田采空區RVSP地震數據處理成像方法，對精準探測煤田采空區具有重要的實際意義。

關鍵詞：采空區；RVSP；波場分離；速度場反演；偏移成像

煤田采空區對煤礦安全生產、重大工程建設和人民生命財產都存在重大安全隱患，由于采空區的塌陷、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，勢必會使得采空區內的地質條件和物理性質存在很大區別，從而導致采空區定位精度較差[1-2]。前人對采空區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重，其分辨率不高[6]；傳統VSP(VerticalSeismicProfiling)方法因施工成本高，很難大面積開展[7-12]。本文將RVSP(ReverseVerticalSeismicProfiling)地震數據處理成像方法應用于采空區探測研究，形成了適合煤田采空區RVSP地震數據處理成像方法，對精準探測煤田采空區具有重要的意義。傳統地面地震勘探方法和VSP方法結合形成了WalkawayVSP，即震源地面滾動激發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接收觀測方式，具有很多優勢：a.檢波器使用地面檢波器即可，無需耐高溫耐高壓；b.地面布設檢波器更為方便，可以全方位觀測，擴大了勘探區域，增加了覆蓋次數；c.地震波從堅實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，井中激發減少了面波的產生[13-17]。由于井中震源研發不成熟從而導致RVSP技術發展緩慢，起初RVSP主要以隨鉆地震思想為主。1936年，國外學者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用于油氣勘探；最近十幾年來，國內研究人員陸續對爆震RVSP進行試驗研究，通常采用炸藥震源[20]。2003年朱龍生[21]對多方位角RVSP層析成像進行了研究；中石化勝利油田立項展開了深部RVSP地震采集處理關鍵技術研究[22]。國內RVSP方法多應用于油氣勘探領域并取得了一定的效果，但在工程和煤礦等領域應用甚少[14]。2013年中國礦業大學潘冬明教授科研團隊對煤層氣勘探三維RVSP技術進行了深入研究，并提出RVSP等效地面處理成像新方法，取得了很好的應用效果[23-24]。筆者在前人的研究基礎上將RVSP技術應用于定位煤田采空區，利用類VSP數據處理成像原理，獲得了可靠的RVSP成像剖面，以便精準定位煤田采空區范圍。

1RVSP數據正演模擬及波場分析

RVSP地震波場數值模擬可以直觀地展現地震波井中激發在不同介質中的傳播過程，我們可以通過正演模擬研究不同采空區形態和不同填充物對地震波場的影響，從而指導實際資料的處理和解釋。通過有限差分法求解波動方程進行RVSP地震波場數值模擬[25]，來研究煤田采空區的地震響應特征。根據野外實際鉆孔資料的地層信息建立地震地質模型如圖1所示，模型大小為1200m×1000m，地層物性參數見表1，單分量檢波器沿地面等間距布設，道距為10m，接收道數121，激發井段100~500m，炮距10m，炮數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處激發產生的地震單炮數據。由于激發點在井中且存在偏移距，RVSP記錄中的直達波是曲線形態。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記錄中是不產生面波的。RVSP地震記錄中能量差別很大，直達波能量很強，井中激發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(M2模型)來模擬煤層全采空時波場特征，等效空氣介質縱波速度為600m/s。將圖1模型中X=500~700m的煤層區域采空(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據，激發井深均為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道集(CommonReciverPoint，CRP)，即VSP道集。圖3a中煤層頂底板反射旅行時差小，圖3b中頂底板反射旅行時差較大，圖3c中頂底板反射旅行時差左邊大右邊依次減小。根據頂底板反射旅行時差的大小，可以判斷煤層與采空區的區別。

2RVSP數據處理與成像

本次采用的RVSP數據處理成像思路與常規VSP地震數據處理一致，VSP數據處理方法可以很好地將上下行波分離開[26-30]，圖4為RVSP數據處理流程圖。根據上述數據處理流程對上節所述的3種模型進行了處理，圖5分別為相應的疊加剖面，從疊加剖面中可以看出，煤層反射波能量較強。圖5a中箭頭所指層位為煤層反射，因為煤層較薄，頂底板反射波旅行時差較小。圖5b中采空區填充為等效空氣介質速度較低，采空區頂底板反射波旅行時差較大。圖5c中兩條豎直的虛線為采煤巷道邊界，虛線內可以看出頂底板反射波旅行時差較大，而虛線外頂底板反射波旅行時差小，采空區與未采空區形成了鮮明的對比。為了精確定位采空區邊界，對M3模型疊加剖面的瞬時屬性進行了分析對比。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，為煤層頂底板反射。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，負頻率部分移動π/2，這剛好將采空區頂板顯示出來，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方法實際應用

為了驗證RVSP方法和處理思路的可行性，對某水務工程關鍵地段煤田采空區地震試驗數據進行了精細處理。在測區布設了3口試驗鉆孔如圖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。在TN-2井做單分量RVSP地震試驗數據采集，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。對實際資料進行精細處理后得到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，且頂底板反射波時差較小，說明該測線下方煤層未開采。圖9a為TN22測線疊加剖面，圖中虛線框內的同相軸紊亂或缺失，與右邊同相軸相比頂底反射波旅行時差較大，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信息如圖9b所示，虛線框中振幅能量較弱。RVSP試驗數據疊加剖面解釋成果與鉆孔和已知煤層開采位置高度吻合，在該地區的試驗效果很成功。

4結論

a.通過正演模擬得到RVSP地震數據，測試了RVSP地震數據處理思路是可行的，并得到了采空區地震波瞬時振幅能量較弱，瞬時相位發生偏移。

b.將RVSP處理成像技術運用到煤田采空區探測方面得到了很好的應用效果。

c.結合成像剖面的地震屬性分析，可以精準定位煤田采空區的邊界。

作者：楊詠梅 孫乃泉 劉永華 魏晉平 單位：長安大學電子與控制工程學院