槽波透射法探測煤層中夾矸分布區試驗

2021-01-07 04:52:08劉最亮楊智華

礦山測量 2020年6期

劉最亮，楊智華，匡偉

(1.陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西陽泉 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致煤層厚度的突然變化，影響工作面的布置和采煤機滾筒的割煤，經生產實踐得出，當夾矸厚度小于0.2 m時，滾筒可將其松動割落，當夾矸厚度大于0.2 m時, 截齒及搖臂受損嚴重，此時滾筒不能強行割矸石，必須采取有效措施處理[1]。夾矸層賦存位置不同，對矸石處理采用的方案也會完全不同，在煤層開采之前，準確的預測夾矸的位置和厚度對煤礦的開采效率和安全開采具有至關重要的意義。

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、風化巖、湖泊、黃土及坡積物等巖性變化)激發和接受層位不一致帶來的信號能量及頻率差異，與地面物探方法相比較具有勘探精度和分辨率高的優點，被廣泛應用于井下煤層構造探測。

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，從理論上推導了含夾矸煤層模型的Love型槽波頻散方程[2-5]，當煤層中含有夾矸層，對槽波的特征產生較大的影響，井下槽波探測采集數據也證實了這一點。研究含夾矸煤層槽波的特征對槽波波形的識別、數據處理具有指導意義。

對于工作面含夾矸煤層分布區域的探測，目前國內尚無公開發表的有效辦法。筆者結合陽泉集團開元公司9713工作面開展的槽波探測試驗，分析槽波的頻散特征，提取含夾矸信息的槽波數據，對其能量進行CT成像。

1 基本理論

煤層與其頂底板圍巖比較總是以低速度、低密度從而低波阻抗出現，煤層與圍巖間的界面，一般呈現良好的反射面，在煤層中激發地震波，所激發的縱波、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，當入射角小于臨界角時，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回多次反射、多次透射而迅速衰減(漏失模式)；當入射角大于或等于臨界角時，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)，在煤層這個低速槽內向外擴散傳播。其中,上行、下行波在煤層中相互干涉、迭加，多數諧波成分相互抵消、削弱，而逐漸消失；只有滿足一定條件的各種諧波，相對增強，在槽內相長干涉而形成垂直于煤層面的駐波，在煤層內不斷向前傳播，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方法，施工時震源與檢波器(排列)布置在不同的巷道內，在一條巷道內激發，在另一條巷道中接收，根據透射槽波的有無或強弱，來判斷震源與接收排列間射線覆蓋的扇形區內煤層的連續性，如圖2所示。透射法可以判斷煤層中地質異常的有無，如果透射測量的觀測系統布置合適，覆蓋面積大，重復次數多，還可大致圈定出異常的范圍，使用CT層析成像技術，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，且夾矸厚度較大，采用一種較為特殊的施工方法，將一部分的炮點布設在煤層的上分層，另一部分布設在煤層的下分層，檢波器也采取同樣的布設方法。如圖3所示,為工作面的運輸巷道，煤層中間分布一層夾矸，設計為炮點激發巷道，將炮點按照一定的間距分別布設在煤層的上、下分層；如圖4所示，為工作面的回風巷道，煤層中間分布層為夾矸，設計為檢波器接收巷道，將檢波點按照一定的間距分別布設在煤層的上、下分層內。運輸巷內上分層內的炮點(S2、S4…)激發時，回風巷下分層內的檢波器(R1、R3…)接受；同理運輸巷內下分層的炮點(S1、S3…)激發時，回風巷上分層內的檢波器(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 含夾矸煤層炮點布置示意圖

圖4 含夾矸煤層檢波點布置示意圖

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，原點(o點)位于第0層(頂層)與第1層介質的交界面上，y軸平行于介質分界面向右，z軸垂直介質分界面向下，第0層和第N+1層介質為彈性半空間。設上下彈性半空間及其間所夾N層介質均為彈性、均勻各向同性介質，hn、ρn、μn、vSn分別為第n層介質的厚度、密度、剛性系數、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 夾矸厚度對頻散的影響

建立夾矸在煤層中不同位置的地質模型，模型a～c的參數如表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 模型參數表

依據含夾矸Love型槽波的頻散方程，計算出槽波頻散曲線。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，畸變程度也相應增大。頻散畸變影響了槽波數據質量，單炮記錄中埃里相特征不明顯，給槽波的識別和提取帶來難度。

圖6 Love型槽波頻散曲線

2.3 夾矸位置對頻散的影響

建立夾矸在煤層中不同位置的地質模型，如圖7所示，模型參數如表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 模型參數表

依據含夾矸Love型槽波的頻散方程，計算出探測區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，朝頂底板方向迅速衰減。因此，在槽波勘探施工時檢波器的布設應該考慮夾矸分布對槽波探測的影響。

圖7 Love型槽波振幅深度分布曲線

3 實例應用

3.1 工作面概況

陽泉集團開元公司9713工作面位于七采區二水平，工作面平均走向長度為1 172 m，平均傾斜長度為220 m，工作面面積為257 840 m2。工作面煤層賦存穩定，據巷道實掘資料主要以8+9煤為主，距設計停采線365 m范圍存在8、9煤分叉區，分叉區層間距最厚5.0 m。8+9煤層厚度5.0～5.4 m,平均5.17 m，煤層結構：1.47(0.2)3.5，屬復雜結構。分叉區煤層厚度0.6～4.0 m，平均2.6 m，距設計停采線20 m左右9煤賦存不穩定，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 觀測系統設計

槽波探測沿回風巷、進風巷布設炮點、檢波點，采用回風巷激發、進風巷接收和進風巷激發、回風巷接收的方式。檢波點道間距20 m，共143道，布置在回風巷、進風巷內；炮間距20 m，共112炮，布置在回風巷、進風巷內，詳細參數如表3所示。分布有夾矸的區域，炮點和檢波點均間隔的分布于8煤和9煤層中，如圖8所示。

表3 9713工作面東部區域槽波探測物理點表

圖8 炮點、檢波點在煤層中位置圖

3.3 實際資料頻散分析

選取回風巷內的R47、R37、R27和R19四個檢波器接收的槽波數據做頻散分析，如圖9所示。依據巷道揭露，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，對應的槽波埃里相頻率較低；R47與R19處的夾矸較薄，煤層也較薄，對應的槽波埃里相頻率較高。因此夾矸厚度變化會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，選擇恰好的某個頻段的槽波數據來進行CT成像。

圖9 R47、R37、R27和R19檢波器接收的槽波數據頻散分析圖

3.4 槽波能量CT成像[10]

在數據采集時，設計了分層采集槽波數據的觀測系統。炮點間隔地布置在8煤和9煤層中，檢波器同樣也間隔地布設在8煤和9煤層中。為了充分利用槽波數據，更好地提取數據中包含的夾矸信息，對采集的槽波地震數據進行了重組，然后再進行CT成像。將槽波地震數據分為4組，并提取75～105 Hz的槽波數據。4組槽波數據分別為：9煤層激發9煤層接收數據、9煤層激發8煤層接收數據、8煤層激發8煤層接收數據和8煤層激發9煤層接收數據。

對這4組數據分別進行預處理，分頻段提取槽波數據并進行CT成像，結果如圖10所示。

圖10 不同煤層激發與接收槽波能量CT成像

夾矸對槽波的影響表現在速度、頻率、波形、能量等多個參數的變化，而其中的能量參數最為敏感。當槽波傳播過程中遇到夾矸分布區時，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，藍色表示能量較強，因此紅色部分對應夾矸分布區或構造發育區，與工作面巷道揭露資料進行對比，圖示(b)和(d)吻合度相對較好。

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據對工作面夾矸響應更好，因此在數據處理時試驗性的將槽波分成不同的頻段進行槽波能量CT成像，并將8煤層激發9煤層接收以及9煤層激發8煤層接收的槽波數據合并。經過對比處理發現75～105 Hz頻段的槽波成像結果與巷道吻合，且吻合度較高，CT成像結果如圖11所示。也以此作為本實驗最終的成果圖。