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槽波地震勘探数据分析与处理

编号：

（）字号

本科生毕业设计（论文）

题目:

槽波地震勘探数据的分析与处理

姓名：

刘硕学号：

05092264

班级：

地球物理学2009-1班

二〇一三年六月

中国矿业大学

本科生毕业设计（论文）

姓名：

刘硕学号：

05092264

学院：

资源与地球科学学院

专业：

地球物理学

论文题目：

槽波地震勘探数据的分析与处理

指导教师：

李德春职称：

副教授

2013年6月徐州

中国矿业大学毕业设计（论文）任务书

学院资源学院专业年级地物09-1班学生姓名刘硕

任务下达日期：

2011年12月10日

毕业设计（论文）日期：

2013年03月20日至2013年06月10日

毕业设计（论文）题目：

槽波地震勘探数据的分析与处理

毕业设计（论文）主要内容和要求：

众所周知，槽波地震勘探技术在目前的煤田地震勘探中发挥着越来越重要的作用。

因此，对于本科毕业生来说，学会利用偏移处理方法对槽波地震勘探资料进行研究也相当重要。

在本次论文中，主要要完成如下几个方面的工作：

学会使用学校提供的数字图书馆的电子资源查询所需文献，完成论文选题；

查询目前常用的槽波地震勘探方法，其基本原理、算法和应用，和处理方法；

对槽波地震勘探资料，利用vista5.50进行资料处理与解释，并完成毕业论文。

院长签字：

指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计（论文）指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计（论文）评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计（论文）答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

槽波地震勘探（以下缩写为ISS）是利用在煤层中激发和传播的导波、以探查煤层不连续性的一种地球物理方法。

它是地震勘探的一个分支。

槽波是在煤层中传播的一种波导（围限波或管波），其传播距离远、能量强、波形特征易于识别，具有明显的频散特征，槽波地震勘探就是利用此特性来探测煤层内异常体位置。

事实证明，这种方法不仅能够有效地确定异常体位置，而且探测范围也是其他物探方法无法比拟的。

本文在查阅了近30年来国内外煤矿井下槽波地震勘探技术相关文献资料的基础上，综述了国内外煤矿井下槽波勘探技术的研究现状，介绍了槽波的形成和特点以及槽波勘探的基本方法，简述了槽波地震勘探资料处理的资本流程,并对实际槽波勘探数据进行了分析、处理和解释。

关键词：

槽波地震勘探；反射法；滤波；包络计算；偏移

ABSTRACT

Channelwaveseismicexploration（thefollowingabbreviationforISS）istheuseofexcitationandpropagationofguidedwaveincoalseam,todetectseamdiscontinuityofageophysicalmethod.Itisabranchofseismicexploration.Channelwaveisspreadinthecoalseamofawaveguide（lithostaticwaveortubewave）,thepropagationdistance,strongenergy,waveformcharacteristicseasytoidentify,hasobviousfrequencydispersioncharacteristicsofchannelwaveseismicexplorationistousethisfeaturetodetectabnormalbodypositionwithincoalseam.Factshaveproventhatthismethodnotonlycaneffectivelydetermineabnormalbodyposition,anddetectionrangeisunmatchedbyothergeophysicalmethods.

Thisarticleathomeandabroadfornearly30yearsinthecoalminechannelwaveseismicexplorationtechnologyonthebasisofrelatedliterature,thecoalminetroughwaveexplorationtechnologyathomeandabroad,thepapersummarizedtheresearchstatus,thispaperintroducestheformationandcharacteristicsofchannelwaveandtroughwaveexplorationandthebasicmethod,brieflydescribesthechannelwaveseismicexplorationdataprocessingflowofcapital,andprobesintotheactualchannelwaveexplorationdataanalysis,processingandinterpretation.

Keywords:

channelwaveseismicexploration;Reflectionmethod;Filtering;Envelopecalculation;offset

目录

1绪论1

1.1选题目的和意义1

1.2国内外研究状况1

1.3主要研究内容2

2槽波地震勘探3

2.1槽波地震勘探的定义3

2.2槽波的形成3

2.3槽波的分类5

2.4基本方程——周期方程7

2.5槽波地震勘探的数据采集及工作方法8

2.5.1槽波的激发8

2.5.2槽波的接收9

2.6槽波地震勘探工作方法10

2.6.1绪论10

2.6.2透射法11

2.6.3反射法12

2.7槽波勘探观测系统13

3槽波地震勘探数据的处理与分析15

3.1槽波地震勘探数据处理的目的和任务15

3.2槽波数据的特点及处理分析的特殊性16

3.3槽波数据处理与分析的一般流程16

3.3.1绪论16

3.3.2预测程序17

3.3.3预处理程序17

3.3.4分析程序17

3.3.5处理程序18

4实际槽波地震勘探数据的分析和处理20

4.1绪论20

4.2原始数据21

4.3实际施工情况22

4.3.1工作面概况22

4.3.2目的与任务22

4.3.3本区槽波特性预测22

4.3.4施工分布情况23

4.4观测系统24

4.5分析与处理25

4.5.1前期处理25

4.5.2agc27

4.5.3滤波28

4.5.3包络的计算29

4.5.4速度分析30

4.5.5包络叠加31

4.5.6偏移处理33

4.6资料解释34

4.7本章结论35

5结论37

参考文献38

翻译部分39

英文原文39

中文译文52

致谢63

1绪论

1.1选题目的和意义

在煤矿开采过程中常因遇到未探明的地质体是开采技术复杂化、开采成本增加、可开采煤炭存储量降低，甚至导致灾难性事故频发，并是井下开采人员的生命安全受到威胁，造成经济损失，因此在开采之前，探明更小的地质构造，对煤矿的开采计划、存储估计、危害评价、以及矿山管理等至关重要。

而地面地震勘探具有可克服的缺点，如高频成分随传播距离的增加而很快衰减、激发频率低、层间多次波干扰严重等，致使其分辨率精度不高等等。

这就需要寻求新的方法来解决这些问题，迫切要求将勘探方法直接用于井下，将物理场源及接受器直接安放在煤层间，以进一步提高勘探的分辨率和精度。

在诸多方法中，槽波地震勘探是最受各国关注，也是最有发展前途的一种新方法。

槽波是在煤层中传播的一种波导（围限波或管波），其传播距离远、能量强、波形特征易于识别，具有明显的频散特征，槽波地震勘探就是利用此特性来探测煤层内异常体位置。

事实证明，这种方法不仅能够有效地确定异常体位置，而且探测范围也是其他物探方法无法比拟的。

一般而言，反射方法探测的距离一般为煤厚的120倍，而透射法探测的距离能达到煤厚的300倍。

槽波探测技术首先应用于断层的识别，它可以提供断层的走向、类型，延伸程度与方向。

由于槽波探测技术提供非直接信息，因此易于引起误差，误差大小与煤层的槽导性以及探测距离有直接关系，其探测结果的准确性、可靠程度随探测距离增加而减小。

另外地质构造的复杂性也降低了对数据处理结果的解释精度。

为了增加解释的可靠性，应做进一步的详细探测，如辅以其他物探方法，或增加探测精度，尽管如此，槽波对断层的识别率可达到90%。

1.2国内外研究状况

低速层中的地震能量的制导现象，早在地震学和水声学中讨论过。

但对于小规模的层间波导现象，直到50年代还没有人作过研究。

1955年，F.F.Evison在一篇短论文中首先报道了他在新西兰一个煤矿里激发与接收到了煤层波，认为它是由煤层制导的洛夫波，并预言了该导波可能在采矿业中得到应用。

1963年，TH.克雷（Kery）教授发表了有关地震波在煤层中传播的理论和数学推倒。

克雷指出，由于煤层赋存在岩石之间，在煤层中存在一类振动，沿煤层及其周围传播，称这一类振动为槽波或煤层波。

他还指出槽波的频散特性，即它的波形随着传播不断变化。

随后，由于当时煤炭工业的衰落和对IIS与广为应用的地面地震勘探技术之间的本质差异认识不足，一度反展缓慢。

这种情况一直持续到70年代初。

70年代后期，随着数字地震技术的发展、数字地震仪及数字计算机的越来越广泛应用，应煤炭生产发展的需要，专用的防爆矿井地震议问世并不断更新，理论模拟研究及现场探测工作进一步发展，使IIS在联邦德国、英国、澳大利亚、匈牙利、捷克斯洛伐克、前苏联、美国等国家迅速发展起来，并逐渐用于生产，成为一种可供选择的、成功的矿井地球物理方法之一。

1985年，德国WBK推出了最新的分布式槽波数字地震仪SEAMEX85及数据处理专业软件ISS，更加速了ISS的实际应用。

30多年来ISS的研究，主要内容有：

现场观测（包括工作方法及设备的研制）；分析与处理方法研究；物理模型模拟研究；数值算法模拟研究。

二维超声模型，用于模拟对称与不对称模型、模拟断层、破裂、煤层的冲刷、变薄带等地质异常条件下，研究瑞雷波（R波）的特征。

对洛夫型槽波（L波）需要用三维模型来模拟。

槽波理论研究强调应用数值模拟研究，以产生不同条件下的合成记录。

数值研究方主要有有两种：

有限差分法、有限差分与有限元的混合法。

后者对于不规则形体如断层、煤层厚度变化、冲刷等的研究较为有效。

近年来业开展了介质吸收作用对SH波衰减的研究。

在国外从事ISS研究的机构有英国国家煤炭局的MRDE和牛津大学；德国WBK、Prakla－Seismos公司及鲁尔大学；美国科罗拉多矿业学院及西南研究所；匈牙利地球物理研究所和乌克兰国家矿山地质、地质力学及矿山测量科学研究设计院。

1978年开始，我国由重庆煤炭研究分院、焦作矿业学院、渭南煤矿专用设备仪器厂及一些矿务局合作，开始进行现场试验，同时也进行物理模型研究及矿井地震仪的研制。

从1983年起，中国矿业大学也从事槽波传播特征及数值模拟研究，同时在微机上开发了可独立运行的MISS专用处理软件。

1986年，煤炭科学总院西安分院引进了SEAMEX85槽波地震仪及专用软件ISS，广泛开展试验，通过几年辛勤摸索，先后在大同、开滦、平顶山、徐州、涟邵等大小矿务局、几十个工作面上开展方法研究，在陷落柱、冲刺带、断层等小构造探测中，取得了不少成功的例证。

同时，在数值模拟及CT成像技术等方面的研究中，也取得了一定的进展。

槽波地震勘探最突出的优点是它可以在井下直接测试介质的各向异性（或Q值），还可以为地球物理CT技术提供最完整的数据，为CT技术寻找到一个最佳的试验场所。

槽波地震勘探的应用技术现阶段已经比较成熟，目前多应用于煤矿开发中。

1.3主要研究内容

本文主要研究了槽波勘探中观测系统的设计，槽波原始数据的滤波，有效信号提取，动校正等，对槽波地震勘探的数据进行了分析和处理。

具体内容如下：

（1）研究槽波地震勘探的基本原理和具体方法，如：

投射法和反射法等。

（2）介绍了槽波地震勘探数据的分析和处理方法。

（3）利用vista5.5软件，分别进行三层水平模型和泥沙互层模型的数值模拟。

（4）已知实际煤田的槽波地震勘探数据，利用vista5.5软件对其进行分析。

2槽波地震勘探

2.1槽波地震勘探的定义

槽波地震勘探（以下缩写为ISS）是利用在煤层中激发和传播的导波、以探查煤层不连续性的一种地球物理方法。

它是地震勘探的一个分支。

槽波地震勘探具有探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较容易识别以及最终成果直观的优点。

ISS方法的原理并不复杂。

在煤矿井下煤巷或工作面，沿煤壁顺煤层安置震源及检波器，然后按地面地震勘探的反射波法转90o，从水平方向探测煤层中的断层等不连续性，即使落差不大的断层在横向上都存在明显的波阻抗差异，于是就有足够的反射能量返回到检波器并以反射波的形式被记录下来；否则，将沿煤层一直传播下去，被布置在另一煤巷中的检波器接受并以透射波的形式被记录下来。

2.2槽波的形成

在地质剖面中，煤层是一个经典的低速夹层，在物理上构成了一个“波导”。

当煤层中激发了体波，包括纵波和横波，激发的部分能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层及其邻近的岩石（简称煤槽）中，不向围岩辐射，在煤槽中相互叠加，相长干涉，形成一个强的干涉扰动，即槽波。

它以煤层为波导沿着煤槽向外传播，因此煤槽波又称煤层波或导波。

在一个三层对称岩石－煤－岩石模型中，煤层中激发的体波——P波SV波分别以

角入射到煤－沿分界面上，产生反射和透射，并遵守斯奈尔定律，即

（2.1）

式中

、

——分别代表煤层的P波速度与S波速度

、

——分别代表围岩的P波速度与S波速度

、

——分别代表P波与S波的折射角

——波前沿煤－岩分界面传播的速度

煤层上、下界面的速度条件直接关系到槽波的形成。

煤层P波速度可能大于或小于围岩S波速度。

于是煤－岩体波速度可能存在两种情况，即：

，

，（图2.1）。

图中，虚线表示S波波前，实线表示P波波前。

当煤层中激发的体波以入射角小于临界角入射到煤－岩分解面时，即

，尽管这些界面都是反射系数

的强反射面，在其界面上产生强的反射返回煤层；但同时仍有相当多的能量，由于折射作用，以体波的形式向围岩辐射，因而，使这些地震体波在煤层内来回反射的过程中，迅速衰减而消失，形成了所谓的“泄漏”振型（图2.1a、b、c、d、e、f）；反之，当体波以入射角大于临界角入射到煤－岩分解面，即

，则由于全反射，地震体波的能量被限制在煤层及邻近岩石的一个薄层中，不向围岩辐射而损耗，形成了所谓的简正振型（图2.1d、g、h）。

这里讨论的槽波就属于简正振型的范畴。

它对于实际应用具有重要意义。

图2.1由P波与SV波激发的槽波——简振型及漏能振型

1－P波波前；2－SV波波前

显然，两种情况下都可形成槽波：

在情况1的条件下，如果

，只有SV波与SH波产生全反射，可形成槽波，作为简正振型在煤层中传播（图2.1d）；在情况2的条件下，如果

，则在煤层分界面上，将有P－P、P－SV、SV－SV及SH－SH全反射，可形成槽波，作为简正振型在煤层中传播（图2-1g、h），因此这种速度条件是一种更为有效的波导条件。

图2.2由SH波激发的槽波——简振型及漏能振型

1－P波波前；2－SV波波前

对SH波只有

一种情况，如图2.2所示，可作类似讨论。

从上面讨论可见，在煤层中可能同时存在P波、SV波和SH波。

煤层中的SH波由于质点振动平面垂直于P波、SV波质点振动平面，在煤－岩分界面上没有波型转换，在煤层内只存在SH波与SH波的干涉模式。

对于P波与SV波，则由于质点振动在同一平面，且在煤－岩分界面上可以相互转换，干涉模式要复杂得多。

如图7-4所示，在煤层内P波与SV波干涉示意图中，从点①、②发出的上行P波，经上界面全反射的P波，与点②、③发出的上行S波，经上界面全反射的转换P波在同一方向传播；同理，点③、④发出的P波，经上界面全反射的转换S波与④、⑤的上行S波经上界面全反射的S波在同一方向传播。

此后经下界面全反射，在点⑥的P波与S波只要考虑到上下界面全反射相移、波长与煤厚关系适当，在煤层内将形成P－SV波的相长干涉。

这样可能有两类干涉振动，作为简正振型在煤层内传播。

图2.3P波与SV波干涉示意图

（据Suhleretal，1981）

显然，煤层上下界面的速度条件直接关系到槽波的形成。

煤层S波速度小于上、下围岩S波速度，煤层中的S波速度可能被煤层所制导，但要区别不同极化的横波：

垂直极化SV波入射到煤－岩分界面上，部分能量转换成P波，如果P波不满足全反射条件，它将以透射P波的形式向围岩辐射，因此它的能量不断“泄漏”，最后煤层内激发的P波与SV波迅速消失；而SH波在煤－岩分界面上只要满足全反射条件，它在煤层中不产生能量的漏失而相长干涉形成槽波。

当煤层的横波与纵波速度都小于上下围岩的横波速度时，不仅SH波而且SV波和P波都能产生全反射被煤层有效制导。

当SV波与P波都以大于临界角入射到煤－岩分界面时，根据斯奈尔定律，P波入射时转换的SV波与SV波入射时形成的反射SV波传播方向相同；SV波入射时转换的P波与P波入射时形成的反射P波传播方向相同。

从而P波与SV波具有干涉的可能。

考虑到煤层上下界面上全反射时产生的相移，一旦入射波波长（或频率）与入射角的关系合适，P波与SV波就可能产生相长干涉形成槽波。

纵上所述，在煤层中可能存在不同的槽波。

2.3槽波的分类

按物理构成及极化特征，槽波分为瑞雷型槽波和洛夫型槽波两类，简单记为R波与L波。

R波是由P波与SV波形成的干涉波，质点在与煤层面相互垂直、与传播方向平行的平面内振动。

由于既有水平分量又有垂直分量，所以质点振动的轨迹一般呈逆行椭圆状（图2.4）。

L波只由单一的SH波在煤层中干涉形成，质点在平行煤层面的平面内垂直于波传播方向上振动。

显然，槽波实际上就是由体波在煤层中形成的干涉波，即层间面波。

图2.4槽波的类型及其质点的振动（据Kery，1963）

煤层中激发槽波的同时，在安置震源的同一煤壁表面上，通常还可以观测到另一种巷道振型槽波（Roadwaymodes），它是由煤壁（或工作面）自由表面所制导的，类似于地面地震勘探的地滚波，从震源沿煤壁自由表面“直接”传播，又称直达槽波，记作

。

最低阶振型的

波与基阶振型L波类似，只是速度偏低10％～20％、频率向低频移动（这可能与自由表面煤壁的破裂有关），它的振幅从煤壁向煤层内迅速衰减。

在ISS反射法测量中，直达槽波可能干扰近距离反射槽波的检测，所以这时把它看作一种干扰波。

直达槽波烦扰严重时，可借助它的极化角是0o或90o，即平行煤壁或垂直煤壁振动的特征，以区别于反射槽波。

值得指出，在煤层中激发，似乎只形成P波，在界面上可转换为SV波，对于R波及

波的形成最为有利。

实际上由于震源的非球对称性，附近介质的非均匀各向异性，结果P波、SV波与SH波几乎同时激发，因此既可能形成R波、

波，同时也形成L波。

从形成简正振型的条件看，L波仅为SH波形成的干涉波，它仅要求煤层的S波速度小于上下围岩的S波速度；但R波是由P波、SV波形成的干涉波，它不仅要求煤层的S波速度小于上下围岩的S波速度，而且还要求煤层的P波速度也小于上下围岩的S波速度，条件更为严格。

从以上所述可知，槽波是体波在低速煤层内形成的干涉波，类似于地表传播的瑞雷面波与洛夫面波的层间面波。

但槽波与体波又有所不同，即：

传播速度低；仅在低速层及相邻近岩石的二维板状空间中传播；振幅随深度非均匀分布；具有明显的频散特征。

2.4基本方程——周期方程

在岩石－煤－岩石剖面中，煤层是一个低速夹层。

在煤层中激发的槽波，相当于低速夹层中的导波。

关于煤层中心面对称的地质模型，L波应满足如下的周期方程：

（2.2）（7－1）

式中

——1/2煤厚，m；

、

——围岩与煤层的S波速度，m/s；

、

——围岩与煤层的剪切模量；

——圆频率；

——L波的相速度，且

。

周期方程或频散方程描述了

与

间的一个隐含关系，是SH平面波在煤层内相长干涉的条件。

图2.5射线原理图

周期方程也可直观地用射线法导出，如图2-5。

图中，从上下界面A点下行的平面波前MB，与再经过BCE路程传播，再E点反射的平面波前MBE相叠加，若该平面谐波要能保留而不消失，其相长干涉的条件是

（2.3）

式中

——从B点经C点到E点的距离；

——在上界面或下界面上一次全反射产生的相移。

从式6-125，有

（2.4）

不难求得

（2.5）

将式（2.5），式（2.4）代入式（2.3），即得式（2.2）所示的周期方程。

对于多层介质或非对称模型情况，L波频散曲线的计算比较复杂，这里不作讨论。

从周期方程可见，随着

的不同，L波、R波都在理论上对应着一族振型。

的频率最低，叫基阶振型；

，都叫高阶振型。

因此只有当波长小于煤厚的条件下，谐波全反射相长干涉才出现高阶振型。

尽管高阶振型比基阶振型对煤层的形态与不均匀性更为敏感，但由于激发的振动中低频分量占据优势，在传播过程中低频分量衰减较慢，因此实际观测的槽波资料中，多以基阶振型为主。

理论计算也证明了基阶振型比高阶振型发育。

式（7－1）中，若

，则

（2.6）

表示

阶振型中包含的下限频率，而对应的波长

（2.7）

则表示其中最大的波长。

意味着频率小于

、波长大于

的

阶振型，理论上都不存在。

所以

、

分别称为

阶振型L波的截止频率与截止波长。

它们都与阶数

直接有关。

截止频率与截止波长都对应着各阶振型干涉波波前沿临界射线的传播。

除了三层对称模型条件下基阶L波的截止频率趋于零外，其余振型都存在截止频