基于CO2定向震源的宽方位地震超前探测方法研究

本综述系统探讨了基于CO2定向震源（Y方向集中力源）的宽方位地震超前探测技术，针对传统窄方位观测系统存在的横向分辨率低和成像对称假象问题，通过理论分析、三维数值模拟与物理机制解析，揭示了CO2震源在煤层槽波（Channel Wave）激发、宽方位观测系统构建及断层成像优化中的关键作用。研究表明，该方法显著提升了高倾角断层探测能力，有效消除对称假象，并为高瓦斯矿井安全勘探提供了新途径。

　　

1 引言

隧道作为煤矿生产与安全的关键通道，每年中国煤矿新掘进隧道长度超过12,000公里。然而，煤巷掘进阶段是事故高发区域，其中断层是主要的隐蔽灾害诱因。矿山地震探测具有接近目标体、传播路径干扰少、地震波能量衰减和高分辨率等优势，因此煤巷断层超前探测常采用地震波方法。智能化与精准化采矿是发展趋势，超前断层探测成为保障煤炭基础能源开采的重大需求。

地震超前探测方法主要包括反射体波、反射槽波等。反射体波超前探测范围大，适用于识别大规模断层构造，并在隧道工程中成功应用。然而，煤巷超前探测受煤层槽波影响，导致相对成熟的隧道反射波超前探测技术在巷道中适用性较差。反射槽波超前探测涉及在单一巷道内布设激发-接收系统，利用沿煤层传播的槽波携带的反射信号探测工作面前方的断层。前人通过数值模拟分析了巷道条件下前方地质构造的槽波特征，研究了巷道超前探测条件下槽波的频散特性，数值模拟了煤巷断层的地震波场，发现反射槽波是断层的特征波，并通过理论与数值模拟验证了基于槽波的TVSP超前探测方法的可行性，提出了槽波偏振偏移方法。然而，这些传统地震超前探测技术受窄方位观测系统的限制，这种窄方位配置导致反射波成像方向分辨率损失，在偏移成像结果中产生对称假象。

构建设计良好的宽方位观测系统有望克服这一技术瓶颈。虽然增加炸药激发钻孔深度在理论上是可行的，但其实施严重干扰巷道掘进，使其不切实际。炸药源受到严格炸药控制和高瓦斯矿井条件的限制。此外，常见的矿山震源包括锤击震源、雷管震源、夯击震源、采煤机震源、隧道掘进机震源、CO₂相变震源、带式输送机震源等。其中，利用增透煤层中CO₂相变压裂的水平深孔进行地震探测是一种可行方式。研究人员进行了CO₂震源与炸药源的地面对比试验，开展了CO₂震源激发与接收实验，并与炸药源结果进行了对比。CO₂震源可为煤田高瓦斯区地震探测提供一种新型人工激发源。研究人员应用X方向CO₂集中力源进行了面内透射槽波勘探，取得了良好的透射成像结果。这与压力源、剪切源、偶极源、双力偶源和矩张量源形成对比。集中力源激发的地震波场受巷道干扰较小，更容易识别特征波。研究表明，集中力源在槽波透射勘探中的主导激发方向平行于巷道方向（X方向），而在槽波超前探测中，它是水平且垂直于巷道方向（Y方向）。然而，基于Y方向集中力源激发的宽方位地震超前探测方法尚未得到研究，宽方位激发有望突破窄方位观测系统的技术瓶颈。

基于此，本文从理论分析、数值模拟、物理分析和现场试验等方面研究了基于CO₂集中力源的宽方位探测方法。首先，研究了宽方位观测系统参数与断层倾角参数之间的响应关系。其次，应用力学机制分析了Y方向集中力激发下多分量纵波、横波和槽波在不同方向的振幅差异特征，揭示了煤岩界面地震波传播的影响机制。随后，研究了大横向偏移条件下的三分量地震记录和三维波场特征，并采用不同宽方位参数下的反射槽波进行了成像研究。最后，进行了CO₂震源与炸药源的对比现场研究。

2 原理

2.1 CO₂震源系统特性

在巷道掘进过程中，通常会在侧壁钻瓦斯抽采钻孔（30–120米），通过压裂提高煤层渗透性。CO₂地震震源和巷道检波器构成宽方位观测系统。当CO₂地震震源工作时，管内的液态CO₂迅速转化为高压气态CO₂。一旦气态CO₂压力超过剪切片的控制阈值（100–270兆帕），它就会破裂剪切片并从可调泄压阀的出口喷出，释放爆破力，将能量集中在煤层上。CO₂地震震源满足地下地震勘探的需求，具有本质安全性、宽方位激发能力以及利用现有瓦斯抽采钻孔而无需额外爆破孔准备的优势。

2.2 宽方位观测系统中地震超前探测原理

宽方位条件下的探测范围示意图显示，当断层倾角为90°时，有效探测范围随着横向偏移的增加而逐渐增大；虚拟震源与隧道探测之间的横向偏移距离逐渐增加，有效探测范围逐渐扩大。当断层倾角为60°时，有效探测范围也随着横向偏移的增加而增大。在倾角为45°时，尽管横向偏移持续增加，有效探测范围变化最小。相反，对于30°倾角，有效探测范围随着横向偏移的增加而逐渐缩小。在0°倾角时，有效探测范围随着横向偏移距离的增加而持续减小。对比分析表明，对于0°至45°的断层倾角，有效探测范围随着横向偏移的增加而逐渐减小；相反，对于45°至90°的倾角，它随着横向偏移的增加而逐渐增大。

宽方位超前探测的平面图显示，CD是隧道前方的断层，断层与隧道掘进方向之间的倾角为φ。BO是一个水平钻孔，深度为h。我们将震源放置在水平钻孔底部的O点。将震源放置在O点，探测器放置在S点接收地震波信号。因此，反射波传播路径从O点穿过，在断层点M反射，并到达探测器S。

BS是隧道掘进方向上的水平偏移，距离为x，BC之间的水平距离为L，围岩的速度为v。以O点作为辅助线，AF垂直于断层，垂足为D，M是断层上的反射点。根据几何原理，点F是点O关于断层界面的镜像点。因此，反射路径OM + SM = SF。根据余弦定理，在△ASF中，可以推导出反射波的时距曲线方程。

分析表明，地震波走时t与围岩速度v、地层倾角φ、横向偏移h、偏移x以及断层与钻孔在水平方向上的距离L之间存在非线性关系。首先，假设隧道与断层界面之间的角度为50°，断层位置与隧道水平方向上深孔之间的距离为200米，不同横向偏移距离下的时距曲线如图所示，偏移距离分别设置为0米、10米、30米、50米、70米、90米和110米。图表明，在恒定条件下，较大的横向偏移对应于曲线上较小的时间间隔，有效减轻对称假象。其次，假设隧道-断层角度为50°，横向偏移为50米，图说明了水平断层-爆破孔距离分别为50米、100米、150米、200米和250米时的时距曲线。从图中可以看出，在其他恒定条件下，探测器与断层之间的水平距离越远，时距曲线上的时间差异越大；最后，设置断层与隧道方向上钻孔之间的距离为200米，横向偏移为50米。不同倾角下的时距曲线如图所示，倾角分别设置为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°。这些曲线在偏移x等于水平隧道方向断层-钻孔距离L的点相交。具有较大倾角的结构表现出更明显的双曲线时间特征，显著增强了横向分辨率。

宽方位观测系统的时距曲线在高倾角（角度大于50度）下在时间上没有相同的值；因此，该观测系统可以从根本上消除窄方位条件下叠加假象的问题。第二章的研究结果表明，当断层倾角在45°至90°之间时，有效探测范围随着横向偏移的增加而逐渐增大。鉴于煤巷前方的断层通常具有高倾角特征，宽方位超前探测在理论上非常适合识别高倾角断层。

3 Y方向集中力源的力学机制分析与三维波场特征

研究确定，槽波透射勘探中集中力源的主导激发方向平行于隧道方向（X方向），而对于超前探测，它是水平且垂直的（Y方向）。因此，我们分析了Y方向集中力源的力学机制和三维波场特征。

3.1 均匀介质条件下的波场快照与力学机制分析

为了模拟CO₂震源激发的地震波场特征，采用集中力源作为近似。使用均匀介质模型，纵波速度35.00米/秒，横波速度1700米/秒。三维模型是一个边长为300米的立方体，模型网格大小为0.2米。我们采用时空高阶有限差分法进行研究，震源频率为150赫兹，激发位置在（150米, 150米, 150米），采样频率为10千赫。

图显示了在40毫秒时均匀介质条件下Y方向集中力源的波场快照。图分别显示了X、Y和Z分量的波场快照。波前1代表纵波（P波）；波前2代表横波（S波）。观察表明，在X分量中，垂直于中心的XOZ和YOZ平面上存在P波和S波能量。在Y分量中，P波在XOZ平面上缺乏能量，而S波在XOY和YOZ平面上沿Y方向缺乏能量。Z分量在XOY和XOZ平面上表现出P波和S波能量的缺失。

基于震源力的加载方式，以均匀模型为背景条件进行物理分析，分析Y方向集中力源的力学特性。图说明了机制：纵波（P波）的粒子振动平行于传播方向；横波（S波）的振动垂直，在三维中进一步分类为SV波（振动在垂直于传播的平面内）和SH波（振动在平行于传播的平面内）。

在XOY平面上，根据地震波的传播方向，将震源力沿纵波和横波的偏振方向分解。将P波偏振力投影到X和Y分量上；同时，将S波偏振力投影到X和Y分量上。在X分量的XOY平面上，沿地震传播方向和垂直方向在震源位置上的力投影在X和Y上为0，导致在这些方向上震源处的P波和S波振幅缺失；其他地方的投影非0，产生非0振幅。在Y分量的XOY平面上，沿地震波传播方向在Y方向上垂直于震源位置的力的投影值最高，导致该方向上纵波的振幅最强。相反，沿传播方向在Y方向上的力的投影值为零，导致该方向上纵波振幅缺失。然而，沿传播方向在其他方向上的力的投影值不为零，这意味着纵波振幅不缺失，但相对于Y方向较弱。另一方面，在X方向上，垂直于传播方向的力的投影值最大，导致横波在该方向上具有最强的振幅。垂直于传播方向在Y方向上的力的投影值为零，导致该方向上横波振幅缺失。然而，垂直于传播方向在其他方向上的力的投影值非零，意味着横波振幅不缺失，但比X方向上的横波振幅弱。在Z分量的XOZ平面上，由于Z分量沿地震波传播方向和垂直方向在XOY平面上的力投影值为零，Z分量在XOY平面上的地震波振幅缺失。

在XOZ平面上，沿地震波传播方向的力的投影值为0，因此X和Z分量上的纵波振幅缺失；沿垂直于地震波传播方向的X和Z分量上的力投影为0。因此，在垂直于震源位置的XOZ平面上，X和Z分量的振幅缺失。然而，相当于在XOZ上加载剪切力，Y分量表现出强的S波振幅，没有方向缺失。

在YOZ平面上，将震源力沿纵波和横波的偏振方向分解；然后将纵偏振方向的力沿Y和Z分量投影；同时将横波偏振方向的力沿Y和Z分量投影。在X分量的YOZ平面上，由于X分量沿地震波传播方向和垂直方向在YOZ平面上的力投影值为0，X分量在YOZ平面上的地震波振幅缺失；在Y分量的YOZ平面上，沿传播方向在Y上的力投影在震源处最大，产生最强的P波振幅；沿Z的投影为0，导致缺失的P波振幅（其他地方非0较弱）。垂直于传播方向沿Z的力投影最大，沿Z产生最强的S波振幅；沿X的投影为0，导致缺失的S波振幅（其他地方非0较弱）。

3.2 Y方向集中力源的三维波场特性

为了进一步揭示集中力源在煤-岩-煤模型中的槽波发育机制，设计了一个“岩-煤-岩”的分层三维模型，并建立了三维空间坐标系。立方模型（边长300米，网格0.2米）在Z = 150米处有一个煤层中心（厚度5米）。表列出了弹性参数。震源位于煤层内的（150米, 150米, 150米）。在煤层内布设了两条接收线：线1有15个探测器，第一个探测器位于（80米, 80米, 150米），第15个探测器位于（220米, 80米, 150米），道间距为10米；线2从80米, 80米, 150米到80米, 220米, 150米，两者相互垂直。示意图如图所示，震源频率为150赫兹，采样频率为10千赫。

图显示了Y方向集中力源的三分量波场快照和地震记录。图分别是40毫秒时X、Y和Z分量的波场快照。其中，波前1是折射纵波，波前2是折射横波和转换折射横波的混合波列，波前3是槽波，波前4是透射纵波，波前5是透射转换横波，波前6是在煤层界面处由透射转换横波和透射横波混合形成的混合波列。从图中可以看出，在X分量中，垂直于中心位置的XOZ和YOZ平面上，各种类型的纵波和横波振幅缺失。这些波的缺失是由于沿震源位置缺乏波转换。因此，在煤层条件下，各种类型的纵波和横波振幅缺失，无法干扰形成槽波。因此，槽波的振幅在这两个平面上都缺失。在Y分量中，纵波在垂直于中心位置的XOZ平面上表现出能量衰减，而横波在垂直于中心位置的XOY和YOZ平面上沿X方向表现出能量衰减；地震源沿Y方向的折射横波振幅不缺失，因为折射纵波在顶底板界面转换产生转换折射横波，补偿了均匀介质条件下的振幅损失；沿X的最强折射S波能量通过干扰产生最强的槽波能量，确立其为震源的主导分量方向。在Z分量中，由于煤层波的限制，XOY上存在弱地震振幅，但P/S波能量在XOY/XOZ上缺失。

图分别是X、Y和Z分量的地震记录。同相轴7是折射纵波（P波），同相轴8是折射横波和转换横波的混合波列（S波），同相轴9是槽波。从图中可以看出，主导能量集中在X分量和Y分量。在X分量地震记录中，两条线的P波、S波和槽波能量缺失。Y分量记录显示，线1的中心能量相对较弱，但线2的能量较强。对比分析证实，Y分量中沿X轴的槽波能量最强，确认其为Y方向震源的主导方向。因此，Y方向集中力源非常适合作为超前探测的激发源。

4 含空气巷道的宽方位超前探测波场分析与偏移

4.1 三维模型与观测系统

为了进一步研究宽方位观测系统的有效性，设计了一个经典的含空气巷道的“岩-煤-岩”三维断层模型。模型示意图如图所示。在模型中，正面位置位于X = 120米，而巷道中心位于Y = 50米，巷道宽度为4米，高度为4米，煤厚为4米。在Y = 200米处设置一个正断层，倾角为75°，落差为5米。采用单炮激发25个三分量探测器同时接收的观测系统，图和图是截面图。水平排列，S1位于（110米, 65米, 50米），其余震源（S2、S3、S4和S5）依次排列。沿Y轴的探测距离为15米。探测器位于巷道的右侧，与煤巷掘进方向相对，探测器位置1在（118米, 55米, 50米），探测器间距为3米。

4.2 横向宽方位三维波场与地震记录特征

图显示了在75°断层倾角、大横向偏移条件下超前探测的X、Y和Z分量的地震记录。Y分量地震记录的信噪比高于X和Z分量。第一个波前（同相轴1）对应折射纵波；第二个波前（同相轴2）是折射横波和转换横波的混合波列，而第三个（同相轴3）代表直达槽波。同相轴1、2和3的地震波速分别为3500米/秒、1800米/秒和1200米/秒。当局部地震波传播到正面时，产生衍射波。第四个（同相轴4）是衍射横波，第五个（同相轴5）是衍射槽波。衍射纵波由于速度快，与直达波混合，无法在地震记录中识别。对比显示，偏移越大，正面位置的衍射波越明显，而偏移越小，正面位置的衍射波越不发育。遇到断层界面后，向前传播的地震波产生反射波。同相轴6信号、同相轴7信号和同相轴8信号分别对应反射纵波、横波和槽波。反射槽波在时间域中与其他波列的时间间隔大，波列清晰，使其成为断层检测的特征波。

我们选择了波列清晰的S4震源的Y分量波场快照进行分析。图显示了三维波场快照。图分别是30毫秒、40毫秒、50毫秒和60毫秒时的Y分量波场快照。当震源激发后地震波传播到30毫秒时，波前1是直达折射纵波，波前2是直达折射横波和转换横波的混合波列，波前3是直达槽波。在40毫秒时，当地震波到达巷道界面时，波前4是反射纵波。在50毫秒时，当直达横波到达巷道界面时，波前5是反射横波。在60毫秒时，当直达槽波到达巷道界面时，波前6是反射槽波。

图分别是70毫秒、90毫秒、100毫秒和120毫秒时的Y分量波场快照。在当地地震波传播到70毫秒的时刻，波的波前7是直达横波在正面位置产生的衍射横波，波的波前8是直达槽波在正面位置产生的衍射槽波；在当地地震波传播到80毫秒的时刻，向前传播的地震波遇到断层界面，产生各种类型的反射波和透射波。波前13是反射纵波，波前11是反射横波，波前9是透射横波。由于断层破坏了煤层的连续性，当槽波遇到波阻抗界面时，部分通过断层界面透射的地震波无法传播，转换为横波，如波前10所示。另一部分槽波产生反射槽波，如波前12所示。

4.3 宽方位偏移

图分别是横向宽方位观测系统下75°断层倾角的S1和S2偏移图像。对比发现，在激发孔深度为15米和30米时，偏移图像由于在这些偏移条件下方向分辨率弱而呈现对称假象。图显示了同一系统下S3、S4和S5的偏移图像。偏移后成像中的对称假象消失，表明增加横向偏移有效解决了这一问题。

为了获得最佳激发孔深度，结合地震记录和波场快照分析，发现当偏移小于30米时，成像存在对称假象问题，当大于45米时，对称假象消失。此外，随着偏移距离的增加，衍射波变得更加明显。随着探测距离的增加，时间域中直达波和反射波之间的时间间隔减小，导致衍射波与反射波混合。在75米偏移时，时间域中衍射槽波和反射槽波之间的间隔相对较小。因此，在75°断层倾角下，最佳横向激发孔深度在45至60米之间。

5 讨论

5.1 炸药源与CO₂地震震源的比较

为了进一步开展基于CO₂地震震源的宽方位超前探测试验，本文分析了CO₂地震震源的特性，并在矿区进行了与传统炸药源的对比试验。首先，利用压缩气体和水蒸气容器爆破模型计算了CO₂地震震源和炸药源产生的能量。CO₂地震震源的振幅（W）计算公式如下：

其中W是激发能量（千焦）；P代表剪切片的最终压力（通常在100兆帕至270兆帕之间）；V是储罐体积（立方米）；K代表CO₂的绝热指数（等于1.295）。

本实验采用的压力为120兆帕，CO₂地震震源产生的能量相当于140克TNT。经计算，炸药源的TNT当量约为185克（乳化炸药的TNT当量系数为0.76）。实际激发后的地震记录如图所示。对比分析发现，炸药源和CO₂震源产生的地震记录大体相似，并表现出三种特征地震波类型。初至是P波，速度为3500米/秒；第二个初至是S波，速度为1800米/秒；第三个初至是槽波，即槽波的艾里相位，速度约为900米/秒。值得注意的是，在CO₂地震震源的情况下，槽波更为突出，而体波相对较弱。与传统炸药源相比，体波更为突出，而槽波相对较弱。

为了进一步分析这两种震源下地震记录的特征，进行了地震记录的频谱分析，如图所示。对比分析发现，CO₂地震震源的频谱特征与炸药源相似。根据炸药源的频谱，高频槽波信号的振幅弱于体波。然而，CO₂地震震源激发的槽波信号丰富且频率更高，振幅和能量水平均强于体波。此外，CO₂地震震源在巷道的一侧产生更丰富的槽波信号。这种现象的发生是因为深孔激发方式避免了围岩和巷道松散圈的不利影响。通过定向激发，CO₂地震震源将能量高效集中在煤层上，减少了地震波能量的泄漏。此外，在炸药源的情况下，巷道附近激发，加上距离短和空气巷道的存在，导致槽波相对较弱。

5.2 CO₂震源宽方位定向激发的优势分析

隧道地震超前探测技术一直是地球物理工作者关注的课题，具有接近目标体、信息丰富等优点。然而，由于煤巷空间有限，断层精确超前探测存在技术瓶颈。其原因是现有炸药激发孔深度为1.5–2米，导致垂直于煤巷超前探测方向的横向偏移非常小，只能采用窄方位观测。由于激发和接收范围有限，面波、槽波、衍射波等混合在一起，难以分离煤巷前方断层的特征波，断层成像的方向分辨率低。增加炸药激发孔深度是解决窄方位的一种方法。然而，专门施工激发深孔影响掘进，难以实现，甚至一些综采矿井无法使用炸药。我们通常使用炸药源通过激发巷道侧壁来实现传统的窄方位激发。这种激发方式受巷道松散圈和围岩的影响，且炸药源的激发方向不确定。同时，传统激发方式在采集过程中巷道正面可能存在盲区。

地震震源是地震信号的来源，也是宽方位地震超前观测系统的重要组成部分。CO₂震源源于液态CO₂相变诱导演绎。该技术应用于煤矿瓦斯防治领域，通过将CO₂压裂系统安装到煤层的水平钻孔中，导致压裂煤层形成裂缝圈，增加煤层渗透性，从而提高瓦斯抽采效率。CO₂爆破的原理和工作过程如下：我们将液态CO₂放置在储管中，当雷管点燃加热器时，管内的液态CO₂迅速转化为高压气体。气体体积膨胀600倍以上，导致管内气体压力迅速增加。当气体压力达到剪切片的控制压力阈值（100–270兆帕）时，它突破剪切片并从可调泄压头的出口孔喷出，释放爆破力，将能量集中在煤层上。

与传统地震震源相比，CO₂地震震源具有以下优势：（1）深孔CO₂地震震源避免了激发过程中围岩松散圈和巷道的影响，有效减少了震源激发过程中的能量泄漏；有效克服了巷道界面和正面界面引起的面波干扰，直接避免了传统超前探测在正面位置的盲区问题。（2）CO₂地震震源具有定向激发的特点，表现为管内液态CO₂转化为高压气体，穿透剪切片，通过泄压头出口喷出，从而在煤层上释放爆破力。通过改变泄压头的结构，可以控制震源的激发方向，从而实现定向激发，并将能量集中在煤层上。根据不同的探测方向和不同方位的地质构造，可以有针对性地控制震源的能量聚集方向，并利用最佳方向进行精细探测；（3）利用液态CO₂相变诱发深孔，构建孔巷宽方位观测系统，克服传统窄方位的局限性，无需专门施工激发孔和震源，且不影响巷道掘进。（4）CO₂地震震源具有安全、无污染、可重复使用的优点，消除了超前探测对地震炸药的依赖。

6 结论

为了克服窄方位观测系统横向分辨率相对较低和成像结果中存在对称假象的问题。本文采用宽方位视角，利用CO₂震源的深激发特性，通过理论分析、三维数值模拟和物理分析，研究了基于CO₂集中力源的宽方位探测方法。研究结果表明：

1. 1.

   理论研究和时距曲线研究表明，当断层倾角在0°至45°之间时，有效探测范围随着横向偏移的增加而逐渐减小。相反，当断层倾角在45°至90°之间时，有效探测范围随着横向偏移的增加而逐渐增大。鉴于煤巷前方的断层通常具有高倾角特征，宽方位超前探测适用于检测煤巷前方的大倾角断层。

2. 2.

   研究表明，集中力源槽波超前探测的主导激发方向是水平垂直于巷道方向，通常定义为Y方向。CO₂震源通过调整泄压头的出口来控制激发方向，实现集中力源的定向激发。为了进一步研究Y方向集中力源的地震波场特征，采用力学机制和三维数值模拟方法，分析了均匀模型和煤岩煤模型下Y方向集中力源在多分量纵波和横波在不同方向的振幅差异