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物探与化探, 2025, 49(5): 1133-1140 doi: 10.11720/wtyht.2025.0155

方法研究信息处理仪器研制

煤矿井下巷道的地震识别效果及分析

杨晓东,1, 张建强2, 耿利强1, 张学启3, 程慧慧1, 康苒1

1.山西省煤炭地质物探测绘院有限公司,山西 晋中 030600

2.内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000

3.内蒙古伊泰煤炭股份有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000

Performance and analysis of seismic recognition in coal mine underground roadways

YANG Xiao-Dong,1, ZHANG Jian-Qiang2, GENG Li-Qiang1, ZHANG Xue-Qi3, CHENG Hui-Hui1, KANG Ran1

1. Coal Geological Geophysical Exploration Surveying & Mapping Institute of Shanxi Province,Jinzhong 030600,China

2. Inner Mongolia Yitai Guanglian Coal Chemical Co.,Ltd.,Ordos 017000,China

3. Inner Mongolia Yitai Coal Co.,Ltd.,Ordos 017000,China

第一作者: 杨晓东(1974-),男,正高级工程师,1999年本科毕业于中国矿业大学应用地球物理专业,2011年获太原理工大学工程硕士学位,主要从事煤田地震勘探的研究工作。Email:120980975@qq.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2025-04-13   修回日期: 2025-07-12  

基金资助: 山西地学智库开放基金项目(2024-6)

Received: 2025-04-13   Revised: 2025-07-12  

摘要

煤矿小窑及巷道采空区对煤矿安全生产影响较大。由于巷道空间尺度小,导致地球物理探测难度增大,对地震资料的分辨率和保真度有更高的要求。在三维地震资料采集中采用了节点地震仪,检波器固有频率为10 Hz。资料解释中通过提取均方根振幅发现有已知截面5 m×4 m的巷道显示,进一步提取谱分解属性、相干能量梯度等属性,能够增强巷道异常特征,所揭示异常中心与已知巷道位置一致。结合正演分析,说明10 Hz检波器对埋深大的煤矿巷道有较好的分辨率,属性技术是突出巷道异常的有效手段。研究成果对煤矿小窑和巷道采空区的解释有较好的参考价值。

关键词： 三维地震; 检波器; 地震属性; 模型正演; 煤矿巷道

Abstract

The small-scale coal mines and goaves of roadways in coal mines have a significant impact on coal mine safety production.Moreover,the limited space of roadways makes geophysical exploration very difficult,calling for higher requirements on the resolution and fidelity of seismic data.In this study,a node seismograph,with a 10 Hz natural frequency of geophones,was used for the acquisition of 3D seismic data.During data interpretation,the extraction root mean square(RMS) amplitude identified the presence of a known roadway with a cross-section of 5 m×4 m.Then,by further extracting the spectral decomposition attributes and coherent energy gradients,the characteristics of the roadway anomalies were intensified,with the revealed anomaly centers aligning with the known roadway positions.In conjunction with forward modeling analysis,the 10 Hz geophone exhibited a high resolution for deep-buried coal mine roadways, and the seismic attribute technologies proved to be an effective means to highlight roadway anomalies.These findings can provide critical reference for the interpretation of small coal seams and goaf-side roadways in coal mines.

Keywords： 3D seismic; geophone; seismic attribute; forward modeling; coal mine roadway

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本文引用格式

杨晓东, 张建强, 耿利强, 张学启, 程慧慧, 康苒. 煤矿井下巷道的地震识别效果及分析[J]. 物探与化探, 2025, 49(5): 1133-1140 doi:10.11720/wtyht.2025.0155

YANG Xiao-Dong, ZHANG Jian-Qiang, GENG Li-Qiang, ZHANG Xue-Qi, CHENG Hui-Hui, KANG Ran. Performance and analysis of seismic recognition in coal mine underground roadways[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(5): 1133-1140 doi:10.11720/wtyht.2025.0155

0 引言

煤矿采区三维地震勘探中,由于煤层埋深一般小于1 000 m,获得的地震资料反射波主频较高,野外数据采集中多采用固有频率较高的60 Hz检波器或中高频检波器[1-3],而油气勘探中常用固有频率较低的5 Hz 或10 Hz检波器[4]。近年来随着采区地震勘探深度的加大,节点数字地震仪器得到普及。节点地震仪尽管可以外挂不同固有频率的检波器,但目前主流的仍为5 Hz和10 Hz检波器[4]。

在三维地震资料解释过程中,不少学者利用等时切片、振幅、谱分解等地震属性对煤矿巷道进行异常检测和解释。张爱敏等[5]最早于1995年利用高分辨率三维地震资料精确检测到埋深460 m、截面3.2 m×3.8 m、相距50 m的巷道,地震资料主频65~85 Hz;朱红娟[6]利用振幅和能量属性对截面5 m×5 m、相距300 m的巷道进行了解释;陈强等[7]采用频谱分解方法查明了埋深大于460 m、巷高2.6 m的双层煤岩巷,地震波主频达到60 Hz以上;李君等[8]阐述了基于小波变换的频谱分解得到的40 Hz调谐频率体对掘进巷道反映明显;还有学者利用最大似然体属性技术和基于地震多属性融合技术提高了煤田老窑巷道的解释精度[9-10];单蕊[11]在2020年采用了全数字高密度(面元5 m×5 m)宽方位的采集技术,通过临近线小偏移距叠加获得了高品质地震数据体,在此基础上利用倾角曲率属性完整刻画了埋深380 m、截面5 m×4 m的煤矿巷道,地震资料主频达到50 Hz,有效频带15~140 Hz。从以往学者对巷道检测的地震数据来看,地震波主频都较高,埋深相对较小。本次研究区煤层埋深大(约850 m),采用了10 Hz的检波器接收,面元5 m×10 m,处理后的地震数据主频相对较低,但有效频带较宽,同样也有效地检测到了巷道。地震勘探的分辨率不但要看主频和频宽,最主要的是不能丢掉低频成分[12-13]。本文通过对研究区的地质模型正演及实际地震资料的分析,表明10 Hz检波器对埋深大的煤层巷道也有较好的地震分辨率。

1 巷道模型地震响应正演分析

1.1 巷道地质模型的建立

根据研究区巷道所在位置地层及煤层发育情况,建立二维地质模型,模型的长度4 000 m,深度1 000 m;共设计2层煤,从浅到深依次为3-1煤和4-1煤。两煤层间距为48 m,3-1煤深度为850 m,厚度8 m;4-1煤深度为898 m,厚度4 m。3-1煤层中设计2条宽度为5 m,高度4 m的巷道,两条煤巷间距为100 m,位于3-1煤的底板上,水平方向1 950 m、2 050 m位置处,深度为854 m。设计一条岩巷在3-1煤底板下20 m,水平位置2 000 m位置处,深度为878 m。三条巷道呈倒“品”字形(图1)。具体地球物理参数见表1。煤巷在勘探区内长1 750 m,岩巷长500 m,3条巷道由南到北平行布设。

图1

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图1   巷道地质模型(局部放大显示)

Fig.1   Geological model of roadway(partial zoom in display)


表1   巷道模型参数

Table 1  The parameters of the roadway model

介质厚度/m速度/(m·s-1)
盖层8503100
3-1煤层82000
煤(岩)巷4340
3-1煤层底板403200
4-1煤层42100
4-1煤层底板1063300

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1.2 巷道模型地震响应

基于该模型,结合本次野外采集观测系统参数和地震资料的主频情况,采用道距为10 m,最大炮检距955 m,30 Hz和60 Hz的Ricker子波,进行弹性波动方程正演模拟得到单炮记录,对单炮记录进行叠加和偏移,获得偏移时间剖面(图2)。

图2

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图2   正演模拟偏移剖面

Fig.2   Forward simulation migration profile


图2a为30 Hz子波正演时间剖面,剖面上形成了两个强反射波,分别为3-1煤层和4-1煤层的反射波。3-1煤层的反射波同相轴能够连续追踪,连续性无明显变化特征,煤巷附近振幅变化从视觉分辨率上较难判断增大还是减小,但反射波频率略有降低,出现较明显的下凹时延现象,最大延迟时间约为4 ms,正好等于反射波在煤巷顶部煤层中的双程旅行时8 m2000 m/s。

这是由于煤巷作为一个小尺度地质体,其尺度远小于地震波长(正演模拟的地震波长为103 m和52 m),在地震响应上主要表现为一个点源绕射体。煤巷与围岩波阻抗差异很大,产生的强能量绕射波(或称反射波)与煤巷上部煤层反射波复合后会造成煤巷附近3-1煤的反射波振幅变大,凸显出煤巷绕射波(或称反射波)特征,而非煤层反射波特征。根据菲涅尔带半径的定义及本次正演的参数,煤巷点绕射产生的菲涅尔带半径分别约为200 m和140 m,理论上偏移后煤巷绕射波应该收敛为一个点,实际上做不到完全归位。剖面上显示煤巷绕射在偏移后还有约10个CDP、50 m的影响范围。这也就是目前地震勘探对煤矿巷道采空和小窑采空区分辨率较低的原因之一,也是许多学者研究的绕射波成像热点[14-20]。

图2a中煤巷附近4-1煤层反射波出现频率略降、振幅变大、走时略微下凹的现象,这是由于巷道内气体的速度远小于围岩,导致煤巷底部反射波走时变长约23 ms8 m340 m/s,且煤巷底部反射波极性与顶部反射波极性相反,正好出现在4-1煤层反射波时间处,应该为煤巷底界面反射波(绕射波)表现的特征。4-1煤层反射波在煤巷一侧出现明显的能量减弱,推测为受岩巷强绕射波干扰所致。

图2b为60 Hz子波正演时间剖面,3-1煤层反射波特征基本与30 Hz剖面特征一致,由于主频高,从视觉分辨率上看没有30 Hz子波正演时间剖面特征明显,但煤巷附近反射波异常范围较小。这是由于绕射波的振幅变化依赖于频率变化,高频脉冲产生的绕射波响应不如低频脉冲[19]。

为了定量说明不同主频子波正演剖面上煤巷附近振幅的变化情况,提取3-1煤层反射波波峰的振幅(图3a)。从图3a中可以看到,两种主频的反射波振幅在煤巷处均变大,振幅变化趋势和形态基本一致,说明它们的振幅垂向分辨率基本一致,但60 Hz横向分辨率略高于30 Hz,原因就是高频脉冲产生的绕射波响应不如低频脉冲强,对正常反射波影响范围较小。

图3

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图3   正演时间剖面振幅和频谱特征

Fig.3   Amplitude and spectral characteristics of forward time profile


图3a中60 Hz反射波最大振幅约是30 Hz的两倍,原因是两种主频的反射波其薄层的振幅调谐厚度不一样(60 Hz对应调谐厚度8.3 m,30 Hz对应调谐厚度16.6 m)。剖面上两种主频的反射波在巷道处振幅相对变化最大约为20%,这也就是剖面上振幅异常特征不明显的原因。

从图3b和图3c正演剖面的频谱图上可以看出,在2个煤巷位置处,剖面的部分低频能量增强,高频略有增强,总体上频带略有变宽。

据此正演结果分析,为了提高煤巷反射波的异常特征,可以利用振幅、频率及梯度类属性来突出巷道的反射波异常特征。

2 研究区巷道地震响应特征

2.1 研究区地质概况

研究区位于内蒙古鄂尔多斯盆地东缘,区内地势平缓,相对高差小(13 km2内高差55 m)。地表主要为风积沙覆盖,厚度1.2~28.55 m,下伏为白垩系志丹群红色砂岩,地震激发均在基岩内。区内主要发育煤层为延安组3-1号煤层和4-1号煤层,3-1号煤层厚4.75~8.45 m,平均厚6.98 m,埋深约823 m,属全区稳定可采厚煤层;4-1号煤层厚2.26~6.72 m,平均厚4.79 m,埋深约872 m,为全区稳定可采中厚煤层。总体构造形态为向西倾斜的单斜,地层倾角1°~3°。未发育大的断层及褶皱,构造简单。

2.2 资料采集及处理成果分析

本次三维地震勘探数据采集采用中间放炮18线6炮制规则束状观测系统,叠加次数48次,面元5 m×10 m,横纵比为0.61,最大炮检距1 126 m。仪器采用节点地震仪,检波器的固有频率10 Hz。在资料处理中采用了高精度静校正技术、叠前保幅去噪、叠前一致性振幅处理、稳健地表一致性及井控反褶积、精细速度分析、叠前时间偏移技术等,获得了高信噪比、保幅宽频的三维地震数据体(图4a),资料主频为20~40 Hz(图4b),以频率振幅衰减-20 dB为标准,资料的有效频带宽度为10~70 Hz(图4c),有效频宽达2.6个倍频程。为下一步的属性提取、构造解释奠定了基础。

图4

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图4   研究区主要煤层地震时间剖面和频谱

Fig.4   Seismic time profiles of reflected waves and spectrum from main coal seams in the study area


图4a为与巷道走向垂直的叠前时间偏移剖面(岩巷不经过该剖面),蓝色线为巷道所在位置。剖面上两个强相位分别对应3-1煤层和4-1煤层的反射波,连续性和振幅没有明显变化。在巷道位置附近,3-1煤层反射波出现略微下凹,频率略有降低;4-1煤层反射波出现明显下凹。煤层反射波下部的弱反射波在巷道处出现中断下凹现象。巷道附近出现异常的反射波范围约10个CDP,50 m。这与30 Hz子波正演模型所反映的特征基本一致。

2.3 巷道的地震响应效果属性分析

对研究区三维地震数据体进行了属性计算和提取,获得了均方根、谱分解、相干能量梯度3种体属性。

沿3-1煤层反射波的层位提取了沿层切片,在3-1煤层反射波均方根振幅属性切片上(图5a),南北向出现两个振幅变大的红色异常条带,经与矿方提供的3-1煤层采掘平面图对比,异常条带为矿方正在施工的两条大巷。巷道间距为100 m,两个振幅异常条带中心的间距也为100 m。巷道异常范围宽约25 m,长度与实际巷道一致。这与正演模型揭示的煤巷处反射波振幅变大是一致的。图5b为提取的岩巷反射波的均方根振幅属性,在属性图上同样可以看到岩巷反射波振幅变大的异常。谱分解通过离散的傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)把地震数据变换到频率域,转换后的振幅谱可以描绘地层的厚度变化,反映出更清晰的断层等异常。对本区叠后地震数据利用短时窗傅里叶变换做时频分析,生成多个单频数据体,以期进一步提高巷道异常的分辨率。在30 Hz单频振幅顺层切片上(图5c),两个巷道处振幅变大异常更加明显,异常条带的连续性和分辨率高于均方根振幅属性。且两个振幅异常条带中心的间距也为100 m,每个巷道异常范围宽约25 m,长度与实际巷道一致。

图5

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图5   煤层反射波地震属性

Fig.5   Coal seam reflection wave seismic attribute


目前相干体的算法大致有:基于相关的算法、基于相似性的算法和基于本征结构分析的算法。基于本征结构分析算法具有更高的横向分辨率[21-25]。通常计算相干体的算法是计算地震数据总振幅的变化,而相干能量梯度计算地震数据相干分量的振幅变化,这样有利于突出一些细小的地质特征,从而提高解释精度[26-30],本次采用了基于本征结构分析算法来计算相干能量梯度。图5d为3-1煤层反射波相干能量梯度顺层切片,两个巷道处形成4个条带状梯度变大异常,相邻较近的两个条带状异常为一条巷道所产生,条带异常的连续性和分辨率均高于均方根振幅和谱分解属性异常。每个条带异常宽约25 m,相邻较近的两个异常条带中心的间距也为100 m,长度与实际巷道一致。图5e中4-1煤层反射波相干能量梯度顺层切片上也是同样的特征,只是梯度异常略微较小。这是因为煤巷附近4-1煤层反射波时间处,正好为煤巷底界面反射波出现的时间,煤巷附近4-1煤层反射波相干能量梯度异常实质为煤巷底界面反射波相干能量梯度异常。

从上面正演分析、实际资料反映特征及属性异常范围来分析,宽5 m的巷道会产生约25 m的地震异常响应,说明本次地震勘探资料在垂向分辨率达到5 m时,横向分辨率约为25 m。

3 结论

1)通过对煤矿巷道的地震数值正演模拟,揭示了巷道的地震响应特征,巷道作为一个特殊地质体,其产生的绕射波与煤层反射波复合导致地震勘探的分辨率降低,增加了勘探难度。

2)在本次地震勘探中采用了10 Hz的检波器接收,尽管获得的地震资料主频较低,但在有效频带宽的情况下也检测到了埋深大的煤矿巷道,体现了10 Hz的检波器有较好的分辨率。

3)地震资料的保幅宽频处理直接影响资料的分辨率。在资料处理中应尽可能地做到保幅宽频处理,以期提高资料的分辨率。

4)在地震地质条件复杂区,受地形、激发接收条件、地层倾角、煤层稳定性、构造复杂程度等影响,地震资料成像精度会降低,导致地震勘探分辨率降低。如何提高复杂区地震资料分辨率仍是我们地质工作者努力研究的目标。

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地震资料中的绕射波携带了小尺度地质异常体信息,可以更加清晰地刻画断层、边界以及缝洞储集体等非均质体构造,但在常规地震资料处理中,绕射波往往作为噪声被压制掉。对分离地震绕射波和反射波的方法以及绕射体单独成像方法进行了研究。首先,从理论上阐 述了地震绕射波的产生机制及地震特征;然后,从绕射波与反射波分离的角度出发,利用两者在不同域的形态差异,通过平面波分解技术、多聚焦叠加技术和聚焦切除反聚焦技术对绕射波与反射波进行分离;最后,应用高精度偏移方法对分离后的绕射波进行偏移成像。基于剖 析和总结典型地区的应用实例,发现绕射目标单独成像可以实现小尺度异常体的识别,非均质地质体的成像精度显著提高,对高精度地震解释具有重要意义。由于绕射波本质上是三维现象,在三维情况下实现绕射波与反射波的分离并成像具有重要意义,也是未来研究与应用的 发展方向。

Luan X W, Yang J J.

A review of seismic diffraction wavefield separation and imaging methods

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2022, 61(5):761-770.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2022.05.001      [本文引用: 1]

The diffracted wave in seismic data carries the information of small-scale geological anomalies,which can assist in enhancing the accuracy of describing heterogeneous structures,such as faults,boundaries,and fracture cave reservoirs.However,in conventional seismic data processing,the diffraction wave is often suppressed as noise.In this study,the seismic diffraction and reflection waves separation method and the separate imaging method of diffractor are studied.First,the generation mechanism and seismic characteristics of seismic diffracted wave were developed theoretically.Then,from the perspective of the separation of diffracted wave and reflected wave using their morphological differences in different domains diffracted and reflected waves were separated using plane wave decomposition technology,multi-focus superposition technology,and focusing-mute-defocusing technology.Finally,the high-precision migration method was used to migrate and image the separated diffracted wave.By dissecting and summarizing the application examples in typical areas,results showed that the diffraction target imaging alone can achieve the identification of small-scale abnormal bodies.Additionally,the imaging accuracy of heterogeneous geological bodies significantly improved,which is critical for accurate high-precision seismic interpretation.

杜长江, 张中平, 高启才, 等.

GeoEast系统相干体技术在煤田地质异常识别中的应用

[J]. 石油地球物理勘探, 2014, 49(S1):208-211,9.

[本文引用: 1]

Du C J, Zhang Z P, Gao Q C, et al.

Application of GeoEast system coherence volume technology in coal field geological anomaly identification

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2014, 49(S1):208-211,9.

[本文引用: 1]

孙夕平, 杜世通.

相干体技术算法研究及其在地震资料解释中的应用

[J]. 石油大学学报:自然科学版, 2003, 27(2):32-35,40-7.

Sun X P, Du S T.

Development and application of algorithm of coherency cub technique to seismic interpretation

[J]. Journal of the University of Petroleum,China, 2003, 27(2):32-35,40-7.

白博, 秦志亮, 于婷.

地震相干体算法研究与应用

[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2017, 37(12):87-89.

Bai B, Qin Z L, Yu T.

Research and application of seismic coherent volume algorithm

[J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality, 2017, 37(12):87-89.

苑书金.

地震相干体技术的研究综述

[J]. 勘探地球物理进展, 2007(1):7-15,11.

Yuan S J.

A review of seismic coherence techniques

[J]. Progress in Exploration Geophysics, 2007(1):7-15,11.

张军华, 董猛, 周振晓, 等.

基于GST的相干体方法研究及应用

[J]. 天然气工业, 2007, 27(S1):381-383.

[本文引用: 1]

Zhang J H, Dong M, Zhou Z X, et al.

Research and application of coherent volume method based on GST

[J]. Natural Gas Industry, 2007, 27(S1):381-383.

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赵胤飞.

多属性融合技术在断层识别中的应用

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Application of multi attribute fusion technology in fault identification

[J]. Chemical Engineering & Equipment, 2021(6):146-147.

[本文引用: 1]

安鹏, 于志龙, 党虎强, 等.

地震属性技术在湖底河道砂体刻画中的应用

[J]. 石油地球物理勘探, 2017, 52(S2):194-199,9-10.

An P, Yu Z L, Dang H Q, et al.

Application of seismic attribute technology in sand body characterization of lake bottom channel

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2017, 52(S2):194-199,9-10.

赵喜彬.

相干能量梯度与属性比例融合在断裂构造解释中的应用

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Zhao X B.

Application of coherent energy gradient and attribute proportional integration in faulted structure interpretation

[J]. Coal Geology of China, 2014, 26(10):69-72.

韩红涛, 贾敬, 李慧琳, 等.

应用GeoEast解释系统中的地震属性技术预测生物礁滩

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Han H T, Jia J, Li H L, et al.

Application of seismic attribute technology in GeoEast interpretation system to predict biological reef beach

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2014, 49(S1):160-163,7.

陈国文, 李正中, 李洪革, 等.

宽方位角地震资料在裂缝性储层预测中的应用

[J]. 石油天然气学报, 2014, 36(3):60-64,6.

[本文引用: 1]

Chen G W, Li Z Z, Li H G, et al.

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[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2014, 36(3):60-64,6.

[本文引用: 1]

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