摘 要：掘进工作面突水、煤与瓦斯突出等事故频发迫切需要精细超前地球物理探测技术，反射地震波法是地质构造超前探测预报的重要手段，而波场分离、偏移成像是反射波地震超前探测的关键处理技术。对比分析运动学、动力学波场分离及偏移成像技术，提出了一种巷道全空间条件下的反射波动态极化偏移成像方法；实际巷道超前探测对比试验表明，极化偏移成像具有消除对称异常假象、提高空间分辨率的效果。
关键词：地震反射波；超前探测；波场分离；极化参数；极化偏移
0 引言
    据统计：煤矿灾害事故85%以上发生在巷道掘进过程中，因此巷道掘进前对地质异常进行有效探查十分必要^[1]。反射波地震超前探测是一种快捷、有效的巷道超前探测技术，它是利用反射波在不均匀地质体中传播时的运动学、动力学特性，来预测预报巷道掘进前方地质情况，从而指导巷道安全掘进^[2]。在隧道工程领域，运用地震波反射原理的地震超前预测技术包括^[3]：TSP隧道地震超前预报技术(Tunnel Seismic Prediction)、TRT真反射层析成像技术(True Reflection Tomography)、TST隧道地震CT成像技术(Tunnel Seismic Tomography)、TGP隧道地震波预报技术(Tunnel Geology Prediction)、TSWD随钻隧道地震技术(Tunnel Seismic While Drilling)等；这些技术代表了不同研究阶段的技术成果及特点，并在工程中得到应用[4-10]；但都避免不了受地下空间的限制、近源地震波场的干扰。对比多波波场分离及地质异常体偏移归位方法后，笔者提出不受空间影响的动态极化偏移成像技术，并通过实测数据论证了极化偏移归位的效果。
1 波场分离技术
    巷道反射波地震勘探是在岩层内激发接收，采用宽频带、三分量接收的方式，这为高分辨率、多波多属性地震勘探提供了可能。但对于偏移距有限，复杂叠合的地震信息给数据处理也带来了困难。多波地震勘探中，一个分量上的记录通常包含纵波、横波、转换波、面波、声波等，煤巷还可能存在煤层槽波；进行波场识别与有效分离是巷道反射波地震勘探的关键技术。常用的波场分离技术包括：τ-p滤波、F-K滤波、极化滤波技术等。     1）τ-p滤波技术。τ-p滤波波场分离技术是将地震记录从时间-空间(t-x)域变换到τ-p域；在τ-p域分离出有效波能量，再转换回时间-空间(t-x)域。图1为巷道前方单-45°倾斜面正演信号作τ-p变换与波场分离。其中图1a为直达P波、S波,反射P波(P-P)、反射S波(S-S)及转换波(P-S、S-P)波形记录；图1b为τ-p域的能量分布即τ-p谱，其中-p域为前方反射波，+p域为直达波；图1c为单纯提取P-P波能量后有效反射P波的波形记录。
    τ－ｐ滤波是基于地震波在时间域上的视速度差异，对于有相对清晰的同相轴记录，就可以通过同相轴斜率ｐ和时间截距τ的差异，进行波场分离与有效波场提取。从图1可以看出：线性τ－ｐ变换对于波场信息保频保幅优势显著，特别对于直达波、后方及侧边的反射波能进行有效分离，突出巷道前方目的层的反射波具有明显作用。巷道地震信号，信噪比低，负视速度特征不明显，主要依赖τ－ｐ滤波进行前方波场提取；在干扰严重的实际记录中，提取的负视速度纵、横波同相轴可能出现假象，这是实际应用中不能忽视的问题。
    1）F－K滤波技术。F－K滤波波场分离是利用有效波、干扰波的频谱及视速度差异，进行波场分离的技术。具体表现为保留频带f1－f2(频率滤波)、视速度V1－V2(视速度滤波)的有效波，压制其他的干扰波。图2为采用与图1相同的正演信号图2a，经F-K变换得到图2b，滤波提取纵波的波形记录图2c。     F-K域滤波的优势在于联合利用视速度及频率域差异进行干扰波压制，可对直达波、面波及不同类型反射波进行有效压制，提取有效波组。其不足之处在于：F-K域滤波需对空间方向及波数域做傅里叶变换。因此，当空间采样率不足或采样道数很少时会产生空间假频，影响滤波的效果；当采用频率压制时，选择频率过窄会出现时间分辨率不足的现象。在矿井巷道地震条件下，对单一波场提取能力F-K变换弱于τ-p变换。
３)极化滤波技术。
    极化滤波又称空间方向滤波，极化滤波是利用极化特性差异分离提取纵波、横波。纵波、横波表现为线性正交的极化偏振，纵波偏振方向与波的传播方向平行，横波偏振方向与波的传播方向垂直；面波是一种椭球偏振波，呈球形极化，极化程度低。图3为巷道前方单一85°倾斜界面正演信号经极化滤波提取有效纵波的波形记录。
    极化滤波是利用数学统计方法设计滤波参数进行波场分离，有效波的频带宽度不受影响；滤波与地震波视速度无关，可单道运算，不依赖同向轴。但在进行三维数值协方差矩阵求解特征值、特征向量及设置滤波函数过程中，通常在XYZ坐标系下设置了X、Y、Z分量及P、SH、SV波对应关系，未考虑各接收点动态质点偏振主极化方向与地震波传播方向的对应关系，在缓倾角异常界面超前探测时纵、横波不能有效分离。
2 偏移成像技术
    偏移成像方法可以分为射线、波动方程偏移,其中射线偏移主要包括叠前绕射偏移,该方法以惠更斯原理为基础;波动方程偏移主要包括Kirchhoff积分偏移方法、逆时偏移方法等。目前，逆时偏移计算效率较低，故巷道地震勘探偏移成像主要采用叠前绕射偏移技术[11]。设激发点S坐标为(x_S，y_S，z_S)，接收点R坐标为(x_R，y_R，z_R)，反射点G坐标为(x_G，y_G，z_G)，相应有：
    式(1)表示以激发点S(x_S，y_S，z_S)及接收点R(x_R，y_R，z_R)作为焦点的椭球面，故三维椭球绕射偏移定义了激发信号经反射点G返回接收点遵循椭球轨迹关系，如图4所示。     基于上述椭球理论，对于某一炮检对，通过射线追踪出路径及旅行时间ti，在对应地震记录道中提取ti时刻振幅At并沿椭球轨迹放置；针对井下多炮检对，多个椭球进行叠加求取公切面，该面即为反射异常体界面位置。在二维情况下，通过多个椭圆公切线描述巷道前方构造形态。
3 动态极化偏移成像技术
    动态极化偏移成像技术从三分量地震信号的实时偏振分析出发，基于面波与体波极化程度差异、同一传播路径上纵横波质点振动方向正交差异、转换波与同类波速度差异，结合相干叠加及绕射偏移原理，提出一种全空间条件下集波场分离、偏移成像于一体的成像技术方法。具体极化成像思路如下：
    极化偏移原理如图5所示，在巷道超前探测过程中，井下全空间X方向指向掘进工作面，Y方向指向巷道左帮，Z方向指向巷道顶板；首先对巷道前方空间进行网格划分，黑色点为空间网格中假设的某反射点；掘进工作面后方同侧布置若干激发点及2个接收点(均为三分量接收)。假设传播时间用t表示，传播路径如图5中方向射线所示；在空间坐标系下，入射路径为L₁，传播时间为t₁；反射路径为L₂，传播时间为t₂；其中L₁及L₂射线路径在均匀空间可由激发点、反射点、接收点之间空间坐标求取，在非均匀空间可由射线追踪拟合曲线计算。     根据激发点、反射点、接收点的空间位置及空间速度参数，基于射线追踪技术，可计算总时间t₁+t₂，以t₁+t₂为起点给定一时窗，通过时窗内接收的三分量振幅信息(图6)，基于数学统计手段，计算时窗内接收点处质点空间振动方向L_i及质点极化程度。利用质点振动Li方向与反射路径L₂射线方向，计算出空间夹角θ；基于纵横波夹角θ差异，结合波的极化程度及相干值设置极化滤波调制函数，实时设置滤波器，实现动态极化滤波；然后将动态滤波运算融合到叠前偏移中，以实现准确偏移成像。
4 工程应用
    某矿21煤试采区位于矿井田西部,区内断层发育,采区煤层顶底板均有灰岩存在,其中21煤下部为奥陶系灰岩含水层,属于具有突水威胁的间接充水含水层，断层破碎带等地质构造为地下水的赋存、运移提供了良好的空间。为确保21煤试采区回风巷的安全掘进，采用地震反射波超前探测技术对掘进巷道前方地层进行连续追踪探测，以及时查明巷道前方断层情况。图7a、图7b为实测数据提取反射横波分别用2种偏移成像方法得到的结果，图7c为验证的实测剖面图。对比可见：动态极化偏移成像方法比叠前绕射偏移方法成像收敛，异常界面少，具有更高的空间分辨率；另外，叠前绕射偏移结果存在对称异常假象，无法进行异常界面产状描述，而动态极化偏移结果指示的R1、R2、R3三个异常界面探测倾向与揭露资料吻合。 5 结语
    以巷道三分量地震信号为基础，进行实时偏振分析，基于地震波极化参数差异，结合τ-p滤波、FK域滤波进行巷道前方反射地震波场分离与特征波场提取，采用动态极化偏移成像技术，可在巷道有限空间条件下消除了对称异常假象；同时，在偏移归位过程中完成了有效波与干扰波的波场分离，解决了巷道近场探测复杂波场多异常界面问题，有效提高了空间分辨率及探测精度。
参考文献：
[1]刘盛东,张平松.地下工程震波探测技术[m].徐州:中国矿业大学出版社,2008.
[2]张平松,吴健生.中国隧道及井巷地震波法超前探测技术研究分析[j].地球科学进展,2006.