槽波透射法探測(cè)煤層中夾矸分布區(qū)試驗(yàn)

劉最亮，楊智華，匡 偉

(1.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000； 2.常州澤南軟件科技有限公司，江蘇 常州 213200)

煤層中夾矸的存在導(dǎo)致煤層厚度的突然變化，影響工作面的布置和采煤機(jī)滾筒的割煤，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐得出，當(dāng)夾矸厚度小于0.2 m時(shí)，滾筒可將其松動(dòng)割落，當(dāng)夾矸厚度大于0.2 m時(shí), 截齒及搖臂受損嚴(yán)重，此時(shí)滾筒不能強(qiáng)行割矸石，必須采取有效措施處理[1]。夾矸層賦存位置不同，對(duì)矸石處理采用的方案也會(huì)完全不同，在煤層開采之前，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)夾矸的位置和厚度對(duì)煤礦的開采效率和安全開采具有至關(guān)重要的意義。

槽波地震勘探是目前礦井地球物理勘探精度最高的方法之一，因其在井下煤層開采工作面施工不受地表地形起伏變化的影響，沒有表層及淺層(基巖、風(fēng)化巖、湖泊、黃土及坡積物等巖性變化)激發(fā)和接受層位不一致帶來(lái)的信號(hào)能量及頻率差異，與地面物探方法相比較具有勘探精度和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于井下煤層構(gòu)造探測(cè)。

槽波的主要特征是頻散，頻散使得槽波的相速度和群速度存在明顯的差異。在以往的研究中，從理論上推導(dǎo)了含夾矸煤層模型的Love型槽波頻散方程[2-5]，當(dāng)煤層中含有夾矸層，對(duì)槽波的特征產(chǎn)生較大的影響，井下槽波探測(cè)采集數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)。研究含夾矸煤層槽波的特征對(duì)槽波波形的識(shí)別、數(shù)據(jù)處理具有指導(dǎo)意義。

對(duì)于工作面含夾矸煤層分布區(qū)域的探測(cè)，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)公開發(fā)表的有效辦法。筆者結(jié)合陽(yáng)泉集團(tuán)開元公司9713工作面開展的槽波探測(cè)試驗(yàn)，分析槽波的頻散特征，提取含夾矸信息的槽波數(shù)據(jù)，對(duì)其能量進(jìn)行CT成像。

1 基本理論

煤層與其頂?shù)装鍑鷰r比較總是以低速度、低密度從而低波阻抗出現(xiàn)，煤層與圍巖間的界面，一般呈現(xiàn)良好的反射面，在煤層中激發(fā)地震波，所激發(fā)的縱波、橫波以震源為中心，以球面體波向四周傳播，而以不同的角度入射到頂板界面。如圖1所示，當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)，除部分能量反射回煤層中，大部分能量將透射到圍巖之中，返回到煤層中的能量在煤層中來(lái)回多次反射、多次透射而迅速衰減(漏失模式)；當(dāng)入射角大于或等于臨界角時(shí)，則入射到頂板界面的地震波能量將全反射回到煤層，并在煤層中多次反射，禁錮在煤層之中(正常模式)，在煤層這個(gè)低速槽內(nèi)向外擴(kuò)散傳播。其中,上行、下行波在煤層中相互干涉、迭加，多數(shù)諧波成分相互抵消、削弱，而逐漸消失；只有滿足一定條件的各種諧波，相對(duì)增強(qiáng)，在槽內(nèi)相長(zhǎng)干涉而形成垂直于煤層面的駐波，在煤層內(nèi)不斷向前傳播，這就形成了槽波(Channel Waves)也稱煤層波 (Seam Waves)。

圖1 槽波的形成原理示意圖

透射法是槽波地震勘探中基本的探測(cè)方法，施工時(shí)震源與檢波器(排列)布置在不同的巷道內(nèi)，在一條巷道內(nèi)激發(fā)，在另一條巷道中接收，根據(jù)透射槽波的有無(wú)或強(qiáng)弱，來(lái)判斷震源與接收排列間射線覆蓋的扇形區(qū)內(nèi)煤層的連續(xù)性，如圖2所示。透射法可以判斷煤層中地質(zhì)異常的有無(wú)，如果透射測(cè)量的觀測(cè)系統(tǒng)布置合適，覆蓋面積大，重復(fù)次數(shù)多，還可大致圈定出異常的范圍，使用CT層析成像技術(shù)，能更精確地圈定出異常(如沖刷帶，陷落柱和夾矸等)的位置。

圖2 透射法施工示意圖

煤層中含有夾矸時(shí)，且夾矸厚度較大，采用一種較為特殊的施工方法，將一部分的炮點(diǎn)布設(shè)在煤層的上分層，另一部分布設(shè)在煤層的下分層，檢波器也采取同樣的布設(shè)方法。如圖3所示,為工作面的運(yùn)輸巷道，煤層中間分布一層夾矸，設(shè)計(jì)為炮點(diǎn)激發(fā)巷道，將炮點(diǎn)按照一定的間距分別布設(shè)在煤層的上、下分層；如圖4所示，為工作面的回風(fēng)巷道，煤層中間分布層為夾矸，設(shè)計(jì)為檢波器接收巷道，將檢波點(diǎn)按照一定的間距分別布設(shè)在煤層的上、下分層內(nèi)。運(yùn)輸巷內(nèi)上分層內(nèi)的炮點(diǎn)(S2、S4…)激發(fā)時(shí)，回風(fēng)巷下分層內(nèi)的檢波器(R1、R3…)接受；同理運(yùn)輸巷內(nèi)下分層的炮點(diǎn)(S1、S3…)激發(fā)時(shí)，回風(fēng)巷上分層內(nèi)的檢波器(R2、R4…)接受。這樣保證了槽波傳播射線“路徑”是穿越夾矸的，即包含了更豐富的夾矸信息。

圖3 含夾矸煤層炮點(diǎn)布置示意圖

圖4 含夾矸煤層檢波點(diǎn)布置示意圖

2 夾矸煤層的槽波頻散特征

2.1 理論公式[6-9]

含夾矸煤層模型如圖5所示，彈性半空間有M層水平層狀介質(zhì)，原點(diǎn)(o點(diǎn))位于第0層(頂層)與第1層介質(zhì)的交界面上，y軸平行于介質(zhì)分界面向右，z軸垂直介質(zhì)分界面向下，第0層和第N+1層介質(zhì)為彈性半空間。設(shè)上下彈性半空間及其間所夾N層介質(zhì)均為彈性、均勻各向同性介質(zhì)，hn、ρn、μn、vSn分別為第n層介質(zhì)的厚度、密度、剛性系數(shù)、橫波速度，zn-1、zn為第n層的頂界面、底界面的深度。

圖5 含夾矸煤層模型

其頻散方程為[4-5]：

(1)

2.2 夾矸厚度對(duì)頻散的影響

建立夾矸在煤層中不同位置的地質(zhì)模型，模型a～c的參數(shù)如表1所示，煤層總厚度為5 m，模型a～c夾矸厚度分別為0.6 m、1.0 m、2.0 m，夾矸位于煤層的正中間位置。

表1 模型參數(shù)表

依據(jù)含夾矸Love型槽波的頻散方程，計(jì)算出槽波頻散曲線。如圖6所示，各頻散曲線均有不同程度的畸變，隨著模型a～c夾矸厚度的增加，畸變程度也相應(yīng)增大。頻散畸變影響了槽波數(shù)據(jù)質(zhì)量，單炮記錄中埃里相特征不明顯，給槽波的識(shí)別和提取帶來(lái)難度。

圖6 Love型槽波頻散曲線

2.3 夾矸位置對(duì)頻散的影響

建立夾矸在煤層中不同位置的地質(zhì)模型，如圖7所示，模型參數(shù)如表2所示，煤層總厚度和夾矸的厚度分別固定為4.5 m和0.5 m，夾矸距煤層頂板的距離分別為1.0 m、2.25 m和3.5 m。

表2 模型參數(shù)表

依據(jù)含夾矸Love型槽波的頻散方程，計(jì)算出探測(cè)區(qū)域槽波的振幅深度分布曲線，如圖7所示。由圖7可知：在含有夾矸的煤層中，槽波的能量集中于煤層較厚的分層中，且能量集中于煤層的中部，朝頂?shù)装宸较蜓杆偎p。因此，在槽波勘探施工時(shí)檢波器的布設(shè)應(yīng)該考慮夾矸分布對(duì)槽波探測(cè)的影響。

圖7 Love型槽波振幅深度分布曲線

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 工作面概況

陽(yáng)泉集團(tuán)開元公司9713工作面位于七采區(qū)二水平，工作面平均走向長(zhǎng)度為1 172 m，平均傾斜長(zhǎng)度為220 m，工作面面積為257 840 m2。工作面煤層賦存穩(wěn)定，據(jù)巷道實(shí)掘資料主要以8+9煤為主，距設(shè)計(jì)停采線365 m范圍存在8、9煤分叉區(qū)，分叉區(qū)層間距最厚5.0 m。8+9煤層厚度5.0～5.4 m,平均5.17 m，煤層結(jié)構(gòu)：1.47(0.2)3.5，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)。分叉區(qū)煤層厚度0.6～4.0 m，平均2.6 m，距設(shè)計(jì)停采線20 m左右9煤賦存不穩(wěn)定，9煤最薄2.0 m。本次槽波勘探主要為查明煤層中夾矸分布和煤層厚度變化情況，劃分煤層分叉邊界，保障工作面安全開采。

3.2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

槽波探測(cè)沿回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷布設(shè)炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)，采用回風(fēng)巷激發(fā)、進(jìn)風(fēng)巷接收和進(jìn)風(fēng)巷激發(fā)、回風(fēng)巷接收的方式。檢波點(diǎn)道間距20 m，共143道，布置在回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)；炮間距20 m，共112炮，布置在回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，詳細(xì)參數(shù)如表3所示。分布有夾矸的區(qū)域，炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)均間隔的分布于8煤和9煤層中，如圖8所示。

表3 9713工作面東部區(qū)域槽波探測(cè)物理點(diǎn)表

圖8 炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)在煤層中位置圖

3.3 實(shí)際資料頻散分析

選取回風(fēng)巷內(nèi)的R47、R37、R27和R19四個(gè)檢波器接收的槽波數(shù)據(jù)做頻散分析，如圖9所示。依據(jù)巷道揭露，R47、R37、R27和R19處的煤層厚度約為7.7 m、10.7 m、9.0 m和7.4 m，煤層中的夾矸厚度分別為2.7 m、5.7 m、4.0 m和2.4 m，從頻散圖中可以看出，R37與R27處的夾矸較厚，煤層也較厚，對(duì)應(yīng)的槽波埃里相頻率較低；R47與R19處的夾矸較薄，煤層也較薄，對(duì)應(yīng)的槽波埃里相頻率較高。因此夾矸厚度變化會(huì)引起槽波埃里相頻率的變化，為了更好地反映出夾矸的影響，選擇恰好的某個(gè)頻段的槽波數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行CT成像。

圖9 R47、R37、R27和R19檢波器接收的槽波數(shù)據(jù)頻散分析圖

3.4 槽波能量CT成像[10]

在數(shù)據(jù)采集時(shí)，設(shè)計(jì)了分層采集槽波數(shù)據(jù)的觀測(cè)系統(tǒng)。炮點(diǎn)間隔地布置在8煤和9煤層中，檢波器同樣也間隔地布設(shè)在8煤和9煤層中。為了充分利用槽波數(shù)據(jù)，更好地提取數(shù)據(jù)中包含的夾矸信息，對(duì)采集的槽波地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了重組，然后再進(jìn)行CT成像。將槽波地震數(shù)據(jù)分為4組，并提取75～105 Hz的槽波數(shù)據(jù)。4組槽波數(shù)據(jù)分別為：9煤層激發(fā)9煤層接收數(shù)據(jù)、9煤層激發(fā)8煤層接收數(shù)據(jù)、8煤層激發(fā)8煤層接收數(shù)據(jù)和8煤層激發(fā)9煤層接收數(shù)據(jù)。

對(duì)這4組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行預(yù)處理，分頻段提取槽波數(shù)據(jù)并進(jìn)行CT成像，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同煤層激發(fā)與接收槽波能量CT成像

夾矸對(duì)槽波的影響表現(xiàn)在速度、頻率、波形、能量等多個(gè)參數(shù)的變化，而其中的能量參數(shù)最為敏感。當(dāng)槽波傳播過(guò)程中遇到夾矸分布區(qū)時(shí)，槽波埃里相位的能量急劇減小。在上述各CT圖中，紅色表示槽波能量較弱，藍(lán)色表示能量較強(qiáng)，因此紅色部分對(duì)應(yīng)夾矸分布區(qū)或構(gòu)造發(fā)育區(qū)，與工作面巷道揭露資料進(jìn)行對(duì)比，圖示(b)和(d)吻合度相對(duì)較好。

由于工作面夾矸厚度變化較大，難以確定某一頻率的槽波數(shù)據(jù)對(duì)工作面夾矸響應(yīng)更好，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)試驗(yàn)性的將槽波分成不同的頻段進(jìn)行槽波能量CT成像，并將8煤層激發(fā)9煤層接收以及9煤層激發(fā)8煤層接收的槽波數(shù)據(jù)合并。經(jīng)過(guò)對(duì)比處理發(fā)現(xiàn)75～105 Hz頻段的槽波成像結(jié)果與巷道吻合，且吻合度較高，CT成像結(jié)果如圖11所示。也以此作為本實(shí)驗(yàn)最終的成果圖。

圖11 8+9煤層對(duì)穿75～105 Hz槽波數(shù)據(jù)CT成像

4 結(jié) 語(yǔ)

槽波探測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于井下煤層構(gòu)造探測(cè)，在斷層、陷落柱等構(gòu)造探測(cè)中取得了理想的探測(cè)效果。本文通過(guò)開展含夾矸煤層的探測(cè)試驗(yàn)，在常規(guī)槽波透射法探測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)，分析含夾矸條件下的槽波頻散特征，對(duì)槽波數(shù)據(jù)分頻段提取并CT成像，得出以下結(jié)論：

(1)含夾矸煤層的工作面采用在不同層位激發(fā)和接收的方式，采集的槽波數(shù)據(jù)中包含的夾矸信息更豐富，有利于在槽波能量CT成像時(shí)將異常凸顯出來(lái)。

(2)在煤層厚度變化不大的條件下，夾矸厚度越大，槽波的頻散畸變?cè)酱螅鄄ǖ陌＠锵囝l率趨于高頻。

(3)本實(shí)驗(yàn)通過(guò)頻散特征的分析，使用75～105 Hz頻段的槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行CT成像，成像結(jié)果與巷道揭露較為吻合。