掘进煤巷采空区Rayleigh型槽波超前探测三维数值模拟研究

呼邦兵，朱国维，刘金锁，钟俊峰，龙 波

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

近年来，随着我国经济增速放缓，煤炭资源产能过剩，煤矿资源整合逐步完成，由于小煤矿缺少开采图纸或开采无规划，采空区已经严重影响到煤矿巷道和采煤区的设计布置、煤炭开采的经济效益与安全生产[1，2]。因此，在煤矿巷道开展超前探测工作，对工作面前方的采空区、不良地质体等进行准确预测预报是十分必要的。地震超前探测在隧道中应用较多，刘盛东等提出煤矿巷道地震波超前探测(MSP)，采集数据时利用多次覆盖观测系统，分离出P波并偏移成像来探测掘进面前方断层、陷落柱、采空区等不良地质构造[3]。1955年，Evison在新西兰煤矿首次激发并接收到槽波[4]。1964年，Kery在理论与实际勘探中证明槽波的存在[5]。20世纪70年代末，Mason和Buchanan开展煤矿反射槽波超前探测断层的研究[6]。2012年，姬广忠等实现煤矿井下三维槽波数值模拟与频散特征分析[7]。2012年，杨思通等对煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测进行了数值模拟研究[8，9]。2015年，王季针对反射槽波受干扰波严重影响，提出了基于最小平方反褶积的反射槽波增强算法和基于径向道变换的方法压制干扰波的方法[10]。2016年，李刚通过三维正演证明了透射槽波探测煤层厚度的可行性[11]。2017年，刘绍伟等对基于SH槽波超前探测进行了研究，并在实际探测中取得良好效果[12]。2018年，蒋锦鹏等对基于槽波的TVSP技术在煤矿巷道中的应用可行性进行了研究，通过理论与数值模拟研究证明槽波可以实现TVSP超前探测[13]。同年，乔勇虎等利用谱元法模拟计算了含断层模型Rayleigh型地震槽波的产生、传播过程[14]。

经过几十年技术发展，槽波勘探技术已经取得较成熟发展。但是目前国内外关于反射槽波超前探测公开的案例较少[10]，反射槽波应用于井下超前探测需要研究其遇到不良地质体的传播规律。鉴于此，对采空区进行三维数值模拟，研究槽波在该地质条件下的波场特征。

1 槽波超前探测原理

在“岩-煤-岩”地层条件下，煤层属于典型的低速层。在煤层中激发体波(包括纵波和横波)，根据斯奈尔定律，地震波在顶底板发生多次全反射从而相互叠加、相长干涉形成槽波。槽波形成原理如图1所示，在A区体波入射角小于临界角，部分体波能量透射到顶底板岩层中，属于能量泄露区；B区和C区，体波入射角等于或大于临界角，故而全反射或者全折射返回煤层，在C区形成相互叠加、相长干涉槽波[15]。槽波相较于体波而言，传播距离远、能量强、频率高、速度低等特点。槽波仅在煤层中传播，当遇到不良地质构造时产生反射槽波，利用接收到的反射槽波来进行超前探测。

图1 槽波形成原理图

Rayleigh型槽波是由P波、SV波相互干涉、相互叠加形成的干涉波，质点振动方向与煤层面垂直、与传播方向平行。Rayleigh型槽波形成条件是煤层P波、S波速度小于顶底板围岩的S波速度[16]。

2 槽波数值模拟

2.1 三维弹性波数值模拟原理

采用交错网格有限差分法模拟三维煤层巷道模型Rayleigh型槽波超前探测地震波场。三维各向同性介质中一阶速度-应力弹性波方程见式(1)：

式中，σxx、σyy、σzz分别为X、Y、Z方向的正应力；σxy、σzx、σyz为剪应力；λ、μ为拉梅参数；ρ为密度；Vx、Vy、Vz分别为质点沿X、Y、Z方向的振动速度；t为传播时间。

2.2 模型与参数

为了研究巷道前方采空区的地震波场特征，设计了一个含煤层和巷道的三维模型如图2所示，模型在X、Y、Z方向的大小分别为400m×300m×100m，Z方向中间为煤层，煤层厚度为4m，煤层顶底板岩性相同；巷道位于煤层中间位置处，长150m(X方向)、宽5m(Y方向)，高4m(Z方向)。采空区为正方形，边长为50m，高度等于煤厚，位于巷道迎头前方100m处，各岩层的弹性参数见表1。模型在X、Y、Z方向上的网格大小均为0.5m，模型边界采用PML法吸收边界，巷道边界采用AEA法[17]处理。

图2 三维煤层立体模型图

表1 模型弹性参数

震源位置为(50，157，50)，距离巷道壁2m深，采用主频130Hz的零相位雷克子波爆炸震源。测线平行于巷道掘进方向，与震源位于同一直线上，共101道，道间距为1m，时间采样率为0.4ms。观测系统的布置如图3所示。

图3 观测系统剖面图(Z=50m)

3 三分量地震波场特征与地震记录

3.1 三分量地震波场空间传播特征

由X分量40ms、80ms、160ms、260ms波场快照切片图(图4)可知：40ms时刻，震源激发产生纵波、横波；80ms时刻，体波在传播过程中，纵波与横波相互叠加、干涉形成Rayleigh型槽波，体波传播速度快，首先到达迎头产生迎头绕射波或反射波，直达纵波和直达横波在向前传播过程中遇到采空区；160ms时刻，一部分体波发生反射产生反射波，另一部分体波进入采空区中并在采空区腔体内发生多次反射。Rayleigh型槽波在采空区边界产生反射槽波，反射槽波部分能量沿着煤层向巷道迎头方向传播。巷道中排列的检波器首先接收到反射体波，其次接收到反射槽波。

图4 X分量波场快照Z=50m切片图

由Y分量40ms、80ms、160ms、260ms波场快照切片图(图5)可以看出，波场的传播方式类似于X分量。40ms时刻，震源激发产生纵波、横波。80ms时刻，体波在传播过程中，SH波相互干涉形成Love型槽波，体波传播速度快，先到达迎头产生迎头绕射波或反射波，直达波已经到达采空区，并发生多次反射。160ms时刻，一部分体波发生反射产生反射波，另一部分体波传播进入到采空区中并在采空区腔体内发生多次反射。260ms时刻，空间中反射波与采空区边界绕射波混杂。

图5 Y分量波场快照Z=50m切片图

通过Z分量40ms、80ms、160ms、260ms波场快照切片图(图6)可以得出，波场的传播方式类似于X分量。40ms时刻，震源激发产生纵波、横波。80ms时刻，体波已经到达巷道迎头，并产生绕射波或反射波；直达波已经到达采空区，并发生多次反射。体波和直达Rayleigh型槽波继续向前传播，在160ms时刻，一部分体波发生反射，另一部分体波传播进入到采空区中并在采空区腔体内发生多次反射。直达槽波在采空区边界产生反射槽波。260ms时刻，空间中直达波、反射槽波、绕射波等混杂。

图6 Z分量波场快照Z=50m切片图

3.2 三分量合成地震记录分析

振幅归一化处理的X、Y、Z分量合成地震记录如图7所示。从合成地震记录中可以清晰地识别各种直达波和采空区的反射波，而迎头绕射波能量相对于其它波能量弱，归一化处理后，在地震记录上无法识别。

图7(a)为X分量得到的合成记录，结合波场快照及模型的时距关系可以分辨出：直达纵波(同相轴1)、直达横波(同相轴2)、直达槽波(同相轴3)、反射槽波(同相轴4)和采空区反射纵波(同相轴5)。由于纵波在采空区内多次反射，故同相轴5波列较宽。同相轴4速度慢、波列宽、能量强，且同相轴4的斜率明显大于同相轴5，为反射Rayleigh槽波，易于和其他干扰波区分。

图7(b)为Y分量得到的合成记录，结合波场快照及模型的时距关系可以分辨出：直达横波(同相轴2)、采空区反射横波(同相轴6)、直达Love型槽波(同相轴7)。横波在采空区内多次反射，反射横波波列较宽、能量较强。从记录中未得到反射Love槽波。

图7(c)为Z分量得到的合成记录，结合波场快照及模型的时距关系可以分辨出：直达纵波(同相轴1)、直达横波(同相轴2)、直达槽波(同相轴3)、反射槽波(同相轴4)、采空区反射纵波(同相轴5)。由于反射槽波波列较宽，可能反射横波于反射槽波混杂，故反射横波未见明显同相轴。如同X分量，体波在采空区中多次反射，同相轴5波列较宽，但能量较弱；同相轴4的斜率明显大于同相轴5，速度慢、能量强、同相轴清晰，易于区分。

根据上述分析可知，X分量和Z分量接收到的反射Rayleigh型槽波速度最慢，其波至最迟，与其他波时间间隔较大，能量较强，无论在时间域中还是在能量上都容易识别。Y分量无反射Love型槽波。基于以上分析，反射Rayleigh型槽波可以作为识别工作面前方存在采空区的有效波。

图7 三分量合成地震记录

4 结 论

基于矿井地震超前探测理论，利用地震数值模拟开展巷道迎头前方采空区地质异常超前探测技术研究，设计了“岩-煤-岩”三层地质模型，主要得出以下结论：

1)在巷道超前探测采空区研究不足的基础上，提出了Rayleigh型槽波超前探测方法，该方法采取后置放炮，在迎头后方激发爆炸震源，在震源与迎头之间布置检波器的观测方式。

2)对提出的Rayleigh型槽波超前探测方法进行了数值模拟研究。研究表明：在煤厚4m，震源频率130Hz情况下，构造面上产生反射Rayleigh型槽波，能量较强、同相轴较为清晰、易于识别，可以作为构造超前探测的有效波。

3)在三分量地震记录上，X、Z分量接收反射槽波能量较强，同相轴清晰，反射槽波速度慢，在时间间隔上与其他波差距大，从时间域或能量上都易于区分。Y分量上可以接收到直达Love型槽波，无反射Love槽波。在巷道前方采空区的超前探测中，X、Z分量可以有效接收反射Rayleigh型槽波，实现采空区的超前探测。

4)本文只建立了采空区位于巷道正前方正演模型，下一步进行采空区在巷道不同位置以及采空区不同大小地震超前探测正演模拟研究，研究地震波场在采空区不同空间位置、不同大小地质条件下的传播规律，为利用Rayleigh型槽波超前预测预报采空区提供参考。