摘要：在地震勘探的技术中，勘探方法往往是基于单相介质中的弹性波动方程，忽略了流体对地震传播规律的影响，因此在进行地震勘探技术时，需要考虑到双相介质理论的可能。本文基于双相介质理论，探讨了游离瓦斯在煤田地震中造成的地震波动，进行有效的判断游离瓦斯聚集的区域，为防治煤与瓦斯突出给矿井生产造成影响做出一定的贡献。
关键词：地震勘探技术；预测瓦斯；研究成果
地震勘探技术的成效在某些地区受到了影响，比如预测瓦斯富集区。单相介质中的波动方程是假设地下岩石由致密固体组成的，并没有考虑到流体对地震波传播规律的影响。实际上瓦斯富集区都是双相或者多相介质，他们的地震波传播规律同单相介质又有着很大的区别。双相介质能够更加充分的考虑介质的结构，介质中含有液体和气体的特殊性质，而气体和液体的存在也会是介质发生不同的变化，使双相介质模型更接近于实际。
一、双相介质的传播理论
双相介质理论认为地下的介质是由固体和流体两部分组成的，固体是岩石的骨架，流体则是气体和液体，流体充斥于固体的缝隙之中。而固体介质和流体介质是存在相对运动的。是弹性波在孔隙介质中传播能量衰减的重要原因。而地震波在由固体和液体组成的岩石中的传播规律是与由固体和气体组成的岩石中的传播规律是不同的。在研究双相介质时，往往忽略掉固体和流体的物理作用和化学作用，以及因为高温高压而产生的热弹性效应，其次是需要假设介质在统计学意义上具有各向同性的特征。我国的双相介质理论起步比较晚，但是发展是比较快的，虽然现在双相介质理论在我国的应用还不算成熟，但是一系列的实验和探究都对双相介质理论的发展提供了数据上的支撑，推动了双相介质理论在地震勘测中的应用。
二、横型及数值模拟
有效现分法是最常用的地震波正演算法。在考虑计算速度与精度的问题时，采用高阶精度差分技术，在常规网络中对双相各向同性介质中的纵波方程式进行拆分，给出了纵波方程的有效差分数值解法。
采用加权方向来校正吸收边界条件，计算阶段边界处的地震波，通过数值计算表明，此方法能够有效的吸收大量的边界反射，达到较好的效果。
设置一个6层的介质模型，第1、2层为单相介质，第三层为薄的单相介质层，作为煤层的顶板，第四层由两种介质组成，分为宽度相等的三部分。第一部分为双相介质，代表含有瓦斯，两边为单相介质；第五层为单相介质，作为煤层的底板，第六层为单相介质层。
图1 介质模型
在地表设置激发点和接收点，采用纵波源激发，自己激发，自己接受反射波。激发的主频为45Hz，601道接收，道间距的距离为4m，采样长度为360ms，采样间隔1ms。通过实验的结果可以得出两组反射波，一组100ms附近的是在介质1和介质2之间的，一组是200ms附近的界面2、3、4、5反射叠合在一起得到的反射波；260ms以后出现的弱反射波是层间多次波和频散造成的。
采用最大能源扫描法对第200~400ms之间的双相介质区进行分析，表现出了明显的低频共振、高频衰弱以及面相位移与流相位移反相的情况。
三、双向介质的地震波场特征
从上述的实验中可以得出，在有瓦斯和没有瓦斯的地方的反射波的主频是基本相同的，将两者的振幅图归一化处理，然后将归一化之后的结果进行相减，相见后得到的曲线在低频段为正值，在高频段为负值，在主频附近为0，改变模型的弹性参数之后进行相同的运算依旧得到同样的结论。这说明地震波在单相介质中的传播与双相介质中的传播相比，双相介质中各个频率成分的能量分布图分布发生了变化，低频成分较强，高频成分较弱地震波能源向低频方向移动。产生这一现状的主要原因是双相介质中的固体颗粒和缝隙里的流体产生了相互作用，从而产生了慢纵波，而慢纵波的存在又使得双相介质中地震波的能量分配发生了变化，能量向低频的地方移动。因此慢纵波的存在不仅使波场的运动特性发生了改变，还是得地震波的动力学特征发生了改变。这种地震波场动力学特征的改变为利用基于双相介质理论的弹性波动方程预测瓦斯富集区提供了基础。
四、实际应用分析
为了验证在双相介质理论前提下的三维地震勘探技术是否能够准确的预测出游离态瓦斯的存在和范围，选择了几个工作区的实际资料来进行实验处理，选择的地点是山西大同煤矿。
山西组的1号煤层的平均厚度为7.34米，是全区最稳定的，是地震勘探的主要目的波。在野外进行信息的采集，数字地震仪的采样率为1ms，通过勘探和收集信息得出在边界所固定的区域落差大于6米的断层有4条，落差小于6米的断层有17条，一共有21条断层。查明陷落柱有17个，异常区有1处。
经过瓦斯预测处理之后，瓦斯的富集区程度不同，在1号煤层有一处异常区，它的范围与能量分布范围的地面剖面线是吻合的，能量在85~130之间，而正常的煤层能量在10~50之间，说明在异常区的低频区域能量较强，进而表示了此范围内的瓦斯比较高，结果和预测的结果是一致的。
煤矿1号煤层底板等高线
五、结语
快纵波与单相介质中的纵波具有相同的性质；而慢纵波的传播类似于热传导现象或者扩散现象，具有很强的频散和衰减性。而慢纵波的存在恰恰证明了流体的存在，是流体存在的重要标志，因此借助慢纵波的存在，可以判断瓦斯是否存在。
利用双相介质理论来研究瓦斯煤层的双相介质特征。从反射波的特征上可以辨别出由于陷落柱塌陷造成的反射波叠加的情况，频率降低，连续性变差，延迟绕射明显的特征。在瓦斯的富集区，双相介质的反射波的主要特征时发生主相位转换，表现出固相位移与流相位移反相的特征，低频出能量增强，高频处能量减弱。
因此借助三维地震勘测技术来预测煤层中的瓦斯含量和分布的范围是可行的，基于双相介质理论，这项技术将会更加的成熟，更加精准的探测瓦斯的富集区，提高探测的精准度。
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论文作者:苗可,刘江宾
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/29
标签：介质论文; 瓦斯论文; 纵波论文; 地震波论文; 单相论文; 煤层论文; 流体论文; 《防护工程》2019年8期论文;