CO2集中力源的地震波場特征及應(yīng)用

王 勃，孫華超，李興興，邢世雨，丁 昕

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤礦井下非接觸類勘探方法中地震波法被廣泛使用且效果顯著[1]，其中槽波地震勘探已成為回采工作面采前的常規(guī)工作[2]。合理震源選擇及激發(fā)方式對于槽波地震勘探尤為重要，差異化的震源激發(fā)方式及激發(fā)條件產(chǎn)生不同特征的地震波場[3-4]，故針對震源開展研究具有重要意義。

震源按照力的性質(zhì)可分為壓力源(脹縮源)[5]、剪切源[6]、集中力源[7]、偶極子源[8]、雙力偶源[9]、矢量源[10]、矩張量源[11]等。地震勘探中常用震源主要有壓力源、剪切源、集中力源[12]，其中壓力源激發(fā)后只產(chǎn)生縱波，剪切源激發(fā)只產(chǎn)生橫波，集中力源激發(fā)既產(chǎn)生縱波也產(chǎn)生橫波[13]。董清華[14]利用傅氏變換法分析了脹縮源、方向力震源、剪切源在均勻各向同性介質(zhì)中的傳播特征。全紅娟等[5-6]利用二維數(shù)值模擬研究了脹縮源、集中力源、剪切源在各向異性介質(zhì)中的波場特征;并且探究了不同震源在三維裂縫介質(zhì)中的橫波分裂特征[7]。蔣錦朋等[15]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)垂直于頂板的Z方向集中力源激發(fā)的地震波場受巷道干擾小，更易于識別特征波。

CO2震源通過調(diào)節(jié)泄壓頭的出氣口方向控制能量的激發(fā)方向，滿足集中力源的加載方式，進(jìn)而實現(xiàn)震源的定向激發(fā)，同時CO2震源具有安全、無污染等優(yōu)勢，可在高瓦斯礦井中安全使用[16]。該震源由CO2相變致裂技術(shù)演變而來[17]，2018年，筆者[18]發(fā)現(xiàn)其具有地震勘探震源的應(yīng)用前景。隨后，李海軍、李穩(wěn)等[19-20]證明了CO2震源作為地面勘探震源的可行性。2020年，筆者[21]開展了井下CO2震源槽波地震勘探研究，發(fā)現(xiàn)CO2震源的集中力源激發(fā)方式有利于槽波發(fā)育，但未考慮CO2差異集中力源的方向特性及波場特征。

基于此，筆者通過三維數(shù)值模擬研究不同集中力源在“巖-煤-巖”介質(zhì)中的地震波場特征，以均勻介質(zhì)模型波場特征為參照，探究集中力源的震源機(jī)制及三維三分量傳播特性，獲取煤層條件下不同集中力源的優(yōu)勢激發(fā)方向和檢波器的最優(yōu)接收方向，并利用CO2集中力源開展透射槽波勘探試驗研究。

1 原 理

1.1 CO2集中力源激發(fā)

啟爆器接通引爆電流后，加熱棒迅速釋放大量熱量，管內(nèi)液態(tài)CO2轉(zhuǎn)換為高壓氣體，致使管內(nèi)氣壓急速升高，氣體壓力超過剪切片控制壓力閾值時，剪切片被擊穿，超高壓CO2通過泄壓頭從出氣口噴出，定向釋放爆破力，產(chǎn)生地震波[22]。CO2震源通過改變泄壓頭的出氣口結(jié)構(gòu)控制能量的激發(fā)方向(圖1(b)～(d))，進(jìn)而實現(xiàn)X，Y，Z方向集中力源的定向激發(fā)。

現(xiàn)場施工時，將CO2震源送至鉆孔中，在鉆桿輸送夾持裝置進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記位置與震源出氣口方向一致，輸送及增加鉆桿時確保鉆桿與輸送夾持裝置緊密連接，直至送至孔底，實現(xiàn)定向激發(fā)。同時為了進(jìn)一步確定鉆孔的實際軌跡，在CO2震源裝置后安裝隨鉆裝置[23]，獲取震源準(zhǔn)確位置，為后期數(shù)據(jù)處理提供準(zhǔn)確的觀測系統(tǒng)參數(shù)。

1.2 集中力源

集中力源模擬是差分網(wǎng)格某個結(jié)點上施加一個隨時間變化的作用力[7]，力的作用分別沿著X,Y,Z方向，其中X，Y,Z單向集中力源加載公式為

(1)

式中，x,y,z分別為坐標(biāo)軸的3個方向;ρ為彈性介質(zhì)中質(zhì)點的密度;σxx，σyy，σzz為正應(yīng)力分量;τxy，τyz，τxz為切應(yīng)力分量;u,v,w分別為三維坐標(biāo)系中x,y,z軸上的位移分量;t為地震波的傳播時間;ρfx,ρfy,ρfz分別為力函數(shù)在X,Y,Z方向上的等效體力分量，如式(2)所示:

(2)

式中，S為震源函數(shù);ex,ey,ez為X，Y,Z軸方向單位向量;α,β和γ分別為集中力與坐標(biāo)軸x,y和z的夾角，可表示為

α=〈f,x〉,β=〈f,y〉,γ=〈f,z〉

(3)

其中，X方向集中力源的α,β,γ夾角為0°,90°,90°，所以fx=Sex;同理，fy=Sey,fz=Sez。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)及觀測系統(tǒng)

設(shè)計“巖-煤-巖”三維層狀模型，如圖2(a)所示。以模型邊界交點為原點，X軸方向沿著煤層走向方向，Y軸方向垂直于走向方向，Z軸方向垂直于頂?shù)装?，利用不同方向集中力?X方向、Y方向、Z方向)進(jìn)行激發(fā)，模型大小為300 m×300 m×300 m，煤層中心位于Z=150 m處，煤厚條測線沿著X方向，1號檢波器位置為(80 m，80 m，150 m)，15號檢波器位置為(220 m，80 m，150 m)，第2條測線沿著Y方向，16號檢波器位置為(80 m，80 m，150 m)(與第1條測線1號檢波器位置重合)，30號檢波器位置為(80 m，220 m，150 m)，檢波器道間距為10 m，震源位置為(150 m，150 m，150 m)，觀測系統(tǒng)示意圖如圖2(c)所示。模型采用典型地震參數(shù)[15,21]，利用高階交錯網(wǎng)格有限差分算法進(jìn)行三維數(shù)值模擬[24]。

圖2 模型示意Fig.2 Model diagram

2.2 波場特征分析

圖3為40 ms時刻的X,Y,Z方向集中力源的三分量三維波場快照，波前面1為折射縱波，波前面2為折射橫波和轉(zhuǎn)換折射橫波的混合波列，波前面3為槽波、波前面4為透射縱波，波前面5為透射轉(zhuǎn)換橫波，波前面6為混合波列，由縱波在煤層界面形成的透射轉(zhuǎn)換橫波和透射橫波混疊形成。分別對3種集中力源波場快照進(jìn)行分析:①X方向集中力源:X分量上，各類縱波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失，槽波在垂直于震源位置的XOY面上沿著X軸方向振幅缺失，沿著Y軸方向振幅最強(qiáng);Y分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上振幅均缺失;Z分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失，同時折射縱波在垂直于震源位置的XOY面上振幅相對較弱;②Y方向集中力源:X分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上振幅缺失;Y分量上，各類縱波在垂直于震源位置的XOZ面上振幅缺失，槽波在垂直于震源位置的XOY面上沿著X方向振幅最強(qiáng)，沿著Y方向振幅缺失;Z分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的YOZ平面上振幅缺失，同時折射縱波在垂直于震源位置的XOY面上振幅較弱;③Z方向集中力源:X分量上，各類縱波、橫波以及槽波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失;Y分量上，各類縱波、各類橫波以及槽波在垂直于震源位置的XOZ面上振幅缺失;Z分量上，各類橫波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上沿著Z軸方向上振幅出現(xiàn)缺失，折射縱波在垂直于震源位置的XOY面上振幅出現(xiàn)缺失，折射橫波、槽波振幅強(qiáng)。

圖3 X,Y,Z方向集中力源三維三分量波場快照Fig.3 Three-dimensional three-component wave field snapshot of X direction,Y direction and Z direction concentrated force source

圖4為X,Y,Z方向集中力源振幅歸一化后的三分量地震記錄，同相軸1為折射縱波，同相軸2為折射橫波和轉(zhuǎn)換折射橫波的混合波列，同相軸3為槽波。分別對3種震源三分量地震記錄進(jìn)行分析:①X方向集中力源地震記錄:X分量地震波振幅最強(qiáng)，Y分量次之，Z分量最弱，在X分量地震記錄中，第1條測線中心位置槽波振幅最強(qiáng)，第2條測線槽波在測線中心位置振幅出現(xiàn)缺失;在Y分量地震記錄中，兩條測線中心位置地震波振幅均缺失;Z分量地震信號信噪比相對較低，因此，X分量中沿著震源位置的Y方向為震源優(yōu)勢分量的優(yōu)勢方向。②Y方向集中力源地震記錄:Y分量地震波振幅最強(qiáng)，X分量次之，Z分量最弱，X分量地震記錄中，兩條測線中心位置的地震波振幅均出現(xiàn)缺失;在Y分量地震記錄中，第1條測線中心位置槽波振幅出現(xiàn)缺失，第2條測線中心槽波振幅強(qiáng)，Z方向振幅相對較弱，因此，Y分量中沿著震源位置的X方向是震源優(yōu)勢分量的優(yōu)勢方向。③Z方向集中力源地震記錄:主能量集中在Z分量，且兩條測線的槽波振幅均未缺失，X分量和Y分量地震波振幅相對較弱，因此震源Z分量為優(yōu)勢分量。

圖4 X，Y，Z方向集中力源三分量地震記錄(歸一化處理)Fig.4 Three component seismic records of concentrated force source in X direction,Y direction and Z direction (normalization processing)

綜上所述，Love型槽波的優(yōu)勢分量為X分量和Y分量，Z分量是Rayleigh型槽波的優(yōu)勢分量[25]。假設(shè)以X方向為巷道掘進(jìn)方向(通常為煤層走向)以及Y方向為面內(nèi)方向(通常為煤層傾向)時，Y方向集中力源適合Love型槽波超前探測，由于檢波器和震源在同一巷道，因此檢波器應(yīng)采集Y分量信號;X方向集中力源適合面內(nèi)探測，當(dāng)檢波器與震源在同一條巷道，檢波器應(yīng)采集X分量地震記錄;當(dāng)檢波器與巷道不在同一條巷道但與震源巷道平行時，檢波器應(yīng)采集X分量地震記錄，當(dāng)檢波器與震源不在同一條巷道且與震源激發(fā)巷道垂直時，檢波器應(yīng)接收Y分量地震記錄;Z方向集中力源適合Rayleigh型槽波勘探，此時，檢波器只需要采集Z分量地震信號，由于兩條測線均不缺失，因此，既適合地震超前探測，也適合面內(nèi)地震勘探。

3 力學(xué)機(jī)理

3.1 均勻模型集中力源的體波形成機(jī)理

根據(jù)震源力的加載方式進(jìn)行物理分析，以均勻模型為背景條件，分析X方向集中力源力學(xué)特性(圖5，其中，P波為縱波，S波為橫波，其質(zhì)點振動方向與傳播方向垂直的波，具體在三維空間下可分為2種：質(zhì)點振動發(fā)生在與波的傳播面相垂直的面內(nèi)的波為SV波,質(zhì)點振動發(fā)生在與波的傳播面相平行的面內(nèi)的波為SH波)?？v波的偏振方向與傳播方向一致，橫波的偏振方向與傳播方向垂直，在XOY面上，根據(jù)地震波的傳播方向?qū)⒄鹪戳ρ刂v波的偏振方向和橫波的偏振方向進(jìn)行分解(圖5(b));再將縱波偏振方向的力沿著X分量和Y分量進(jìn)行投影，如圖5(c)所示;同時將橫波偏振方向的力沿著X分量和Y分量進(jìn)行投影，如圖5(d)所示。X分量的XOY面上，垂直于震源位置X方向上沿著地震波傳播方向力的投影值最大，因此縱波沿著該方向振幅最強(qiáng)，Y方向上沿著地震波傳播方向力的投影值為0，所以縱波振幅缺失，而其他方向沿著地震波傳播方向力的投影值均不為0，因此縱波振幅不缺失，但弱于X方向縱波振幅;沿著震源位置的Y方向上垂直于傳播方向力的投影值最大，因此橫波沿著該方向振幅最強(qiáng)，沿著X方向上垂直于傳播方向上力的投影值為0，橫波振幅缺失，而其他方向上垂直于傳播方向力的投影值均不為0，因此橫波振幅不缺失，但弱于Y方向的橫波振幅。Y分量的XOY面上，由于震源位置的X方向和Y方向上沿著地震傳播方向和垂直方向上力的投影值均為0，所以縱波、橫波沿著震源位置的X方向和Y方向振幅均缺失，但其他方向上沿著地震波傳播方向和垂直方向力的投影值均不為0，因此其他方向縱波、橫波振幅均不缺失;Z分量的XOZ面上，由于Z分量在XOY面上沿著地震波傳播方向和垂直方向力的各方向投影值為0，因此Z分量XOY面上地震波振幅缺失。為了驗證力學(xué)分析的準(zhǔn)確性，利用X方向集中力源在均勻介質(zhì)中進(jìn)行三維數(shù)值模擬(將圖2中巖-煤-巖模型中的煤層用圍巖參數(shù)充填)，數(shù)值模擬結(jié)果與力學(xué)分析完全吻合(圖6)。

圖5 X方向單向集中力源物理分析Fig.5 Physical analysis diagram of X direction concentrated force source

圖6 均勻介質(zhì)模型中X方向集中力源40 ms時刻的三維波場快照Fig.6 Three-dimensional wave field snapshots at 40 ms of the X direction concentrated force source in the uniform medium model

同理，在XOZ面上，根據(jù)地震波的傳播方向?qū)⒄鹪戳ρ刂v波的偏振方向和橫波的偏振方向進(jìn)行分解，如圖5(e)所示;再將縱波偏振方向的力沿著X分量和Z分量進(jìn)行投影，如圖5(f)所示;同時將橫波偏振方向的力沿著X分量和Z分量進(jìn)行投影，如圖5(g)所示。X分量的XOZ面上，震源位置X方向上沿著地震波傳播方向力的投影值最大，因此縱波沿著該方向振幅最強(qiáng)，Z方向上沿著地震波傳播方向力的投影值為0，所以縱波振幅缺失，而其他方向沿著地震波傳播方向力的投影值均不為0，因此縱波振幅不缺失，但弱于X方向縱波振幅;沿著震源位置的Z方向上垂直于傳播方向上力的投影值最大，因此橫波沿著該方向振幅最強(qiáng)，沿著X方向上垂直于傳播方向上力的投影值為0，橫波振幅缺失，而其他方向上垂直于傳播方向力的投影值均不為0，因此橫波振幅不缺失，但弱于Z方向的橫波振幅。Y分量的XOZ面上，由于Y分量在YOZ面上沿著地震波傳播方向和垂直方向力的各方向投影值為0，因此Y分量XOZ面上地震波振幅缺失;Z分量的XOZ面上，由于沿著震源位置的X方向和Z方向上沿著地震傳播方向和垂直方向上力的投影值均為0，所以縱波、橫波沿著震源位置的X方向和Z方向振幅均缺失，但其他方向上沿著地震波傳播方向和垂直方向力的投影值均不為0，因此其他方向縱波、橫波振幅均不缺失。在YOZ面上，沿著地震波傳播方向力的投影值為0(圖5(h)～(j))，因此X分量、Y分量、Z分量上的縱波振幅均缺失;沿著垂直于地震波的傳播方向上在Y分量和Z分量上力的投影為0，因此，Y分量、Z分量在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失，但相對于X分量而言，相當(dāng)于在YOZ面上加載剪切力，因此，X分量橫波振幅強(qiáng)，且各方向上無振幅缺失。上述研究結(jié)果與三維波場快照結(jié)果完全吻合(圖6)。

綜上所述，均勻介質(zhì)條件下X分量中縱波沿著震源位置的X方向振幅最強(qiáng)，在垂直于震源位置沿著Z方向上振幅缺失;橫波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅最強(qiáng)，在垂直于震源位置的XOY和XOZ沿著X方向振幅缺失；Y分量上，縱波、橫波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上振幅均缺失;Z分量上，縱波、橫波在垂直于震源位置的XOY面和YOZ平面上振幅缺失。Y方向集中力源與Z方向集中力源力學(xué)機(jī)理與X方向集中震源同理類推。

3.2 煤-巖-煤模型集中力源的槽波發(fā)育機(jī)理

對比均勻介質(zhì)條件下的波場特征，發(fā)現(xiàn)X方向集中力源在煤層中激發(fā)的地震波更為復(fù)雜，當(dāng)震源在煤層中激發(fā)后，地震波在煤層上下界面發(fā)生波的轉(zhuǎn)換[26]，同時在煤層中干涉形成槽波，地震波能量被禁錮在煤層中[27]，進(jìn)一步分析均勻介質(zhì)和“巖-煤-巖”3層介質(zhì)的波場快照:①X分量波場快照，煤層條件下存在槽波，沿著震源位置的X方向上折射橫波振幅不缺失，原因是由于折射縱波在頂?shù)装褰缑孓D(zhuǎn)換產(chǎn)生轉(zhuǎn)換折射橫波，彌補(bǔ)了均勻介質(zhì)條件下的振幅缺失;由于沿著震源位置的Y方向折射橫波能量最強(qiáng)，該方向上干涉形成的槽波能量最強(qiáng)，因此為該震源優(yōu)勢分量的優(yōu)勢方向。②Y分量波場快照，煤層條件下存在槽波，由于各類縱波、橫波在沿著震源位置的XOZ和YOZ面上均缺失，沒有發(fā)生波的轉(zhuǎn)換，所以煤層條件下各類縱波、橫波以振幅缺失，進(jìn)而無法干涉形成槽波，因此在2個平面上槽波振幅缺失。③ 煤層介質(zhì)條件下Z分量的煤層中有地震波，而均勻介質(zhì)條件下地震波振幅缺失。其原因是煤層的存在使得地震波被禁錮在煤層中，所以Z分量的XOY面上地震波振幅不缺失，但振幅相對較弱。同理，Y方向集中力源與X方向集中震源相似。Z方向集中力源力的加載方式相當(dāng)于在XOY面上加載了剪切力，因此Z分量的XOY面上橫波振幅不缺失。當(dāng)滿足Love型槽波的激發(fā)條件時，SH波干涉形成槽波，振幅能量不缺失;當(dāng)滿足Rayleigh型槽波的激發(fā)條件時，當(dāng)P波遇到煤層界面后，產(chǎn)生的各類反射波被禁錮在煤層中，為P波和SV波的干涉形成條件，P波和SV波均不缺失，因此干涉形成Rayleigh型槽波振幅不缺失;綜上所述，槽波在兩個方向上振幅不缺失(圖4(i))。

當(dāng)滿足Love型槽波激發(fā)條件時，Z分量地震記錄信噪比低于X分量和Y分量，所以，Love型槽波的優(yōu)勢震源為X方向集中力源和Y方向集中力源，具體應(yīng)根據(jù)不同的勘探目的選擇合適的震源。當(dāng)滿足Rayleigh型槽波的激發(fā)條件時，Z分量沿著力的方向縱波振幅最強(qiáng)，在煤層中的橫波振幅能量強(qiáng)且不缺失，因此振幅強(qiáng)的P波和SV波相遇后干涉形成的Rayleigh型槽波振幅最強(qiáng);而X方向集中力源和Y方向集中力源產(chǎn)生的地震波均不能滿足振幅強(qiáng)P波和振幅強(qiáng)的SV波在煤層中發(fā)生干涉，因此，Z方向集中力源激發(fā)產(chǎn)生的Rayleigh型槽波振幅更強(qiáng)。

因此，X方向集中力源適合面內(nèi)Love型槽波探測，Y方向集中力源適合Love型槽波超前探測，Z方向集中力源適合Rayleigh型槽波勘探。

4 應(yīng) 用

4.1 觀測系統(tǒng)

在陽泉礦區(qū)3417工作面進(jìn)行探測試驗[21]，煤層厚度2.10～2.55 m，平均為2.35 m。利用上述數(shù)值模擬研究的優(yōu)勢集中力源及優(yōu)勢方向結(jié)論，開展面內(nèi)透射勘探試驗，CO2集中力源激發(fā)方向設(shè)定為X方向(沿著巷道方向)，采用單分量檢波器接收X分量地震記錄，在輔助進(jìn)風(fēng)巷布設(shè)X方向CO2集中力源，共計11個，在進(jìn)風(fēng)巷布設(shè)40個檢波器，道間距為10 m，觀測系統(tǒng)如圖7所示。以R1檢波器的位置為原點建立坐標(biāo)系，以進(jìn)風(fēng)巷方向為X軸，以垂直于進(jìn)風(fēng)巷方向為Y軸，垂直于頂?shù)装鍨閆軸。

圖7 CO2集中力源與檢波器布置Fig.7 CO2 concentrated force sources and receivers layout

圖8 透射地震記錄Fig.8 Transmission seismic records

4.2 地震記錄及衰減成像結(jié)果

圖8為CO2集中力源的原始透射地震記錄(S1震源和S11震源)，由于R19,R22,R24,R39錨桿耦合效果差，這4個檢波器設(shè)置無效。從地震剖面中可以看出典型的3組地震波。第1個到達(dá)信號是折射縱波，縱波速度3 500 m/s；第2個到達(dá)信號是折射橫波，橫波速度1 800 m/s；第3個到達(dá)是槽波，該信號是透射槽波的埃里震相，速度約900 m/s。對上述11個地震信號中的槽波進(jìn)行衰減成像[28]，如圖9所示，進(jìn)風(fēng)巷存在一處地質(zhì)異常區(qū)，其位于X方向350～390 m，結(jié)合巷道掘進(jìn)情況異常解釋為小型陷落柱，后續(xù)利用鉆探資料和探測結(jié)果進(jìn)行對比，驗證結(jié)果與探測結(jié)果基本一致。

圖9 衰減成像Fig.9 Attenuation imaging

5 結(jié) 論

(1)煤-巖-煤三維模型中，X方向集中力源在X分量中沿著震源位置的Y方向槽波振幅最強(qiáng)，Y方向集中力源在Y分量中沿著震源位置的X方向槽波振幅最強(qiáng)，Z方向集中力源的優(yōu)勢分量為Z分量;X方向集中力源適合面內(nèi)Love型槽波探測，Y方向集中力源適合Love型槽波超前探測，Z方向集中力源適合利用Rayleigh型槽波勘探。

(2)力學(xué)分析了均勻模型及煤-巖-煤模型X方向集中力源縱波、橫波及槽波差異特征，研究了煤層界面對地震波傳播的影響機(jī)制，有助于進(jìn)一步解釋煤層內(nèi)部激發(fā)X方向集中力源加載下的體波、槽波波場特征和傳播機(jī)理。

(3)在受炸藥限制的高突礦井，采用X方向CO2集中力源進(jìn)行面內(nèi)透射槽波勘探，利用優(yōu)勢X分量接收11炮CO2震源地震信號，地震信號縱波、橫波及槽波波組清晰且易于分辨，槽波衰減成像解釋的陷落柱與實際基本吻合。

同時，CO2震源可以調(diào)整泄壓頭的出氣口組合、位置進(jìn)而實現(xiàn)震源激發(fā)方式升級，如偶極子源，雙力偶源等，下一步重點圍繞CO2震源多類型激發(fā)條件下的波場特征，以及匹配精準(zhǔn)地質(zhì)構(gòu)造探測的CO2震源優(yōu)勢加載方式及接收分量類型開展研究。