槽波透射法探测煤层中夹矸分布区试验

2021-01-07刘最亮杨智华

矿山测量 2020年6期

刘最亮，杨智华，匡伟

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西阳泉 045000； 2.常州泽南软件科技有限公司，江苏常州 213200)

煤层中夹矸的存在导致煤层厚度的突然变化，影响工作面的布置和采煤机滚筒的割煤，经生产实践得出，当夹矸厚度小于0.2 m时，滚筒可将其松动割落，当夹矸厚度大于0.2 m时, 截齿及摇臂受损严重，此时滚筒不能强行割矸石，必须采取有效措施处理[1]。夹矸层赋存位置不同，对矸石处理采用的方案也会完全不同，在煤层开采之前，准确的预测夹矸的位置和厚度对煤矿的开采效率和安全开采具有至关重要的意义。

槽波地震勘探是目前矿井地球物理勘探精度最高的方法之一，因其在井下煤层开采工作面施工不受地表地形起伏变化的影响，没有表层及浅层(基岩、风化岩、湖泊、黄土及坡积物等岩性变化)激发和接受层位不一致带来的信号能量及频率差异，与地面物探方法相比较具有勘探精度和分辨率高的优点，被广泛应用于井下煤层构造探测。

槽波的主要特征是频散，频散使得槽波的相速度和群速度存在明显的差异。在以往的研究中，从理论上推导了含夹矸煤层模型的Love型槽波频散方程[2-5]，当煤层中含有夹矸层，对槽波的特征产生较大的影响，井下槽波探测采集数据也证实了这一点。研究含夹矸煤层槽波的特征对槽波波形的识别、数据处理具有指导意义。

对于工作面含夹矸煤层分布区域的探测，目前国内尚无公开发表的有效办法。笔者结合阳泉集团开元公司9713工作面开展的槽波探测试验，分析槽波的频散特征，提取含夹矸信息的槽波数据，对其能量进行CT成像。

1 基本理论

煤层与其顶底板围岩比较总是以低速度、低密度从而低波阻抗出现，煤层与围岩间的界面，一般呈现良好的反射面，在煤层中激发地震波，所激发的纵波、横波以震源为中心，以球面体波向四周传播，而以不同的角度入射到顶板界面。如图1所示，当入射角小于临界角时，除部分能量反射回煤层中，大部分能量将透射到围岩之中，返回到煤层中的能量在煤层中来回多次反射、多次透射而迅速衰减(漏失模式)；当入射角大于或等于临界角时，则入射到顶板界面的地震波能量将全反射回到煤层，并在煤层中多次反射，禁锢在煤层之中(正常模式)，在煤层这个低速槽内向外扩散传播。其中,上行、下行波在煤层中相互干涉、迭加，多数谐波成分相互抵消、削弱，而逐渐消失；只有满足一定条件的各种谐波，相对增强，在槽内相长干涉而形成垂直于煤层面的驻波，在煤层内不断向前传播，这就形成了槽波(Channel Waves)也称煤层波 (Seam Waves)。

图1 槽波的形成原理示意图

透射法是槽波地震勘探中基本的探测方法，施工时震源与检波器(排列)布置在不同的巷道内，在一条巷道内激发，在另一条巷道中接收，根据透射槽波的有无或强弱，来判断震源与接收排列间射线覆盖的扇形区内煤层的连续性，如图2所示。透射法可以判断煤层中地质异常的有无，如果透射测量的观测系统布置合适，覆盖面积大，重复次数多，还可大致圈定出异常的范围，使用CT层析成像技术，能更精确地圈定出异常(如冲刷带，陷落柱和夹矸等)的位置。

图2 透射法施工示意图

煤层中含有夹矸时，且夹矸厚度较大，采用一种较为特殊的施工方法，将一部分的炮点布设在煤层的上分层，另一部分布设在煤层的下分层，检波器也采取同样的布设方法。如图3所示,为工作面的运输巷道，煤层中间分布一层夹矸，设计为炮点激发巷道，将炮点按照一定的间距分别布设在煤层的上、下分层；如图4所示，为工作面的回风巷道，煤层中间分布层为夹矸，设计为检波器接收巷道，将检波点按照一定的间距分别布设在煤层的上、下分层内。运输巷内上分层内的炮点(S2、S4…)激发时，回风巷下分层内的检波器(R1、R3…)接受；同理运输巷内下分层的炮点(S1、S3…)激发时，回风巷上分层内的检波器(R2、R4…)接受。这样保证了槽波传播射线“路径”是穿越夹矸的，即包含了更丰富的夹矸信息。

图3 含夹矸煤层炮点布置示意图

图4 含夹矸煤层检波点布置示意图

2 夹矸煤层的槽波频散特征

2.1 理论公式[6-9]

含夹矸煤层模型如图5所示，弹性半空间有M层水平层状介质，原点(o点)位于第0层(顶层)与第1层介质的交界面上，y轴平行于介质分界面向右，z轴垂直介质分界面向下，第0层和第N+1层介质为弹性半空间。设上下弹性半空间及其间所夹N层介质均为弹性、均匀各向同性介质，hn、ρn、μn、vSn分别为第n层介质的厚度、密度、刚性系数、横波速度，zn-1、zn为第n层的顶界面、底界面的深度。

图5 含夹矸煤层模型

其频散方程为[4-5]：

(1)

2.2 夹矸厚度对频散的影响

建立夹矸在煤层中不同位置的地质模型，模型a～c的参数如表1所示，煤层总厚度为5 m，模型a～c夹矸厚度分别为0.6 m、1.0 m、2.0 m，夹矸位于煤层的正中间位置。

表1 模型参数表

依据含夹矸Love型槽波的频散方程，计算出槽波频散曲线。如图6所示，各频散曲线均有不同程度的畸变，随着模型a～c夹矸厚度的增加，畸变程度也相应增大。频散畸变影响了槽波数据质量，单炮记录中埃里相特征不明显，给槽波的识别和提取带来难度。

图6 Love型槽波频散曲线

2.3 夹矸位置对频散的影响

建立夹矸在煤层中不同位置的地质模型，如图7所示，模型参数如表2所示，煤层总厚度和夹矸的厚度分别固定为4.5 m和0.5 m，夹矸距煤层顶板的距离分别为1.0 m、2.25 m和3.5 m。

表2 模型参数表

依据含夹矸Love型槽波的频散方程，计算出探测区域槽波的振幅深度分布曲线，如图7所示。由图7可知：在含有夹矸的煤层中，槽波的能量集中于煤层较厚的分层中，且能量集中于煤层的中部，朝顶底板方向迅速衰减。因此，在槽波勘探施工时检波器的布设应该考虑夹矸分布对槽波探测的影响。

图7 Love型槽波振幅深度分布曲线

3 实例应用

3.1 工作面概况

阳泉集团开元公司9713工作面位于七采区二水平，工作面平均走向长度为1 172 m，平均倾斜长度为220 m，工作面面积为257 840 m2。工作面煤层赋存稳定，据巷道实掘资料主要以8+9煤为主，距设计停采线365 m范围存在8、9煤分叉区，分叉区层间距最厚5.0 m。8+9煤层厚度5.0～5.4 m,平均5.17 m，煤层结构：1.47(0.2)3.5，属复杂结构。分叉区煤层厚度0.6～4.0 m，平均2.6 m，距设计停采线20 m左右9煤赋存不稳定，9煤最薄2.0 m。本次槽波勘探主要为查明煤层中夹矸分布和煤层厚度变化情况，划分煤层分叉边界，保障工作面安全开采。

3.2 观测系统设计

槽波探测沿回风巷、进风巷布设炮点、检波点，采用回风巷激发、进风巷接收和进风巷激发、回风巷接收的方式。检波点道间距20 m，共143道，布置在回风巷、进风巷内；炮间距20 m，共112炮，布置在回风巷、进风巷内，详细参数如表3所示。分布有夹矸的区域，炮点和检波点均间隔的分布于8煤和9煤层中，如图8所示。

表3 9713工作面东部区域槽波探测物理点表

图8 炮点、检波点在煤层中位置图

3.3 实际资料频散分析

选取回风巷内的R47、R37、R27和R19四个检波器接收的槽波数据做频散分析，如图9所示。依据巷道揭露，R47、R37、R27和R19处的煤层厚度约为7.7 m、10.7 m、9.0 m和7.4 m，煤层中的夹矸厚度分别为2.7 m、5.7 m、4.0 m和2.4 m，从频散图中可以看出，R37与R27处的夹矸较厚，煤层也较厚，对应的槽波埃里相频率较低；R47与R19处的夹矸较薄，煤层也较薄，对应的槽波埃里相频率较高。因此夹矸厚度变化会引起槽波埃里相频率的变化，为了更好地反映出夹矸的影响，选择恰好的某个频段的槽波数据来进行CT成像。

图9 R47、R37、R27和R19检波器接收的槽波数据频散分析图

3.4 槽波能量CT成像[10]

在数据采集时，设计了分层采集槽波数据的观测系统。炮点间隔地布置在8煤和9煤层中，检波器同样也间隔地布设在8煤和9煤层中。为了充分利用槽波数据，更好地提取数据中包含的夹矸信息，对采集的槽波地震数据进行了重组，然后再进行CT成像。将槽波地震数据分为4组，并提取75～105 Hz的槽波数据。4组槽波数据分别为：9煤层激发9煤层接收数据、9煤层激发8煤层接收数据、8煤层激发8煤层接收数据和8煤层激发9煤层接收数据。

对这4组数据分别进行预处理，分频段提取槽波数据并进行CT成像，结果如图10所示。

图10 不同煤层激发与接收槽波能量CT成像

夹矸对槽波的影响表现在速度、频率、波形、能量等多个参数的变化，而其中的能量参数最为敏感。当槽波传播过程中遇到夹矸分布区时，槽波埃里相位的能量急剧减小。在上述各CT图中，红色表示槽波能量较弱，蓝色表示能量较强，因此红色部分对应夹矸分布区或构造发育区，与工作面巷道揭露资料进行对比，图示(b)和(d)吻合度相对较好。

由于工作面夹矸厚度变化较大，难以确定某一频率的槽波数据对工作面夹矸响应更好，因此在数据处理时试验性的将槽波分成不同的频段进行槽波能量CT成像，并将8煤层激发9煤层接收以及9煤层激发8煤层接收的槽波数据合并。经过对比处理发现75～105 Hz频段的槽波成像结果与巷道吻合，且吻合度较高，CT成像结果如图11所示。也以此作为本实验最终的成果图。