巷道超前探测中的地震波场特征与断层识别

重庆科技学院学报（自然科学版\"

2018年4月

巷道超前探测中的地震波场特征与断层识别

李娜1

刘金水2张金亮1申雯龙2姜旭*

(1.北京师范大学地理科学学部，北京100875; 2.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海200335

*.中国矿业大学（北京）地

学与测绘工程学院，北京100083)

摘要:运用Teieml正演模拟软件分别对巷道探测前方的60°断层与楔状体（区别为有无填充物）进行正演模拟， 对比分析巷道前方断层和楔状体的地震反射波波场特征。结果表明，地震

含有断层异常体信息时，信

高频成分衰减较快，主频明显向低频移动。断层造成的绕射、反射及多次反射构成了对信号的低通滤波，以此作为

前方是否有异常体的识别依据。在包含断层异常体的地震记录中，地震波的频谱与功率谱具有一致性，符合高频衰 ， 谱对 体的识 。关键词！ 模拟； 探测；波场特征；频谱）互相关分析中图分类号:P361 文献标识码:A文章编号：1673 -1980(2018)02 -0054 -05 将巷道超前探测应用于地下工程掘进中，能够 有效地 体，断层探 研究中，将对 与断层识别进行

1

图1\"，模型的长度为600 3,宽度为300 3,断层厚度为30 3。模型岩性参数见表1。

表1

岩层围岩（断层左）

掘进速度/(m • s _1 )2 8003 5003401 800

废 产生， 进效率，降低突水事

发生率。断层 开挖前方的重要地质异常研究的内容之一[1_8]。本次探测过程 。

围岩（断层右）

巷道断层

岩性参数

密度/(kg • m-3)2 3002 6001 2301 900

地震波场特征

基于断层模型的正演模拟

! 1二维巷道掘进模型的建立

借助Tesseral软 立二维巷道掘进模型（见

图1二维巷道掘进模型

收稿日期:2017-11 -13基金项目：#十三五”国家重大科技专项“东海盆地天然气资源潜力评价$(2016ZX05027 - 001);中国矿业大学（北京）大学生

新训练项目“ （ ） 探波 研究”（Y20141206)

作者简介： （1994 一），女， 硕士研究生，研究方向为油气资源。

• 54 •

李娜，等:巷道超前探测中的地震波场特征与断层识别

! 2

观测系统的设计

! 3

正演结果及分析

观测系统会对仿真模拟结果产生较大的影响， 理想 示为

统能够

品质

，

数据。图2所有24道接

统布置图。本次试

对 模型进行射线追踪正演模拟，震源埋放

于巷道底板下1 3处，且位于迎头位置。设置采样 参数:雷克子波频率为100 Hz;采样间隔为0. 1 ms; 采样长度〇〜〇. 1 W共计$ 〇\"1 采样点;激发方式为 发。图3所示为巷道模型射线 模拟结果。其中 < 图中，直达波速度为2 780 m/s，巷道 声波速度为345 m/s，来自断层反射 射波和第2层反射波

第

1

收道，均为 量检波器，最大、 检 为

24、1 3。将检波器设置 ，可有效减轻来自顶板干扰波

。

层反

与直达波速度相同。b图

中，直达波速度为2 788 m/s，巷道声波速度为342 m/s，

图2观测系统布置图

0. 1 s

采集时间内楔状体只有一层较为清晰的反射波。

道头

直达波 e巷道声波第2层反射波

FF

直达波 第1层反射波

P巷道声波

E第1层反射波=F I第2层反射波

a断层正演模拟结果b楔状体正演模拟结果

图3巷道模型射线追踪正演模拟结果

各道频谱主峰频率曲线。图4所示为各道频谱主峰

2

基于频域率分析的断层特征识别

峰 震

射波研体时的

线。 ，< 图与b图中主峰峰值均随远离

降低，主。< 图， 断层

若直接对信号时域进行分析，则很难据此判断 前方

含有

体。在此，

谱

，

时间域 谱在内的谱 含有 体的识别[9_16]。有限长离散信号，所

域

谱。

域

信号可以用式（1)

有效信号，开 谱

2. 1

方向升高。频谱量升高，表示

于主峰 量大

频的高频成分降低，断层使 与 b 图

图5所示为 图表示断层

主峰 频率降 之后

主峰 量大于 状体主峰 量。

究，对比断层与楔状体

谱，实现对断层

地震

谱主峰频率曲线。其中，<

谱主峰

线，第2

17 — 24

基于频谱分析的断层特征识别

第21主峰道主峰

由于所采

相 ; b 图 示 状体

大于80,第

近

。

以采用傅里叶变换，计算地震信

S)\"为原始信号，

曲线，前16道主峰

示[17] :8J g nSW及幅值均 于

e '，(J=0

地震信号频域率分析显示，高频信息在遇到断层

,…，'-1)

探 变化，以谱主峰峰值曲线和

(1)、成分方由

，主向低频方向移动。其主要原因

低通滤波，使高等会产

重要原因之一。

• 55 •

对信号进行频域 断层而引起的信 通过频谱

，

，使信

是，断层对信号有遮挡作用， 频信号出现衰减，主

信

绕射、遮挡、大气

信号产

现;因此，可借 低频方向。这与数字信

确地识别断层及其他微裂隙。减的现象是相对应的。在实际工程中，多次反射构成 低通滤波器

李娜，等:巷道超前探测中的地震波场特征与断层识别

图4各道频谱主峰峰值曲线

140

140

120

100

由120

100

图5各道频谱主峰频率曲线

2.2基于功率谱分析的断层特征识别

24道逐渐增大;b图为楔状体 谱主峰峰值第'

第。功率

频谱 为

断层识

后进行FFT变换

直接对时域信号进行FFT变换。

，需进

信号自相关

遍历

谱。设S0表示

曲线， 10

总体上呈增长趋势，

于断层

然降低，楔状体

性的平稳过程，可构成截尾函数[17]，SW \"

SK，I K , P 且有.0, I K > P

’

谱的变化与频谱的变化基本一致，两者可以相互佐证。

图7所示为 谱主峰 线。 ，<图表示断层 谱主峰 线，所有24 主峰 均相 ； b 图 示 状体 谱主峰

线，第1至第22 主峰 均大于50 Hz，第23与第24道的主峰

*

降 近 。

|;(!，P) ⑵

v

2.3基于互相关分析的断层识别

式(2)左边表示信号S上的平均

K

在（-，+ v \"区间

，P表示采样的时间；式(！）羊

相关 信号或规则信 ，对于

果表示信号间的关联程度，随机

可以利用互相关手段进行信 •方断层而言，可通过互相关分

积函数，则称为信号SK 谱密度，简称 ：

谱[17]。本次研究采用传统的welch方法进行功率谱

，

本原理是选择合适

进

数，并周期图

为

。

线。其中，<

第

算之前直

数。这样可以使谱估

探

强含有断层信息的信号。试验中应用以下互相

关函数进行 [18]:

ts

[[] \" )二+一 S)]E[)-[]v

v

， 数叠加时会使得方

图'所示为 谱主峰峰 图为断层

• 56 •

谱主峰峰 线，从第1

二 + S) + []E[)] (3)

)二一oo

式中:S)\"与E()\"均为实信号，在本次试验中各自

李娜，等:巷道超前探测中的地震波场特征与断层识别

代表1道地震数据。当[\"〇时，互相关函数 决于S与y的相似程度， 大;当[.0时，r描述 地震数

相关程度[18]。

对 有效信号进行相邻

到图8所示互相关 果。

B

T r

所形成。信 相关 ，也与之 地震

者相似程 ，则

量[处这！相关 ，得

，< 图表示断层

波遇到断层低 增加有所对应，信具有高相关

， 量位于其低频部分，中间为波的干涉形成。b图表示楔状体相邻 为楔状体反射

相关

相关，只有1层信号，此信号

可

地震记

所形成。由于有效信号与干扰信，故通过互相关

的3层信号，上下为断层2个 录中部分干扰信号，增强断层反射波的信息量。

1

/雲

图6各道功率谱主峰峰值曲线

图7各道功率谱主峰频率曲线

0.200.15

0.10

0.05

-0.05

-

0.10

-0.15

-

0.20

a断层相邻道互相关性

图8互相关分析结果

• 57 •

李娜，等:巷道超前探测中的地震波场特征与断层识别

3

结

语

通过断层与楔状体掘进模型，对比二者造成的 地震波场差异特征，分析单一变量对地震波时频响 应产生的影响。通过对巷道中地震超前探测数据的 时域分析、频谱分析、功率谱分析、互相关分析，得到 以下认识:断层的地震响应信息在频域率可定量化 显示，比在时间域识别的结果更为精确，可提高地震

资料解释巷道前方断层的精度;地震波的频谱分析 结果与功率谱有一致性，都具有高频衰减快、主频移 向低频的特征，表明断层会使信号产生衰减。从数 字信号处理的角度分析，多次反射会产生这种现象， 此现象应是反射序列的低通滤波现象。这种一致性 可以为提取有效信号服务，但是功率谱分析的效果 相对优于频谱分析。按照对比试验的思路，我们还 可以进一步研究断层宽度、断层岩性、炮检距等对巷 道超前探测波场特征的影响。

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(下转第72页）

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Construction of IPTV Net^vork Based on Multicast and QoS Technology

TAO Jun1

ZHAO Huihui1

SHEN Yang2

YANYunsheng1

WANG Xuemei^

(1. Department of Computer and Software & Anhui Institute of Imfomiation Technology & Wuhu Anhui 241000 & China;

2. Sichuan Hydropower Investment and Management Group Ltd. & Chengdu 611130 & China)

Abstract - In order to fulfill

the

network requirements

for general

video

service enterprises &

IPTV

be

networking scheme is proposed based on multicast and QoS technology in this article. The collected network data is analyzed first, and this scheme can reduce mal operation of the key business.

Key words ： quality of serice ； multicast ； delay ； IPTV

the

network traffic

load and the

transmission

delay to guarantee

(上接第58页）

Wave Characteristics and Identification of Fault in Tunnel

Seismic Advanced Detection

LI Na1

LIU Jinshui1

ZHANG Jinliang1

SHEN Wenlong2

JIANG Xu3(1. Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;2. Shanghai Branch of CNOOC Ltd. , Shanghai 200335, China; 3. College of Geoscience andSurveying Engineering, China University of Mining and Technology ( Beijing) , Beijing 100083 , China) Abstract-In this paper, Tesseral is used to simulate the forward of 60 degree fault and sphenoid of tlie roadway de­tection. Through forward simulation, we can analyze the seismic reflection characterstics, its propagation law andthe effect of fault or sphenoid on the reflection wave field of tlie fault in the front of tlie tunnel. Through the analy­sis ,it draws a conclusion

that

the high frequency information

low

components of the

body. Due

signal to

attenuate

faster

th

when the seismic record contains the the fault, main frequency is

of t!ie fault the diffraction, and m

moved to frequency. In seismic records containing fault anomalies, th

seismic waves is consistent with the power spectrum, conforming to the characteristics of high frequency attenua­tion. While, the power spectrum is more accurate for the recognition of abnormal bodies.

Key words：tunnel simulation； advanced detection； wave field characteristics; spectral analysis; cross correlationanaVysis

• 72 •