薄互煤层中透射槽波探测断层的正演模拟

2021-05-23马彦龙

煤田地质与勘探 2021年2期

马彦龙

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

透射槽波地震勘探技术应用于工作面回采前探查内部及隐伏构造，可以准确探查直径15 m以上的陷落柱、落差大于1/2煤厚的断层、煤层变薄区范围等[1-3]。目前，槽波地震勘探技术已经成为煤矿井下超长、超宽工作面构造探测以及采区、盘区等长距离、高精度构造探测的首选技术[4-6]。

西南矿井地质条件复杂，各种灾害问题突出，薄互煤层、断层构造极为发育，煤层结构大多为多夹矸复杂结构煤层[7-8]。以攀枝花煤业集团某矿为例，开采三叠系大荞地组第八段(T3d8)14号煤层，其中夹矸多达6层，一般为3层，且变化较大，结构复杂，单层夹矸厚度0.01～0.53 m，一般小于0.20 m。夹矸对槽波探测及其他物探方法有较大影响。匡伟等[9]通过对夹矸厚度、位置等变量的模拟，研究了含夹矸煤层的Love型槽波频散特征；荣晓伟[10]对含夹矸煤层槽波频散特性及影响因素进行了分析。前人对含夹矸煤层槽波特征研究的主要对象为北方矿区各个矿井，而对于西南地区的薄互煤层的槽波研究较少[11-13]。究其原因，一方面是煤层较薄，不利于槽波的产生和传播；另一方面是夹矸多，含多层夹矸煤层的槽波传播特征从理论上尚不成熟。笔者拟从槽波的正演模拟入手，依据西南矿区典型地质条件，建立薄互煤层数值模型，通过三维弹性波正演模拟分析槽波的波场特征和频散特征，应用振幅衰减系数成像研究在薄互煤层中槽波探测断层发育位置及延展方向的有效性，并结合实际井下地震数据研究夹矸对探测精度的影响，从而为槽波探测技术在西南地区的应用提供借鉴。

1 薄互煤层正演模拟

1.1 物性参数设计与模型建立

为了研究薄互煤层的井下地震响应特征，选择西南地区的攀枝花煤业集团某矿进行研究，该矿开采14号煤层，可采范围内以中厚煤层为主，厚度变化不大，规律性明显，可采区内全为焦煤，煤类单一，总体仍属较稳定型煤层。夹矸一般为3层，岩性为深灰色薄层泥岩、炭质泥岩，顶底板以深灰色薄中厚层状粉砂岩和粉砂质泥岩为主。在分析其典型煤系地质特征及岩石弹性特征的基础上，根据夹矸的空间分布特点及物性特征，结合巷道柱状图及煤层、围岩、断层等情况，建立了具有多层夹矸的三维地震地质模型[14]。煤层、围岩及夹矸的主要物性参数见表1。

表1 正演模拟物性参数Table 1 Forward simulation property parameters

为分析夹矸与断层对薄互煤层槽波造成的影响。分别建立了不含夹矸、含夹矸、含夹矸和断层的3个模型，并分别采用三维弹性波模拟技术开展了正演模拟。对模型进行网格化，大小为0.1 m×0.1 m×0.1 m，时间采样间隔0.05 ms，测线在煤层中央，炮间距20 m，道间距10 m，主频150 Hz的雷克子波，炮点、检波点布置如图1所示。

图1 炮点和检波点布置Fig.1 Layout of shot points and detection points

图2为煤(岩)层厚度4 m三维层状模型空间示意图，模型(x、y、z)尺寸600 m×180 m×18 m，下部围岩z方向0～4 m为粉砂岩，5～6 m为泥质粉砂岩，煤层z方向为7～11 m，上部围岩z方向12～14 m为泥质粉砂岩，巷道z方向15～18 m为粉砂岩。巷道截面y、z方向1 m×1 m，z方向中心点位于煤层中部，图3为不含构造的三维层状模型速度俯视图、图4为含构造的三维层状模型速度立体图，断层落差大于1/2煤厚小于煤厚，该模型不含其他异常地质构造。

图2 三维层状模型Fig.2 Three-dimensional layered model

图3 不含断层的三维层状模型速度俯视图Fig.3 3D layered model without fault

图4 含断层的三维层状模型速度立体图Fig.4 Three-dimensional layered model velocity stereogram with fault

1.2 波形响应特征分析

本次研究模拟槽波信号接收选用z分量检波器，即接收垂直底板方向的槽波信号。纵波(P波)与横波(S波)是地震波的基本类型，当其传播过程中遇到弹性分界面或非均匀体时，将产生反射波、透射波、折射波，在特殊条件下还可以产生回转波、绕射波等。当体波(P、S)在低速夹层中传播时，由于体波干涉，形成槽波。数据中包含的波场非常复杂，需要对其进行分析，分辨出不同类型的波场[15]。

对不含夹矸薄煤层模型z分量单炮记录及频散曲线进行分析(图5)，最先到达的是来自围岩的折射纵波(vP=3 170 m/s)，随后是来自围岩的折射横波(vS=1 585 m/s)，后面较强的能量团是槽波(vS=1 250 m/s)。2 m煤厚(不含夹矸)的槽波频散曲线能量主要集中在250～350 Hz，相速度1 300～1 400 m/s，对模型数据采用(250～280)～(330～350) Hz的带通滤波，1 200～1 300 m/s的速度范围内拾取槽波能量团，对槽波振幅衰减系数进行CT成像[16]，z分量成像在整个成像区域内没有异常显示(图6)，与理论模型相一致，说明方法的有效性。

图5 不含夹矸煤厚2 m槽波记录及频散曲线Fig.5 Channel wave record and dispersion curve of 2 m thick without partings

图6 不含夹矸的三维层状模型槽波振幅衰减系数CT成像Fig.6 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram without partings

对含夹矸模型数据进行分析(图7)，4 m煤厚(含夹矸)的槽波频散曲线能量主要集中在150～300 Hz，相速度1 100～1 200 m/s，槽波记录体波能量相对集中且能量较强，对模型数据采用(150～180)～(280～300) Hz的带通滤波，在1 100～1 200 m/s的速度范围内拾取槽波能量团，对槽波振幅衰减系数进行CT成像(图8)，整个成像区域内槽波振幅衰减没有明显的异常区域(蓝色表示槽波能量强)，与理论模型成像相一致，说明含夹矸层状模型相比不含夹矸层状模型的槽波主频低，基于实际煤层结构的理论模型，夹矸对槽波的发育和能量成像影响不大。

图7 含夹矸的三维层状模型槽波记录及频散曲线Fig.7 Channel wave record and dispersion curve of a three-dimensional layered model with partings

图8 含夹矸的三维层状模型槽波振幅衰减系数CT成像Fig.8 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram with partings

同样，若含夹矸三维层状模型工作面发育一条落差大于1/2煤厚小于煤厚的断层，对其进行解释分析，图9是含构造的三维层状模型槽波记录及频散曲线，对其进行振幅衰减系数CT成像(图10)，整个成像区域在无断层处槽波能量衰减小，根据图4模型、图9槽波记录和图10槽波CT成像显示，可以清楚刻画断层位置及走向，在多夹矸复杂结构煤层中存在断层，则断层在成像中占据主导因素，槽波振幅衰减系数成像方法适用于该煤矿煤层的薄互层结构[17-21]。

2 应用实例

探测区煤层沉积环境为陆相沉积，断层构造极为发育，含煤地层煤层厚度变化一般，结构复杂。煤(岩)层与围岩的物性(密度、速度)差异较大，但是煤(岩)层结构复杂，含有多层夹矸，煤层赋存较稳定、厚度变化不大，故煤层与围岩的波阻抗差异明显，煤层结构占据主导因素，呈现较好的地震波反射面，夹矸虽对槽波在煤层中传播有一定的影响，不过工作面宽度在槽波可传播的最大距离之内，总体槽波能量可能会衰减较大。

图9 含夹矸、断层的三维层状模型槽波记录及频散曲线Fig.9 Three-dimensional layered model channel wave record and dispersion curve with fault

图10 含夹矸、断层的三维层状模型槽波振幅衰减系数CT成像Fig.10 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram with partings and fault

本次槽波试验结合正演模拟确定测线沿回风巷、切眼和运输巷内侧帮布置，从巷道上部、中部、下部对接收位置进行了试验，结合正演模拟的槽波发育特征及频散进行分析，发现中部接收槽波发育最好，炮点也布置在煤层中部，孔深3 m，施工布置如图11所示。

①接收点布置：道距10 m，共设计接收点138个。

②激发点布置：炮距20 m，共设计激发物理点66个，每个激发点药量为300 g。

采集结束后，进行槽波数据预处理，包括数据编辑、建立观测系统、能量扩散补偿及频散分析，举其中一个记录进行说明。

图11 施工布置图Fig.11 Construction layout

结合正演结果的理论频散特征，通过软件计算出的Love型槽波的实际频散特征(图12)，整个14号煤(岩)层厚4.0 m的大部分能量集中在180～ 250 Hz附近，而实际数据中包含各种频率的噪声，但其噪声频率与速度均大于槽波速度(1 150 m/s)，通过宽频滤波与带通滤波以后，对本次数据处理影响不大，运用槽波振幅衰减系数CT成像方法进行解释(图13)。