西山礦區典型構造槽波三維數值模擬技術研究

王曉東,劉 碩

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

西山礦區各礦地質類型復雜,在采掘生產過程中常受隱伏構造影響,導致采掘接替無計劃變更、資源損失、設備損壞等,而且部分礦井為帶壓開采與瓦斯突出礦井,在構造附近往往會形成瓦斯富集區和導水通道,必須采用有效的探測技術對地質構造進行精細探測,才能滿足大儲量、智能化工作面的要求。目前常規的構造探測手段有地面三維地震、高密度及鉆探技術等,煤礦采區地面三維地震勘探對小斷層、小陷落柱等地質異常的查明程度偏低。槽波地震勘探是利用在煤層中激發和傳播的導波探查煤層中的構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距離大、精度高、抗電干擾能力強、波形特征較容易識別以及最終成果直觀的優點[1-3]. 在陷落柱、沖刷帶、斷層、引力集中區及老窯巷道探測等方面具有良好的應用前景。

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、折射和規則干涉的結果。在煤層中激發出地震波時,槽波沿著圍巖—煤層—圍巖地層結構傳播,它的波長與煤層厚度為同一數量級。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生衰減[1]. 煤層不僅對在煤層中的槽波,而且對相鄰圍巖中的槽波都是一個二維導體。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的總和。

2 槽波三維數值模擬

基于多GPU計算平臺進行槽波三維波場模擬,獲取對應模型的單炮記錄、頻散曲線,并進行CT反演,通過模擬結果研究西山礦區槽波三維模擬特征。

2.1 模型設計

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;頂底板厚度一致,頂部為高速圍巖,底部為低速圍巖。設計回風、進風及切眼3條巷道,長度分別為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方向網格大小為1 m×1 m×0.5 m(0.25 m為2 m煤厚的z方向網格),采樣間隔0.5 ms,時長1 s.

震源加載方式為純縱波震源,頻率依據不同煤厚埃里相而定,位于巷道內側幫煤層中部。觀測系統設計為,震源序列的間距20 m,采用一條接收線,全巷道觀測方式,接收位于1/2煤層處,所有接收點的間距為10 m. 共布設接收點181個,每個點三分量接收,激發點89個。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,實心圓點為激發點,實心三角點為接收點。

2.2 透射槽波三維波場模擬

2.2.1 斷層三維波長模擬

設計工作面內含與巷道夾角45°,傾角45°的1條斷層模型(圖2),斷層在機巷的揭露點位置為x=550 m,y=250 m,風巷揭露點位置x=750 m,y=50 m.

圖1 觀測系統示意圖

圖2 斷層模型平面及剖面圖

S19單炮記錄中槽波波場能量相對較強(圖3),斷層發育附近存在單炮記錄能量衰減、且衰減效果明顯,記錄中同時也接收到了巷道繞射、多次波等波形,可通過濾波進行處理;頻率主要集中在180～260 Hz,相速度900 m/s～1 100 m/s,通過選取合適參數進行的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 透射槽波斷層構造三維波場模擬效果圖

2.2.2 陷落柱三維波長模擬

設計工作面內隱伏5個陷落柱的數值模型,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單炮記錄出現明顯的突變點繞射成像和多次波,且波組較多,較豐富;槽波記錄體波能量相對集中且能量較強,可通過濾波進行處理。槽波能量正常區表示煤層槽波相對正常,槽波能量異常區為陷落柱的區域,異常區位置、范圍與模型基本一致。透射槽波適用于隱伏陷落柱的探測,最小探測直徑大于20 m. S3單炮記錄及頻散分析圖見圖6,透射槽波陷落柱構造三維波場模擬效果見圖7.

2.3 反射槽波三維波場模擬

2.3.1 斷層三維波場模擬

設計模型中煤厚5 m,斷層數目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 透射槽波陷落柱構造三維波場模擬效果圖

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,且斷層反射波要強于巷道反射波,記錄中同時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,同時繼續傳播,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。S20單炮記錄及頻散分析圖見圖9,反射槽波斷層構造三維波場模擬效果見圖10.

圖9 S20單炮記錄及頻散分析圖

圖10 反射槽波斷層構造三維波場模擬效果圖

2.3.2 陷落柱三維波場模擬

設計工作面內隱伏4個陷落柱的數值模型,見表2,各個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較弱,根據槽波CDM成像結果,只有陷落柱4反映較明顯,位置和大小較準確,陷落柱1—3,反映不明顯。說明反射槽波對于直徑較大(大于50 m)的陷落柱有反應,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,反射槽波陷落柱構造三維波場模擬效果見圖13.

3 結 論

1) 西山礦區槽波探測斷層及陷落柱效果明顯:斷層及陷落柱的槽波波場、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) 西山礦區反射槽波探測斷層:反射槽波可以

圖13 反射槽波陷落柱構造三維波場模擬效果圖

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

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

上述結論是通過理論數據模擬分析的,可能與實際勘探情況存在不同,需要結合現場勘探成果進行分析總結。