浅埋煤层房柱式采空巷道地震物理模型设计及制作

王 盼，朱书阶，贾 茜，菅本启，张淼淼，董蕊静

浅埋煤层房柱式采空巷道地震物理模型设计及制作

王 盼1,2，朱书阶2，贾 茜2，菅本启3，张淼淼2，董蕊静2

(1. 西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710056；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3. 中国石油大学(北京) 地球物理学院，北京 102249)

针对陕北浅埋煤层房柱式采空区探测精度不高的问题，制作地震物理模型进行浅埋煤层房柱式采空区物理模拟研究。按照物理模拟几何尺寸和波阻抗相似比原则设计地震物理模型；进行大量相似材料配比试验，确定低速黄土层相似材料为环氧树脂和硅橡胶(1∶1.2)，泥岩相似材料为环氧树脂、硅橡胶和滑石粉(1∶0.2∶0.6)，煤层为环氧树脂和硅橡胶(1∶0.4)，泥质砂岩相似材料为环氧树脂和滑石粉(1∶0.8)，砂岩为环氧树脂和滑石粉(1∶1.2)；采用数控雕刻机雕刻煤层采空区及巷道保证高精度，利用浇筑法和粘接法相结合制作采空区夹心层及煤层倒扣浇筑的方法解决采空区巷道内留存空气的模型制作工艺难题，完成了房柱式采空巷道地震物理模型制作。经测量，物理模型的单层形态测量精度为0.2 mm、速度相对误差小于5 %、密度绝对误差为±0.3 g/cm3，满足模型设计要求。

房柱式采空区；相似材料配比；地震物理模型；模型制作

浅埋煤层一般是以埋深在150 m以内、基岩小于50 m、上覆松散砂土为赋存条件特征的煤层，广泛分布于我国西北部，其具有可采煤层多、煤层厚、结构简单、稳定性好等优越的开采条件。我国在煤炭大规模开采之前多采用房柱式即开采时预留煤柱支撑顶板以防地表沉陷[1]，加之小煤窑多年来利用房柱式无序开采，遗留了许多错综复杂的采空区，采空区沉陷后形成采煤沉陷积水区，导致耕地减少、建筑物损坏、水土流失等问题[2]，严重威胁周边民众的正常生活和大型煤矿安全生产。

多年来，我国在浅埋煤层房柱式采空区勘探方面开展了大量的探测实践及数值模拟研究[3-7]，但浅埋煤层房柱式采空区尤其是采空巷道的探测仍然是难题。

从方法研究的角度看，地震物理模拟是一条途径。地震物理模拟是进行理论基础研究最直接有效的方法之一，可以为复杂构造的地震勘探提供标准、可靠的数据，从而对各种地震成像方法和软件系统的成像效果和质量进行测试和评价[8-9]。进行地震物理模拟首先要制作物理模型，为此，开展浅埋煤层房柱式采空巷道地震物理模型设计和制作研究，以便为开展物理模拟提供物质基础，进而为深入认识浅埋房采区波场响应特征，为浅埋房采区的地震数据采集及处理解释提供基础服务。

1 房柱式采空巷道地震物理模型设计

根据陕北某煤矿的采掘工程平面图、地质资料及钻孔资料设计一个双煤层采空巷道地震物理模型。野外地质体实际尺寸为1 300 m×1 000 m× 200 m，分为6层，顶层为疏松黄土层，厚度为60 m；泥岩为上组煤顶板，厚度42 m；上组煤为厚煤层，厚度为9 m，其中采空区高度为5 m；上组煤底板和下组煤顶板为泥质砂岩，厚度为30 m；下组煤厚度为5 m，下组煤底板为砂岩，厚度为54 m。

首先，根据物理模型采集系统和超声换能器主频等因素确定模型比例因子，再根据采空巷道形态、分布情况设计采空区、巷道的形态和具体位置。

1.1 相似准则下比例因子确定

模型设计一定要考虑模型与实际介质的相似性，相似性的要求有很多方面，但是现实的模型材料尚达不到全部要求，所以在解决不同问题时，有不同的侧重点。在采空区探测中主要用到反射地震勘探，主要研究纵波在不同构造形态的界面和多层界面反射所形成的图形，因此，对实际地质构造的模拟主要是几何尺寸和波阻抗两个方面。

几何尺寸的相似常常用视波长作标度，不仅包含模型几何尺寸的大小，还要考虑震源激发的脉冲主频和介质传播中波的速度[10-11]。所以几何尺寸包含时间比例、几何尺寸比例和速度比例，其对应关系如下：

波长比例因子为：

即波在模型介质中旅行时间为1 µs，相当于在实际介质中的旅行时间1 ms。

由长度比例因子(L)和波长比例因子相等，可计算模型的尺寸：

即模型尺寸长度1 m，相当于野外工作面长1 000 m。

根据时间比例、几何尺寸比例和速度比例，最终确定模型的模拟比例为1 000∶1，则物理模型尺寸为1.3 m×1 m×0.2 m。

1.2 模型设计

根据浅埋煤层房柱式采掘的实际情况设计的采空巷道地震物理模型包含巷道、斜交采空巷道、正交采空巷道3类采空区地质体。为最大限度发挥模型的功效，可在同一模型上完成多项测试，设计上组煤包含斜交和正交采空巷道，可分别分析斜交和正交采空巷道的波场响应；设计下组煤只包含正交采空巷道，且与上组煤的正交采空巷道空间上有部分重叠，可分析重叠和非重叠区域的波场特征响应。为最大程度降低模型的边界效应，采空区巷道设计在煤层的中间位置。模型设计前必须考虑模型材料速度、密度以及模型制作工艺的可实现性，采集系统的发射能量、频率以及换能器尺寸、频率等参数能满足要求。

根据以上设计思路，设计模型参数见表1。

表1 实际地层和物理模型参数对比

模型的剖面如图1a所示，采空区和巷道的采高、宽度均为0.005 m，图1b为上组煤采空区平面图，左边斜交采空巷道，斜交角度为 145°，右边为正交采空巷道；图1c下组煤采空区只设计了正交采空巷道。

2 房柱式采空巷道地震物理模型制作

模型制作的关键是材料配比，难点在于采空区及巷道的制作，因为常规的模型浇筑方法无法保证采空区内保留空气，为此采用制作采空区夹心层的新工艺来解决这一问题。

2.1 模型材料的选择及配置

材料的选择是制作模型的关键，特别是在制作多层介质模型时，在选择材料的时候要考虑以下几个方面[12-15]：

①可模拟性，能满足模拟实际地层的弹性参数，特别在速度、密度和衰减的声学特征方面；

②可制作性，在模型制作过程中所选材料要使得界面之间要能很好的粘合、无缝隙；

③制作工艺，要考虑模型的固化性能，便于后期打磨处理。

根据近几十年来学者的研究，树脂和橡胶类材料或与其他材料混合后，流动性、收缩性、固化性都较好，且速度差异大，固化后易于处理。所以在进行地震物理模型制作时常考虑环氧树脂、硅橡胶添加滑石粉等。模型制作之前通过大量的材料配比试验，制作试块并测试速度、密度，配比出与设计的各层参数相近的材料。经过多次调试配比得到了采空区各层材料配比试块(图2)，主料为环氧树脂(记为A)，配料为硅橡胶和滑石粉分别记为B和C，具体配比比例见表2。

图1 采空巷道设计

从这些试块中测得纵波速度和密度的比例为1.5∶1，所以实际地层转换为模型的比例参数时，速度1∶1的情况下，密度按照1∶1.5转换，最终的转换密度和模型设计基本一致。经计算，黄土层速度与设计的相对误差为4.4 %，泥岩层为2.3 %，上组煤为1.1 %，泥质砂岩为 0.6%，下组煤为1.9 %，砂岩为4.8 %，速度相对误差控制在5 %以内；黄土层密度与设计的绝对误差为0.3 g/cm3，泥岩层为–0.2 g/cm3，上组煤为0.3 g/cm3，泥质砂岩为 0.01 g/cm3，下组煤为0.2 g/cm3，砂岩为0.1 g/cm3，密度绝对误差控制在±0.3 g/cm3以内。

图2 材料配比试块

表2 模型参数配比

在速度测试方面，由于在工业和复合材料中很难找到速度低于1 000 m/s或者高于3 000 m/s的材料，所以第一层黄土层和第六层砂岩误差较大，其他各层基本吻合。

2.2 模型制作及工艺

整个模型制作的最大难点是采空区的制作，一是需要保证采空区内填充为空气，二是采空区巷道宽度和高度仅有5 mm。整个模型制作分为两部分，第一部分采用浇筑法和粘接法混合制作采空区夹心层的新技术方法制作上、下组煤层采空区，第二部分利用逐层浇筑的方法整体浇筑模型。

2.2.1 采空区制作

1) 下组煤采空区

采空区平面面积为750 mm×350 mm，以下组煤的上下相邻层作为采空区夹心层的顶部和底部，分别浇筑20 mm；凝固后底层上面浇筑厚度为5 mm的煤层，利用数控雕刻机雕刻煤层采空区及巷道，如图3a所示；最后粘贴夹心层的顶部最关键，要把顶部放在下面，薄涂相同材料，煤层倒扣上，再用重物压制，薄涂和煤层倒扣的方法可以达到防止材料入侵采空区和粘贴时产生气泡，如图3b所示。

2) 上组煤采空区

与下组煤采空区制作方法相同，煤层厚度9 mm，采空区高度5 mm。

图3 上下组煤层采空区部分制作

2.2.2 模型整体制作

模型整体制作采用从底部逐层浇筑的方法，厚度较大层每次浇筑1～2 cm，否则由于材料混合放热过快会出现气泡、裂缝等现象。

砂岩层制作：浇筑至34 mm高度后放置下组煤采空区夹心层，继续浇筑至砂岩层完成，如图4所示；下组煤层制作：按照下组煤配比浇筑除采空区的煤层部分；泥质砂岩层制作：作为下组煤的顶板和上组煤的底板，要注意高度计算准确；上组煤层和剩余其他层按照相同的方法依次浇筑完成，最后去模具，对模型进行测量和精细化打磨，完成模型制作，制作的模型如图5所示。

模型制作过程中采用高精度三维测量机对每一层进行精确测量，精确控制模型形态的几何尺寸，误差保证在0.2 mm以内。

图4 底板砂岩层和下组煤

图5 模型实物

3 结论

a.经过大量材料配比试验，最终采用环氧树脂、硅橡胶添加滑石粉按照不同比例得到各层参数，经过测量，速度相对误差小于5 %，密度绝对误差为±0.3 g/cm3。

b.采用浇筑法和粘接法制作采空区夹心层的新技术方法，解决采空区巷道及其他巷道内留置空气的模型制作工艺难题。

c. 利用数控雕刻技术保证采空区巷道、巷道的精度，使制作模拟的单层形态绝对误差不大于0.2 mm，实现了模型制作的高精度。

[1] 刘清洲. 浅埋近距离房柱式采空区之上综采围岩结构稳定性研究[D]. 西安：西安科技大学，2020.

LIU Qingzhou. Research on structural stability of fully mechanized mining surrounding rock in shallow buried and close distance room and pillar goaf[D]. Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2020.

[2] 赵艳玲，李素萃，肖武. 我国采煤沉陷领域研究现状可视化分析与展望[J]. 煤炭科学技术，2020，48(1)：202–210.

ZHAO Yanling，LI Sucui，XIAO Wu. Visualization analysis and prospect of the current research situation in the field of coal mining subsidence in China[J]. Coal Science and Technology，2020，48(1)：202–210.

[3] 程建远，孙洪星，赵庆彪，等. 老窑采空区的探测技术与实例研究[J]. 煤炭学报，2008，33(3)：251–255．

CHENG Jianyuan，SUN Hongxing，ZHAO Qingbiao，et al. The detection technology of excavated region in coal mine and case study[J]. Journal of China Coal Society，2008，33(3)：251–255.

[4] 覃思，程建远，胡继武，等. 煤矿采空区及巷道的井地联合地震超前勘探[J]. 煤炭学报，2015，40(3)：636–639.

QIN Si，CHENG Jianyuan，HU Jiwu，et al. Coal-seam-ground-seismic for advance detection of goaf and roadway[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(3)：636–639.

[5] 王磊. 房柱式采空区稳定性评价与数值模拟：以陕北府谷县盛海煤矿为例[J]. 能源与节能，2020(10)：2–6.

WANG Lei. Stability evaluation and numerical simulation of room and pillar goaf：A case study of Shenghai coal mine in Fugu County，Northern Shaanxi[J]. Energy and Energy Conservation，2020(10)：2–6.

[6] 薛国强，潘冬明，于景邨. 煤矿采空区地球物理探测应用综述[J]. 地球物理学进展，2018，33(5)：2187–2192.

XUE Guoqiang，PAN Dongming，YU Jingcun. Review the applications of geophysical methods for mapping coal-mine voids[J]. Progress in Geophysics，2018，33(5)：2187–2192.

[7] 张昭. 不同年限采空区下地震勘探效果实例研究[J/OL]. 煤田地质与勘探. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1155.P.202 10715.1032.002.html

ZHANG Zhao. Case study on seismic exploration effect under goaf with different years[J/OL]. Coal Geology & Exploration. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1155.P.20210715.1032.002. html

[8] WU Mansheng，DI Bangrang，WEI Jianxin，et al. Large-scale complex physical modeling and precision analysis[J]. Applied Geophysics，2014，11(2)，245–251.

[9] 张福宏，黄平，黄开伟，等. 复杂裂缝地球物理模型制作及地震采集处理研究[J]. 物探与化探，2018，42(1)：87–95.

ZHANG Fuhong，HUANG Ping，HUANG Kaiwei，et al. The construction of complex fracture geophysical model and the gathering and processing of seismic data[J]. Geophysical and Geochemical Exploration，2018，42(1)：87–95.

[10] 赵鸿儒，唐文榜，郭铁栓. 超声地震模型试验技术及应用[M].北京：石油工业出版社，1986.

ZHAO Hongru，TANG Wenbang，GUO Tieshuan. Technology and application of ultrasonic seismic modeling[M]. Beijing：Petroleum Industry Press，1986.

[11] DI Bangrang，XU Xiucang，WEI Jianxin. A seismic modeling analysis of wide and narrow 3D observation systems for channel sand bodies[J]. Applied Geophysics，2008，5(3)：294–300.

[12] 魏建新，狄帮让. 地震物理模型中三维地质模型材料特性研究[J]. 石油物探，2006，45(6)：586–590.

WEI Jianxin，DI Bangrang. Properties of materials forming the 3D geological model in seismic physical model[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum，2006，45(6)：586–590.

[13] 李智宏，朱海龙，赵群，等. 地震物理模型材料研制与应用研究[J]. 地球物理学进展，2009，24(2)：408–417.

LI Zhihong，ZHU Hailong，ZHAO Qun，et al. Study and materialization of new seismic physical model building materials [J]. Progress in Geophysics，2009，24(2)：408–417.

[14] 裴宇翀，杨勤勇，赵群，等. 硅微粉改性新型三维地震物理模型材料特性研究[J]. 地球物理学进展，2016，31(1)：455–460.

PEI Yuchong，YANG Qinyong，ZHAO Qun，et al. Research on silica micro-powders modified 3D seismic physical model materials[J]. Progress in Geophysics，2016，31(1)：455–460.

[15] 董金玉，杨继红，杨国香，等. 基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究[J]. 煤炭学报，2012，37(1)：44–49.

DONG Jinyu，YANG Jihong，YANG Guoxiang，et al. Research on similar material proportioning test of model test based on orthogonal design[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：44–49.

Design and construction of a seismic physical model of room-pillar goafs in shallow coal seams

WANG Pan1,2, ZHU Shujie2, JIA Qian2, JIAN Benqi3, ZHANG Miaomiao2, DONG Ruijing2

(1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. College of Geophysics, China University of Petroleum, Beijing102249, China)

In view of the problem of low detection accuracy of room-pillar goafs in shallow coal seams in northern Shaanxi, the seismic physical model is designed for physical simulation according to the principle of similarity ratio of geometry size and wave impedance. Through a large number of ratio tests of similar materials, the ratio of epoxy resin and silicone rubber is determined as 1 : 1.2 for similar materials of low velocity loess layer, 1 : 0.2 : 0.6 for epoxy resin, silicone rubber and talc for mudstone, 1 : 0.4 for epoxy resin and silicone rubber for coal seams, 1 : 0.8 for epoxy resin and talc for argillaceous sandstone, and 1 : 1.2 for epoxy resin and talc for sandstone.The numerical control engraving machine is used to carve the coal seam goaf and roadway to ensure high precision. By using the pouring method combined with the bonding method, the sandwich layer of goafs and coal seams is made to solve the problem of air model production in the goaf roadway, and the seismic physical model of the room-pillar goaf roadway is completed. The single-layer shape measurement accuracy of the physical model measures 0.2 mm, the speed relative error less than 5%, and the density absolute error ±0.3 g/cm3, which meets the design requirements of the model.

room-pillar goaf; ratio of similar materials; seismic physical model; model construction

语音讲解

P315.8; P631

A

1001-1986(2021)06-0101-06

2021-09-14；

2021-10-27

国家自然科学基金项目(41974209)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2019XAYPT02，2020XAYDC02-03)

王盼，1987年生，女，陕西咸阳人，博士研究生，从事物探仪器、地震物理模拟研究工作. E-mail：wangpan@cctegxian.com

王盼，朱书阶，贾茜，等. 浅埋煤层房柱式采空巷道地震物理模型设计及制作[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(6)：101–106. doi∶10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.012

WANG Pan，ZHU Shujie，JIA Qian，et al. Design and construction of a seismic physical model of room-pillar goafs in shallow coal seams[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：101–106. doi∶10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.012

移动阅读

(责任编辑 聂爱兰)