西山礦區(qū)典型構(gòu)造槽波三維數(shù)值模擬技術(shù)研究

王曉東,劉 碩

1.西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 山西 太原 030053;2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司, 陜西 西安 710077)

西山礦區(qū)各礦地質(zhì)類型復(fù)雜,在采掘生產(chǎn)過程中常受隱伏構(gòu)造影響,導(dǎo)致采掘接替無計(jì)劃變更、資源損失、設(shè)備損壞等,而且部分礦井為帶壓開采與瓦斯突出礦井,在構(gòu)造附近往往會(huì)形成瓦斯富集區(qū)和導(dǎo)水通道,必須采用有效的探測(cè)技術(shù)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)探測(cè),才能滿足大儲(chǔ)量、智能化工作面的要求。目前常規(guī)的構(gòu)造探測(cè)手段有地面三維地震、高密度及鉆探技術(shù)等,煤礦采區(qū)地面三維地震勘探對(duì)小斷層、小陷落柱等地質(zhì)異常的查明程度偏低。槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波探查煤層中的構(gòu)造分布以及煤層厚度變化情況的一種地球物理方法。與其它礦井地球物理勘探方法比較,槽波地震勘探具有探測(cè)距離大、精度高、抗電干擾能力強(qiáng)、波形特征較容易識(shí)別以及最終成果直觀的優(yōu)點(diǎn)[1-3]. 在陷落柱、沖刷帶、斷層、引力集中區(qū)及老窯巷道探測(cè)等方面具有良好的應(yīng)用前景。

1 槽波的基本類型

槽波如同散頻面波一樣,可以直觀地看成是平面體波在煤層與圍巖界面上多次反射、折射和規(guī)則干涉的結(jié)果。在煤層中激發(fā)出地震波時(shí),槽波沿著圍巖—煤層—圍巖地層結(jié)構(gòu)傳播,它的波長(zhǎng)與煤層厚度為同一數(shù)量級(jí)。由于圍巖與煤層的速度比和密度比不同,在煤層的垂直距離上,槽波的振幅是不同的,由于低速地震槽和其直接條件的限制,槽波的振幅隨著到震源距離的增加而產(chǎn)生衰減[1]. 煤層不僅對(duì)在煤層中的槽波,而且對(duì)相鄰圍巖中的槽波都是一個(gè)二維導(dǎo)體。煤層波與槽波概念是同義的,它包括在煤層及其鄰近圍巖中波場(chǎng)的總和。

2 槽波三維數(shù)值模擬

基于多GPU計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行槽波三維波場(chǎng)模擬,獲取對(duì)應(yīng)模型的單炮記錄、頻散曲線,并進(jìn)行CT反演,通過模擬結(jié)果研究西山礦區(qū)槽波三維模擬特征。

2.1 模型設(shè)計(jì)

建立包含巷道的三維層狀模型,模型空間(x、y方向)大小為1 000 m×300 m,z方向大小選取4種42 m、45 m、50 m;中間為煤層,z值選取5 m煤厚;頂?shù)装搴穸纫恢?頂部為高速圍巖,底部為低速圍巖。設(shè)計(jì)回風(fēng)、進(jìn)風(fēng)及切眼3條巷道,長(zhǎng)度分別為800 m、800 m和200 m;巷道截面寬度及高度分別為3 m,模型x、y、z方向網(wǎng)格大小為1 m×1 m×0.5 m(0.25 m為2 m煤厚的z方向網(wǎng)格),采樣間隔0.5 ms,時(shí)長(zhǎng)1 s.

震源加載方式為純縱波震源,頻率依據(jù)不同煤厚埃里相而定,位于巷道內(nèi)側(cè)幫煤層中部。觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為,震源序列的間距20 m,采用一條接收線,全巷道觀測(cè)方式,接收位于1/2煤層處,所有接收點(diǎn)的間距為10 m. 共布設(shè)接收點(diǎn)181個(gè),每個(gè)點(diǎn)三分量接收,激發(fā)點(diǎn)89個(gè)。三維層狀模型、巷道位置、震源及接收序列(圖1),圖中虛線為巷道,實(shí)心圓點(diǎn)為激發(fā)點(diǎn),實(shí)心三角點(diǎn)為接收點(diǎn)。

2.2 透射槽波三維波場(chǎng)模擬

2.2.1 斷層三維波長(zhǎng)模擬

設(shè)計(jì)工作面內(nèi)含與巷道夾角45°,傾角45°的1條斷層模型(圖2),斷層在機(jī)巷的揭露點(diǎn)位置為x=550 m,y=250 m,風(fēng)巷揭露點(diǎn)位置x=750 m,y=50 m.

圖1 觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2 斷層模型平面及剖面圖

S19單炮記錄中槽波波場(chǎng)能量相對(duì)較強(qiáng)(圖3),斷層發(fā)育附近存在單炮記錄能量衰減、且衰減效果明顯,記錄中同時(shí)也接收到了巷道繞射、多次波等波形,可通過濾波進(jìn)行處理;頻率主要集中在180～260 Hz,相速度900 m/s～1 100 m/s,通過選取合適參數(shù)進(jìn)行的CT反演效果,可以明顯反映出斷層的位置,與模型一致(圖4).

圖3 S19單炮記錄及頻散分析圖

圖4 透射槽波斷層構(gòu)造三維波場(chǎng)模擬效果圖

2.2.2 陷落柱三維波長(zhǎng)模擬

設(shè)計(jì)工作面內(nèi)隱伏5個(gè)陷落柱的數(shù)值模型,見表1,各陷落柱直徑大小均不相等,位置見圖5.

模型中槽波頻散曲線能量主要集中在150～210 Hz,S3單炮記錄出現(xiàn)明顯的突變點(diǎn)繞射成像和多次波,且波組較多,較豐富;槽波記錄體波能量相對(duì)集中且能量較強(qiáng),可通過濾波進(jìn)行處理。槽波能量正常區(qū)表示煤層槽波相對(duì)正常,槽波能量異常區(qū)為陷落柱的區(qū)域,異常區(qū)位置、范圍與模型基本一致。透射槽波適用于隱伏陷落柱的探測(cè),最小探測(cè)直徑大于20 m. S3單炮記錄及頻散分析圖見圖6,透射槽波陷落柱構(gòu)造三維波場(chǎng)模擬效果見圖7.

2.3 反射槽波三維波場(chǎng)模擬

2.3.1 斷層三維波場(chǎng)模擬

設(shè)計(jì)模型中煤厚5 m,斷層數(shù)目1條,斷層落差2.5 m,傾角90°,平行于巷道,垂直方向距離巷道約100 m. 斷層模型平面圖見圖8.

表1 陷落柱模型參數(shù)表

圖5 陷落柱模型平面圖

圖6 S3單炮記錄及頻散分析圖

圖7 透射槽波陷落柱構(gòu)造三維波場(chǎng)模擬效果圖

圖8 斷層模型平面圖

模型中槽波頻散曲線能量主要集中在200～300 Hz,相速度900～1 100 m/s,S20單炮記錄存在斷層反射波、巷道反射波,且斷層反射波要強(qiáng)于巷道反射波,記錄中同時(shí)也接收到了巷道繞射、多次波等波形;通過反射槽波成像,可以對(duì)斷層和巷道有明顯的反映。分析可知,反射槽波可以在小段斷層的位置形成反射槽波,同時(shí)繼續(xù)傳播,在巷道的位置再次形成反射波,斷層反射面比巷道反射面的成像效果要強(qiáng)。S20單炮記錄及頻散分析圖見圖9,反射槽波斷層構(gòu)造三維波場(chǎng)模擬效果見圖10.

圖9 S20單炮記錄及頻散分析圖

圖10 反射槽波斷層構(gòu)造三維波場(chǎng)模擬效果圖

2.3.2 陷落柱三維波場(chǎng)模擬

設(shè)計(jì)工作面內(nèi)隱伏4個(gè)陷落柱的數(shù)值模型,見表2,各個(gè)陷落柱直徑大小均不相等,位置見圖11.

表2 陷落柱模型參數(shù)表

圖11 陷落柱模型平面位置圖

模型中槽波頻散曲線能量主要集中在150～400 Hz,相速度900～1 100 m/s,S40單炮記錄陷落柱反射槽波相對(duì)較弱,根據(jù)槽波CDM成像結(jié)果,只有陷落柱4反映較明顯,位置和大小較準(zhǔn)確,陷落柱1—3,反映不明顯。說明反射槽波對(duì)于直徑較大(大于50 m)的陷落柱有反應(yīng),直徑較小(小于50 m)的陷落柱反映不明顯。S48單炮記錄及頻散分析圖見圖12,反射槽波陷落柱構(gòu)造三維波場(chǎng)模擬效果見圖13.

3 結(jié) 論

1) 西山礦區(qū)槽波探測(cè)斷層及陷落柱效果明顯:斷層及陷落柱的槽波波場(chǎng)、頻散特征都存在一定的差異,槽波記錄能量衰減越大,頻散越集中,槽波CT反演效果越好。

2) 西山礦區(qū)反射槽波探測(cè)斷層:反射槽波可以

圖13 反射槽波陷落柱構(gòu)造三維波場(chǎng)模擬效果圖

3) 西山礦區(qū)透射槽波探測(cè)陷落柱:槽波能量正常區(qū)表示煤層槽波相對(duì)正常,槽波能量異常區(qū)為陷落柱的區(qū)域,異常區(qū)位置、范圍與模型基本一致,透射槽波適用于隱伏陷落柱的探測(cè),最小探測(cè)直徑大于20 m.

4) 西山礦區(qū)反射槽波探測(cè)陷落柱:反射槽波對(duì)于直徑較大(大于50 m)的陷落柱有反應(yīng),直徑較小(小于50 m)反映不明顯。

上述結(jié)論是通過理論數(shù)據(jù)模擬分析的,可能與實(shí)際勘探情況存在不同,需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探成果進(jìn)行分析總結(jié)。