CO2集中力源的地震波场特征及应用

王 勃，孙华超，李兴兴，邢世雨，丁 昕

(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116; 3.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

煤矿井下非接触类勘探方法中地震波法被广泛使用且效果显著[1]，其中槽波地震勘探已成为回采工作面采前的常规工作[2]。合理震源选择及激发方式对于槽波地震勘探尤为重要，差异化的震源激发方式及激发条件产生不同特征的地震波场[3-4]，故针对震源开展研究具有重要意义。

震源按照力的性质可分为压力源(胀缩源)[5]、剪切源[6]、集中力源[7]、偶极子源[8]、双力偶源[9]、矢量源[10]、矩张量源[11]等。地震勘探中常用震源主要有压力源、剪切源、集中力源[12]，其中压力源激发后只产生纵波，剪切源激发只产生横波，集中力源激发既产生纵波也产生横波[13]。董清华[14]利用傅氏变换法分析了胀缩源、方向力震源、剪切源在均匀各向同性介质中的传播特征。全红娟等[5-6]利用二维数值模拟研究了胀缩源、集中力源、剪切源在各向异性介质中的波场特征;并且探究了不同震源在三维裂缝介质中的横波分裂特征[7]。蒋锦朋等[15]通过数值模拟发现垂直于顶板的Z方向集中力源激发的地震波场受巷道干扰小，更易于识别特征波。

CO2震源通过调节泄压头的出气口方向控制能量的激发方向，满足集中力源的加载方式，进而实现震源的定向激发，同时CO2震源具有安全、无污染等优势，可在高瓦斯矿井中安全使用[16]。该震源由CO2相变致裂技术演变而来[17]，2018年，笔者[18]发现其具有地震勘探震源的应用前景。随后，李海军、李稳等[19-20]证明了CO2震源作为地面勘探震源的可行性。2020年，笔者[21]开展了井下CO2震源槽波地震勘探研究，发现CO2震源的集中力源激发方式有利于槽波发育，但未考虑CO2差异集中力源的方向特性及波场特征。

基于此，笔者通过三维数值模拟研究不同集中力源在“岩-煤-岩”介质中的地震波场特征，以均匀介质模型波场特征为参照，探究集中力源的震源机制及三维三分量传播特性，获取煤层条件下不同集中力源的优势激发方向和检波器的最优接收方向，并利用CO2集中力源开展透射槽波勘探试验研究。

1 原 理

1.1 CO2集中力源激发

启爆器接通引爆电流后，加热棒迅速释放大量热量，管内液态CO2转换为高压气体，致使管内气压急速升高，气体压力超过剪切片控制压力阈值时，剪切片被击穿，超高压CO2通过泄压头从出气口喷出，定向释放爆破力，产生地震波[22]。CO2震源通过改变泄压头的出气口结构控制能量的激发方向(图1(b)～(d))，进而实现X，Y，Z方向集中力源的定向激发。

现场施工时，将CO2震源送至钻孔中，在钻杆输送夹持装置进行标记，标记位置与震源出气口方向一致，输送及增加钻杆时确保钻杆与输送夹持装置紧密连接，直至送至孔底，实现定向激发。同时为了进一步确定钻孔的实际轨迹，在CO2震源装置后安装随钻装置[23]，获取震源准确位置，为后期数据处理提供准确的观测系统参数。

1.2 集中力源

集中力源模拟是差分网格某个结点上施加一个随时间变化的作用力[7]，力的作用分别沿着X,Y,Z方向，其中X，Y,Z单向集中力源加载公式为

(1)

式中，x,y,z分别为坐标轴的3个方向;ρ为弹性介质中质点的密度;σxx，σyy，σzz为正应力分量;τxy，τyz，τxz为切应力分量;u,v,w分别为三维坐标系中x,y,z轴上的位移分量;t为地震波的传播时间;ρfx,ρfy,ρfz分别为力函数在X,Y,Z方向上的等效体力分量，如式(2)所示:

(2)

式中，S为震源函数;ex,ey,ez为X，Y,Z轴方向单位向量;α,β和γ分别为集中力与坐标轴x,y和z的夹角，可表示为

α=〈f,x〉,β=〈f,y〉,γ=〈f,z〉

(3)

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

2 数值模拟

2.1 模型参数及观测系统

设计“岩-煤-岩”三维层状模型，如图2(a)所示。以模型边界交点为原点，X轴方向沿着煤层走向方向，Y轴方向垂直于走向方向，Z轴方向垂直于顶底板，利用不同方向集中力源(X方向、Y方向、Z方向)进行激发，模型大小为300 m×300 m×300 m，煤层中心位于Z=150 m处，煤厚条测线沿着X方向，1号检波器位置为(80 m，80 m，150 m)，15号检波器位置为(220 m，80 m，150 m)，第2条测线沿着Y方向，16号检波器位置为(80 m，80 m，150 m)(与第1条测线1号检波器位置重合)，30号检波器位置为(80 m，220 m，150 m)，检波器道间距为10 m，震源位置为(150 m，150 m，150 m)，观测系统示意图如图2(c)所示。模型采用典型地震参数[15,21]，利用高阶交错网格有限差分算法进行三维数值模拟[24]。

图2 模型示意Fig.2 Model diagram

2.2 波场特征分析

图3为40 ms时刻的X,Y,Z方向集中力源的三分量三维波场快照，波前面1为折射纵波，波前面2为折射横波和转换折射横波的混合波列，波前面3为槽波、波前面4为透射纵波，波前面5为透射转换横波，波前面6为混合波列，由纵波在煤层界面形成的透射转换横波和透射横波混叠形成。分别对3种集中力源波场快照进行分析:①X方向集中力源:X分量上，各类纵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面上沿着X轴方向振幅缺失，沿着Y轴方向振幅最强;Y分量上，各类纵波、横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，各类纵波、横波以及槽波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅缺失，同时折射纵波在垂直于震源位置的XOY面上振幅相对较弱;②Y方向集中力源:X分量上，各类纵波、横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，各类纵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面上沿着X方向振幅最强，沿着Y方向振幅缺失;Z分量上，各类纵波、横波以及槽波在垂直于震源位置的YOZ平面上振幅缺失，同时折射纵波在垂直于震源位置的XOY面上振幅较弱;③Z方向集中力源:X分量上，各类纵波、横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，各类纵波、各类横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，各类横波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上沿着Z轴方向上振幅出现缺失，折射纵波在垂直于震源位置的XOY面上振幅出现缺失，折射横波、槽波振幅强。

图3 X,Y,Z方向集中力源三维三分量波场快照Fig.3 Three-dimensional three-component wave field snapshot of X direction,Y direction and Z direction concentrated force source

图4为X,Y,Z方向集中力源振幅归一化后的三分量地震记录，同相轴1为折射纵波，同相轴2为折射横波和转换折射横波的混合波列，同相轴3为槽波。分别对3种震源三分量地震记录进行分析:①X方向集中力源地震记录:X分量地震波振幅最强，Y分量次之，Z分量最弱，在X分量地震记录中，第1条测线中心位置槽波振幅最强，第2条测线槽波在测线中心位置振幅出现缺失;在Y分量地震记录中，两条测线中心位置地震波振幅均缺失;Z分量地震信号信噪比相对较低，因此，X分量中沿着震源位置的Y方向为震源优势分量的优势方向。②Y方向集中力源地震记录:Y分量地震波振幅最强，X分量次之，Z分量最弱，X分量地震记录中，两条测线中心位置的地震波振幅均出现缺失;在Y分量地震记录中，第1条测线中心位置槽波振幅出现缺失，第2条测线中心槽波振幅强，Z方向振幅相对较弱，因此，Y分量中沿着震源位置的X方向是震源优势分量的优势方向。③Z方向集中力源地震记录:主能量集中在Z分量，且两条测线的槽波振幅均未缺失，X分量和Y分量地震波振幅相对较弱，因此震源Z分量为优势分量。

图4 X，Y，Z方向集中力源三分量地震记录(归一化处理)Fig.4 Three component seismic records of concentrated force source in X direction,Y direction and Z direction (normalization processing)

综上所述，Love型槽波的优势分量为X分量和Y分量，Z分量是Rayleigh型槽波的优势分量[25]。假设以X方向为巷道掘进方向(通常为煤层走向)以及Y方向为面内方向(通常为煤层倾向)时，Y方向集中力源适合Love型槽波超前探测，由于检波器和震源在同一巷道，因此检波器应采集Y分量信号;X方向集中力源适合面内探测，当检波器与震源在同一条巷道，检波器应采集X分量地震记录;当检波器与巷道不在同一条巷道但与震源巷道平行时，检波器应采集X分量地震记录，当检波器与震源不在同一条巷道且与震源激发巷道垂直时，检波器应接收Y分量地震记录;Z方向集中力源适合Rayleigh型槽波勘探，此时，检波器只需要采集Z分量地震信号，由于两条测线均不缺失，因此，既适合地震超前探测，也适合面内地震勘探。

3 力学机理

3.1 均匀模型集中力源的体波形成机理

根据震源力的加载方式进行物理分析，以均匀模型为背景条件，分析X方向集中力源力学特性(图5，其中，P波为纵波，S波为横波，其质点振动方向与传播方向垂直的波，具体在三维空间下可分为2种：质点振动发生在与波的传播面相垂直的面内的波为SV波,质点振动发生在与波的传播面相平行的面内的波为SH波)。纵波的偏振方向与传播方向一致，横波的偏振方向与传播方向垂直，在XOY面上，根据地震波的传播方向将震源力沿着纵波的偏振方向和横波的偏振方向进行分解(图5(b));再将纵波偏振方向的力沿着X分量和Y分量进行投影，如图5(c)所示;同时将横波偏振方向的力沿着X分量和Y分量进行投影，如图5(d)所示。X分量的XOY面上，垂直于震源位置X方向上沿着地震波传播方向力的投影值最大，因此纵波沿着该方向振幅最强，Y方向上沿着地震波传播方向力的投影值为0，所以纵波振幅缺失，而其他方向沿着地震波传播方向力的投影值均不为0，因此纵波振幅不缺失，但弱于X方向纵波振幅;沿着震源位置的Y方向上垂直于传播方向力的投影值最大，因此横波沿着该方向振幅最强，沿着X方向上垂直于传播方向上力的投影值为0，横波振幅缺失，而其他方向上垂直于传播方向力的投影值均不为0，因此横波振幅不缺失，但弱于Y方向的横波振幅。Y分量的XOY面上，由于震源位置的X方向和Y方向上沿着地震传播方向和垂直方向上力的投影值均为0，所以纵波、横波沿着震源位置的X方向和Y方向振幅均缺失，但其他方向上沿着地震波传播方向和垂直方向力的投影值均不为0，因此其他方向纵波、横波振幅均不缺失;Z分量的XOZ面上，由于Z分量在XOY面上沿着地震波传播方向和垂直方向力的各方向投影值为0，因此Z分量XOY面上地震波振幅缺失。为了验证力学分析的准确性，利用X方向集中力源在均匀介质中进行三维数值模拟(将图2中岩-煤-岩模型中的煤层用围岩参数充填)，数值模拟结果与力学分析完全吻合(图6)。

图5 X方向单向集中力源物理分析Fig.5 Physical analysis diagram of X direction concentrated force source

图6 均匀介质模型中X方向集中力源40 ms时刻的三维波场快照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，根据地震波的传播方向将震源力沿着纵波的偏振方向和横波的偏振方向进行分解，如图5(e)所示;再将纵波偏振方向的力沿着X分量和Z分量进行投影，如图5(f)所示;同时将横波偏振方向的力沿着X分量和Z分量进行投影，如图5(g)所示。X分量的XOZ面上，震源位置X方向上沿着地震波传播方向力的投影值最大，因此纵波沿着该方向振幅最强，Z方向上沿着地震波传播方向力的投影值为0，所以纵波振幅缺失，而其他方向沿着地震波传播方向力的投影值均不为0，因此纵波振幅不缺失，但弱于X方向纵波振幅;沿着震源位置的Z方向上垂直于传播方向上力的投影值最大，因此横波沿着该方向振幅最强，沿着X方向上垂直于传播方向上力的投影值为0，横波振幅缺失，而其他方向上垂直于传播方向力的投影值均不为0，因此横波振幅不缺失，但弱于Z方向的横波振幅。Y分量的XOZ面上，由于Y分量在YOZ面上沿着地震波传播方向和垂直方向力的各方向投影值为0，因此Y分量XOZ面上地震波振幅缺失;Z分量的XOZ面上，由于沿着震源位置的X方向和Z方向上沿着地震传播方向和垂直方向上力的投影值均为0，所以纵波、横波沿着震源位置的X方向和Z方向振幅均缺失，但其他方向上沿着地震波传播方向和垂直方向力的投影值均不为0，因此其他方向纵波、横波振幅均不缺失。在YOZ面上，沿着地震波传播方向力的投影值为0(图5(h)～(j))，因此X分量、Y分量、Z分量上的纵波振幅均缺失;沿着垂直于地震波的传播方向上在Y分量和Z分量上力的投影为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，但相对于X分量而言，相当于在YOZ面上加载剪切力，因此，X分量横波振幅强，且各方向上无振幅缺失。上述研究结果与三维波场快照结果完全吻合(图6)。

综上所述，均匀介质条件下X分量中纵波沿着震源位置的X方向振幅最强，在垂直于震源位置沿着Z方向上振幅缺失;横波在垂直于震源位置的YOZ面上振幅最强，在垂直于震源位置的XOY和XOZ沿着X方向振幅缺失；Y分量上，纵波、横波在垂直于震源位置的XOZ和YOZ面上振幅均缺失;Z分量上，纵波、横波在垂直于震源位置的XOY面和YOZ平面上振幅缺失。Y方向集中力源与Z方向集中力源力学机理与X方向集中震源同理类推。

3.2 煤-岩-煤模型集中力源的槽波发育机理

对比均匀介质条件下的波场特征，发现X方向集中力源在煤层中激发的地震波更为复杂，当震源在煤层中激发后，地震波在煤层上下界面发生波的转换[26]，同时在煤层中干涉形成槽波，地震波能量被禁锢在煤层中[27]，进一步分析均匀介质和“岩-煤-岩”3层介质的波场快照:①X分量波场快照，煤层条件下存在槽波，沿着震源位置的X方向上折射横波振幅不缺失，原因是由于折射纵波在顶底板界面转换产生转换折射横波，弥补了均匀介质条件下的振幅缺失;由于沿着震源位置的Y方向折射横波能量最强，该方向上干涉形成的槽波能量最强，因此为该震源优势分量的优势方向。②Y分量波场快照，煤层条件下存在槽波，由于各类纵波、横波在沿着震源位置的XOZ和YOZ面上均缺失，没有发生波的转换，所以煤层条件下各类纵波、横波以振幅缺失，进而无法干涉形成槽波，因此在2个平面上槽波振幅缺失。③ 煤层介质条件下Z分量的煤层中有地震波，而均匀介质条件下地震波振幅缺失。其原因是煤层的存在使得地震波被禁锢在煤层中，所以Z分量的XOY面上地震波振幅不缺失，但振幅相对较弱。同理，Y方向集中力源与X方向集中震源相似。Z方向集中力源力的加载方式相当于在XOY面上加载了剪切力，因此Z分量的XOY面上横波振幅不缺失。当满足Love型槽波的激发条件时，SH波干涉形成槽波，振幅能量不缺失;当满足Rayleigh型槽波的激发条件时，当P波遇到煤层界面后，产生的各类反射波被禁锢在煤层中，为P波和SV波的干涉形成条件，P波和SV波均不缺失，因此干涉形成Rayleigh型槽波振幅不缺失;综上所述，槽波在两个方向上振幅不缺失(图4(i))。

当满足Love型槽波激发条件时，Z分量地震记录信噪比低于X分量和Y分量，所以，Love型槽波的优势震源为X方向集中力源和Y方向集中力源，具体应根据不同的勘探目的选择合适的震源。当满足Rayleigh型槽波的激发条件时，Z分量沿着力的方向纵波振幅最强，在煤层中的横波振幅能量强且不缺失，因此振幅强的P波和SV波相遇后干涉形成的Rayleigh型槽波振幅最强;而X方向集中力源和Y方向集中力源产生的地震波均不能满足振幅强P波和振幅强的SV波在煤层中发生干涉，因此，Z方向集中力源激发产生的Rayleigh型槽波振幅更强。

因此，X方向集中力源适合面内Love型槽波探测，Y方向集中力源适合Love型槽波超前探测，Z方向集中力源适合Rayleigh型槽波勘探。

4 应 用

4.1 观测系统

在阳泉矿区3417工作面进行探测试验[21]，煤层厚度2.10～2.55 m，平均为2.35 m。利用上述数值模拟研究的优势集中力源及优势方向结论，开展面内透射勘探试验，CO2集中力源激发方向设定为X方向(沿着巷道方向)，采用单分量检波器接收X分量地震记录，在辅助进风巷布设X方向CO2集中力源，共计11个，在进风巷布设40个检波器，道间距为10 m，观测系统如图7所示。以R1检波器的位置为原点建立坐标系，以进风巷方向为X轴，以垂直于进风巷方向为Y轴，垂直于顶底板为Z轴。

图7 CO2集中力源与检波器布置Fig.7 CO2 concentrated force sources and receivers layout

图8 透射地震记录Fig.8 Transmission seismic records

4.2 地震记录及衰减成像结果

图8为CO2集中力源的原始透射地震记录(S1震源和S11震源)，由于R19,R22,R24,R39锚杆耦合效果差，这4个检波器设置无效。从地震剖面中可以看出典型的3组地震波。第1个到达信号是折射纵波，纵波速度3 500 m/s；第2个到达信号是折射横波，横波速度1 800 m/s；第3个到达是槽波，该信号是透射槽波的埃里震相，速度约900 m/s。对上述11个地震信号中的槽波进行衰减成像[28]，如图9所示，进风巷存在一处地质异常区，其位于X方向350～390 m，结合巷道掘进情况异常解释为小型陷落柱，后续利用钻探资料和探测结果进行对比，验证结果与探测结果基本一致。

图9 衰减成像Fig.9 Attenuation imaging

5 结 论

(1)煤-岩-煤三维模型中，X方向集中力源在X分量中沿着震源位置的Y方向槽波振幅最强，Y方向集中力源在Y分量中沿着震源位置的X方向槽波振幅最强，Z方向集中力源的优势分量为Z分量;X方向集中力源适合面内Love型槽波探测，Y方向集中力源适合Love型槽波超前探测，Z方向集中力源适合利用Rayleigh型槽波勘探。

(2)力学分析了均匀模型及煤-岩-煤模型X方向集中力源纵波、横波及槽波差异特征，研究了煤层界面对地震波传播的影响机制，有助于进一步解释煤层内部激发X方向集中力源加载下的体波、槽波波场特征和传播机理。

(3)在受炸药限制的高突矿井，采用X方向CO2集中力源进行面内透射槽波勘探，利用优势X分量接收11炮CO2震源地震信号，地震信号纵波、横波及槽波波组清晰且易于分辨，槽波衰减成像解释的陷落柱与实际基本吻合。

同时，CO2震源可以调整泄压头的出气口组合、位置进而实现震源激发方式升级，如偶极子源，双力偶源等，下一步重点围绕CO2震源多类型激发条件下的波场特征，以及匹配精准地质构造探测的CO2震源优势加载方式及接收分量类型开展研究。