煤田采空区中RVSP方法模拟的应用范文

摘要:为了提高煤田采空区的地震勘探精度，精准定位采空区边界。在传统VSP地震数据处理成像方法的基础上，通过正演模拟系统地研究了RVSP地震数据处理成像方法，并对采空区填充物及大小分别建立模型进行地震正演模拟数据分析，研究其成像特征。利用正演模拟研究成果，对某水务工程关键地段煤田采空区地震试验数据进行精细处理，并取得了理想的成像效果；形成了一套适合煤田采空区RVSP地震数据处理成像方法，对精准探测煤田采空区具有重要的实际意义。

关键词：采空区；RVSP；波场分离；速度场反演；偏移成像

煤田采空区对煤矿安全生产、重大工程建设和人民生命财产都存在重大安全隐患，由于采空区的塌陷、煤层开采方式、开采厚度、填充物、埋藏深度和时效性都存在较大的差异，势必会使得采空区内的地质条件和物理性质存在很大区别，从而导致采空区定位精度较差[1-2]。前人对采空区的探测方法做了大量研究，并取得了一定的效果，但各种探测方法也存在局限性：如瞬变电磁法受场地的影响大且探测深度浅[3]；探地雷达虽探测分辨率高但是勘探深度较浅[4]；地震CT施工难度大探测范围小[5]；地面浅层地震勘探由于频率和能量衰减严重，其分辨率不高[6]；传统VSP(VerticalSeismicProfiling)方法因施工成本高，很难大面积开展[7-12]。本文将RVSP(ReverseVerticalSeismicProfiling)地震数据处理成像方法应用于采空区探测研究，形成了适合煤田采空区RVSP地震数据处理成像方法，对精准探测煤田采空区具有重要的意义。传统地面地震勘探方法和VSP方法结合形成了WalkawayVSP，即震源地面滚动激发检波器置于钻井中接收。相比于WalkawayVSP，RVSP方法采用与之相反的激发接收观测方式，具有很多优势：a.检波器使用地面检波器即可，无需耐高温耐高压；b.地面布设检波器更为方便，可以全方位观测，扩大了勘探区域，增加了覆盖次数；c.地震波从坚实的岩层传播到地面能量衰减大大降低，主频衰减降低；d.相对于地面3D采集，RVSP观测方式采集成本低；e.资料的信噪比较高，井中激发减少了面波的产生[13-17]。由于井中震源研发不成熟从而导致RVSP技术发展缓慢，起初RVSP主要以随钻地震思想为主。1936年，国外学者B.B.Weatherby第一次提出利用钻头振动作为震源[18]；1994年，我国科研人员方家福最早引入随钻RVSP[19]；随后东方地球物理公司将该方法应用于油气勘探；最近十几年来，国内研究人员陆续对爆震RVSP进行试验研究，通常采用炸药震源[20]。2003年朱龙生[21]对多方位角RVSP层析成像进行了研究；中石化胜利油田立项展开了深部RVSP地震采集处理关键技术研究[22]。国内RVSP方法多应用于油气勘探领域并取得了一定的效果，但在工程和煤矿等领域应用甚少[14]。2013年中国矿业大学潘冬明教授科研团队对煤层气勘探三维RVSP技术进行了深入研究，并提出RVSP等效地面处理成像新方法，取得了很好的应用效果[23-24]。笔者在前人的研究基础上将RVSP技术应用于定位煤田采空区，利用类VSP数据处理成像原理，获得了可靠的RVSP成像剖面，以便精准定位煤田采空区范围。

1RVSP数据正演模拟及波场分析

RVSP地震波场数值模拟可以直观地展现地震波井中激发在不同介质中的传播过程，我们可以通过正演模拟研究不同采空区形态和不同填充物对地震波场的影响，从而指导实际资料的处理和解释。通过有限差分法求解波动方程进行RVSP地震波场数值模拟[25]，来研究煤田采空区的地震响应特征。根据野外实际钻孔资料的地层信息建立地震地质模型如图1所示，模型大小为1200m×1000m，地层物性参数见表1，单分量检波器沿地面等间距布设，道距为10m，接收道数121，激发井段100~500m，炮距10m，炮数41，采样间隔为1ms，采样长度为1s，子波主频80Hz。图2a为M1模型正演模拟100m处激发产生的地震单炮数据。由于激发点在井中且存在偏移距，RVSP记录中的直达波是曲线形态。和地面地震记录一样，RVSP记录中也存在反射波、多次波和绕射波等，但是RVSP记录中是不产生面波的。RVSP地震记录中能量差别很大，直达波能量很强，井中激发能量和频率衰减较弱，相对于地面记录高频成分可以很好地保存下来，这些正是RVSP记录的优势。为研究煤层采空与未采空的波场特征，将图1模型中的煤层替换为等效空气介质(M2模型)来模拟煤层全采空时波场特征，等效空气介质纵波速度为600m/s。将图1模型中X=500~700m的煤层区域采空(M3模型)来模拟采煤巷道特征。图2a—图2c分别为3种煤层开采情况下的正演模拟数据，激发井深均为100m，从地震记录中可以看出煤层开采与否其地震波场特征完全不同。图3分别是将上述3种情况下的地震记录抽取共接收点道集(CommonReciverPoint，CRP)，即VSP道集。图3a中煤层顶底板反射旅行时差小，图3b中顶底板反射旅行时差较大，图3c中顶底板反射旅行时差左边大右边依次减小。根据顶底板反射旅行时差的大小，可以判断煤层与采空区的区别。

2RVSP数据处理与成像

本次采用的RVSP数据处理成像思路与常规VSP地震数据处理一致，VSP数据处理方法可以很好地将上下行波分离开[26-30]，图4为RVSP数据处理流程图。根据上述数据处理流程对上节所述的3种模型进行了处理，图5分别为相应的叠加剖面，从叠加剖面中可以看出，煤层反射波能量较强。图5a中箭头所指层位为煤层反射，因为煤层较薄，顶底板反射波旅行时差较小。图5b中采空区填充为等效空气介质速度较低，采空区顶底板反射波旅行时差较大。图5c中两条竖直的虚线为采煤巷道边界，虚线内可以看出顶底板反射波旅行时差较大，而虚线外顶底板反射波旅行时差小，采空区与未采空区形成了鲜明的对比。为了精确定位采空区边界，对M3模型叠加剖面的瞬时属性进行了分析对比。图6为叠加剖面的瞬时振幅、希尔伯特变换、瞬时相位属性，从图6a中可以清晰地看出虚线两边振幅极大值有2个，为煤层顶底板反射。图6b为希尔伯特变换，其物理意义是在振幅不变的情况下，将正频率部分移动–π/2，负频率部分移动π/2，这刚好将采空区顶板显示出来，如虚线框图中所示。图6c中同振幅属性一致，虚线两边相位极大值有2个。

3RVSP方法实际应用

为了验证RVSP方法和处理思路的可行性，对某水务工程关键地段煤田采空区地震试验数据进行了精细处理。在测区布设了3口试验钻孔如图7所示，钻孔为TN-1，TN-2和TN-3井，其中TN-2井打到了煤层，TN-1井和TN-3井打到了采空区。在TN-2井做单分量RVSP地震试验数据采集，测线位置如图7所示，道距和炮距都为10m，采样间隔0.5ms，采样长度2.4s。对实际资料进行精细处理后得到RVSP叠加剖面。图8为TN21测线叠加剖面，从图虚线框中可以看出煤层同相轴完好，且顶底板反射波时差较小，说明该测线下方煤层未开采。图9a为TN22测线叠加剖面，图中虚线框内的同相轴紊乱或缺失，与右边同相轴相比顶底反射波旅行时差较大，表明该测段煤层已被开采，其瞬时属性剖面中也可以得到采空区信息如图9b所示，虚线框中振幅能量较弱。RVSP试验数据叠加剖面解释成果与钻孔和已知煤层开采位置高度吻合，在该地区的试验效果很成功。

4结论

a.通过正演模拟得到RVSP地震数据，测试了RVSP地震数据处理思路是可行的，并得到了采空区地震波瞬时振幅能量较弱，瞬时相位发生偏移。

b.将RVSP处理成像技术运用到煤田采空区探测方面得到了很好的应用效果。

c.结合成像剖面的地震属性分析，可以精准定位煤田采空区的边界。

作者：杨咏梅 孙乃泉 刘永华 魏晋平 单位：长安大学电子与控制工程学院