薄互煤層中透射槽波探測斷層的正演模擬

馬彥龍

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

透射槽波地震勘探技術應用于工作面回采前探查內部及隱伏構造，可以準確探查直徑15 m以上的陷落柱、落差大于1/2煤厚的斷層、煤層變薄區范圍等[1-3]。目前，槽波地震勘探技術已經成為煤礦井下超長、超寬工作面構造探測以及采區、盤區等長距離、高精度構造探測的首選技術[4-6]。

西南礦井地質條件復雜，各種災害問題突出，薄互煤層、斷層構造極為發育，煤層結構大多為多夾矸復雜結構煤層[7-8]。以攀枝花煤業集團某礦為例，開采三疊系大蕎地組第八段(T3d8)14號煤層，其中夾矸多達6層，一般為3層，且變化較大，結構復雜，單層夾矸厚度0.01～0.53 m，一般小于0.20 m。夾矸對槽波探測及其他物探方法有較大影響。匡偉等[9]通過對夾矸厚度、位置等變量的模擬，研究了含夾矸煤層的Love型槽波頻散特征；榮曉偉[10]對含夾矸煤層槽波頻散特性及影響因素進行了分析。前人對含夾矸煤層槽波特征研究的主要對象為北方礦區各個礦井，而對于西南地區的薄互煤層的槽波研究較少[11-13]。究其原因，一方面是煤層較薄，不利于槽波的產生和傳播；另一方面是夾矸多，含多層夾矸煤層的槽波傳播特征從理論上尚不成熟。筆者擬從槽波的正演模擬入手，依據西南礦區典型地質條件，建立薄互煤層數值模型，通過三維彈性波正演模擬分析槽波的波場特征和頻散特征，應用振幅衰減系數成像研究在薄互煤層中槽波探測斷層發育位置及延展方向的有效性，并結合實際井下地震數據研究夾矸對探測精度的影響，從而為槽波探測技術在西南地區的應用提供借鑒。

1 薄互煤層正演模擬

1.1 物性參數設計與模型建立

為了研究薄互煤層的井下地震響應特征，選擇西南地區的攀枝花煤業集團某礦進行研究，該礦開采14號煤層，可采范圍內以中厚煤層為主，厚度變化不大，規律性明顯，可采區內全為焦煤，煤類單一，總體仍屬較穩定型煤層。夾矸一般為3層，巖性為深灰色薄層泥巖、炭質泥巖，頂底板以深灰色薄中厚層狀粉砂巖和粉砂質泥巖為主。在分析其典型煤系地質特征及巖石彈性特征的基礎上，根據夾矸的空間分布特點及物性特征，結合巷道柱狀圖及煤層、圍巖、斷層等情況，建立了具有多層夾矸的三維地震地質模型[14]。煤層、圍巖及夾矸的主要物性參數見表1。

表1 正演模擬物性參數Table 1 Forward simulation property parameters

為分析夾矸與斷層對薄互煤層槽波造成的影響。分別建立了不含夾矸、含夾矸、含夾矸和斷層的3個模型，并分別采用三維彈性波模擬技術開展了正演模擬。對模型進行網格化，大小為0.1 m×0.1 m×0.1 m，時間采樣間隔0.05 ms，測線在煤層中央，炮間距20 m，道間距10 m，主頻150 Hz的雷克子波，炮點、檢波點布置如圖1所示。

圖1 炮點和檢波點布置Fig.1 Layout of shot points and detection points

圖2為煤(巖)層厚度4 m三維層狀模型空間示意圖，模型(x、y、z)尺寸600 m×180 m×18 m，下部圍巖z方向0～4 m為粉砂巖，5～6 m為泥質粉砂巖，煤層z方向為7～11 m，上部圍巖z方向12～14 m為泥質粉砂巖，巷道z方向15～18 m為粉砂巖。巷道截面y、z方向1 m×1 m，z方向中心點位于煤層中部，圖3為不含構造的三維層狀模型速度俯視圖、圖4為含構造的三維層狀模型速度立體圖，斷層落差大于1/2煤厚小于煤厚，該模型不含其他異常地質構造。

圖2 三維層狀模型Fig.2 Three-dimensional layered model

圖3 不含斷層的三維層狀模型速度俯視圖Fig.3 3D layered model without fault

圖4 含斷層的三維層狀模型速度立體圖Fig.4 Three-dimensional layered model velocity stereogram with fault

1.2 波形響應特征分析

本次研究模擬槽波信號接收選用z分量檢波器，即接收垂直底板方向的槽波信號。縱波(P波)與橫波(S波)是地震波的基本類型，當其傳播過程中遇到彈性分界面或非均勻體時，將產生反射波、透射波、折射波，在特殊條件下還可以產生回轉波、繞射波等。當體波(P、S)在低速夾層中傳播時，由于體波干涉，形成槽波。數據中包含的波場非常復雜，需要對其進行分析，分辨出不同類型的波場[15]。

對不含夾矸薄煤層模型z分量單炮記錄及頻散曲線進行分析(圖5)，最先到達的是來自圍巖的折射縱波(vP=3 170 m/s)，隨后是來自圍巖的折射橫波(vS=1 585 m/s)，后面較強的能量團是槽波(vS=1 250 m/s)。2 m煤厚(不含夾矸)的槽波頻散曲線能量主要集中在250～350 Hz，相速度1 300～1 400 m/s，對模型數據采用(250～280)～(330～350) Hz的帶通濾波，1 200～1 300 m/s的速度范圍內拾取槽波能量團，對槽波振幅衰減系數進行CT成像[16]，z分量成像在整個成像區域內沒有異常顯示(圖6)，與理論模型相一致，說明方法的有效性。

圖5 不含夾矸煤厚2 m槽波記錄及頻散曲線Fig.5 Channel wave record and dispersion curve of 2 m thick without partings

圖6 不含夾矸的三維層狀模型槽波振幅衰減系數CT成像Fig.6 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram without partings

對含夾矸模型數據進行分析(圖7)，4 m煤厚(含夾矸)的槽波頻散曲線能量主要集中在150～300 Hz，相速度1 100～1 200 m/s，槽波記錄體波能量相對集中且能量較強，對模型數據采用(150～180)～(280～300) Hz的帶通濾波，在1 100～1 200 m/s的速度范圍內拾取槽波能量團，對槽波振幅衰減系數進行CT成像(圖8)，整個成像區域內槽波振幅衰減沒有明顯的異常區域(藍色表示槽波能量強)，與理論模型成像相一致，說明含夾矸層狀模型相比不含夾矸層狀模型的槽波主頻低，基于實際煤層結構的理論模型，夾矸對槽波的發育和能量成像影響不大。

圖7 含夾矸的三維層狀模型槽波記錄及頻散曲線Fig.7 Channel wave record and dispersion curve of a three-dimensional layered model with partings

圖8 含夾矸的三維層狀模型槽波振幅衰減系數CT成像Fig.8 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram with partings

同樣，若含夾矸三維層狀模型工作面發育一條落差大于1/2煤厚小于煤厚的斷層，對其進行解釋分析，圖9是含構造的三維層狀模型槽波記錄及頻散曲線，對其進行振幅衰減系數CT成像(圖10)，整個成像區域在無斷層處槽波能量衰減小，根據圖4模型、圖9槽波記錄和圖10槽波CT成像顯示，可以清楚刻畫斷層位置及走向，在多夾矸復雜結構煤層中存在斷層，則斷層在成像中占據主導因素，槽波振幅衰減系數成像方法適用于該煤礦煤層的薄互層結構[17-21]。

2 應用實例

探測區煤層沉積環境為陸相沉積，斷層構造極為發育，含煤地層煤層厚度變化一般，結構復雜。煤(巖)層與圍巖的物性(密度、速度)差異較大，但是煤(巖)層結構復雜，含有多層夾矸，煤層賦存較穩定、厚度變化不大，故煤層與圍巖的波阻抗差異明顯，煤層結構占據主導因素，呈現較好的地震波反射面，夾矸雖對槽波在煤層中傳播有一定的影響，不過工作面寬度在槽波可傳播的最大距離之內，總體槽波能量可能會衰減較大。

圖9 含夾矸、斷層的三維層狀模型槽波記錄及頻散曲線Fig.9 Three-dimensional layered model channel wave record and dispersion curve with fault

圖10 含夾矸、斷層的三維層狀模型槽波振幅衰減系數CT成像Fig.10 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram with partings and fault

本次槽波試驗結合正演模擬確定測線沿回風巷、切眼和運輸巷內側幫布置，從巷道上部、中部、下部對接收位置進行了試驗，結合正演模擬的槽波發育特征及頻散進行分析，發現中部接收槽波發育最好，炮點也布置在煤層中部，孔深3 m，施工布置如圖11所示。

①接收點布置：道距10 m，共設計接收點138個。

②激發點布置：炮距20 m，共設計激發物理點66個，每個激發點藥量為300 g。

采集結束后，進行槽波數據預處理，包括數據編輯、建立觀測系統、能量擴散補償及頻散分析，舉其中一個記錄進行說明。

圖11 施工布置圖Fig.11 Construction layout

結合正演結果的理論頻散特征，通過軟件計算出的Love型槽波的實際頻散特征(圖12)，整個14號煤(巖)層厚4.0 m的大部分能量集中在180～ 250 Hz附近，而實際數據中包含各種頻率的噪聲，但其噪聲頻率與速度均大于槽波速度(1 150 m/s)，通過寬頻濾波與帶通濾波以后，對本次數據處理影響不大，運用槽波振幅衰減系數CT成像方法進行解釋(圖13)。

圖12 實際槽波記錄及頻散曲線Fig.12 Actual channel wave record and dispersion curve

圖13 振幅衰減系數CT成像Fig.13 CT image of amplitude attenuation coefficient

由圖13可知，斷層CF2由切眼一直向工作面內部延伸，走向NE，傾向SE，長度為605 m。

根據工作面回采揭露，解釋的斷層與已揭露斷層吻合較高，其他異常區為小斷層。

3 結論

a.由薄互煤層中透射槽波探測斷層的正演模擬分析可知：在煤厚相同的情況下，含夾矸層狀模型比不含夾矸層狀模型的槽波主頻低；基于實際煤層結構的理論模型，0.5 m以下夾矸對槽波的發育和能量成像影響不大；斷層對槽波能量成像占主導因素，槽波振幅衰減系數成像方法適用于薄互層結構的煤層。

b.根據攀枝花煤業集團某礦煤層的實際驗證，透射槽波探測適用于西南地區薄互煤層的斷層探測，可為西南地區礦井解決構造問題提供新的手段。