CO2震源的槽波勘探现场实验及前景讨论

王 勃，刘盛东，孙华超，邢世雨，章 俊，丁 昕，龚 震

(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

绿色煤炭资源丰富的中西部地区地表存在黄土覆盖、基岩裸露以及复杂地形地貌等客观因素，增加了地面三维地震勘探施工难度，同时在多煤层地区，随着浅部上组煤的开采和多层采空区的影响，三维地震勘探精度受到了限制。矿井地震勘探具有不受地面条件影响、距离目标体近、地震波能量和高频成分衰减少、地震波传播路径干扰少等特点，进而被运用于煤矿井下地质构造探测；当前，槽波勘探已是井下构造精细勘探的首选方法。震源是地震记录的源头，是矿井地震勘探的关键部分，直接影响地震信号质量，因此，开展矿井地震勘探的震源研究具有重要意义。

矿井震源有炸药震源、锤击震源、雷管震源、夯击震源、带式输送机震源、掘进机震源、采煤机震源等。目前，矿井震源以炸药震源为主，然而受到高瓦斯矿井的限制，以及存在审批程序繁琐和安全性等问题，甚至一些综采综掘全部机械化矿井没有炸药，直接影响了地震勘探的施工。锤击、夯击等震源相对操作简单，但其能量弱，探测距离较短。为了满足高效采掘的需求，掘进机、采煤机震源逐渐成为研究热点，该震源在煤矿井下随掘随采地震勘探中具有优势，但尚处于试验研究阶段，因此，亟需研究适合于煤矿井下实际勘探条件的新型震源。

2018年，笔者团队等发现液态CO相变致裂技术对煤层进行增透过程中，CO气体瞬间释放的能量引起围岩振动能够产生地震波，因此，提出了一种基于CO震源的地震超前探测方法。CO相变致裂技术由CardoxTube系统演变而来，由英国的CARDOX公司提出并研发，由于相变致裂过程中不产生高温和火花，不会引起瓦斯及煤尘爆炸，在山西阳泉、潞安及河南平顶山等大型矿区广泛应用并作为煤层增透常规手段。2019年，李海军等证明了CO震源可用于陆地地震勘探，分析了高、低频反射信号特征并介绍了该震源的应用前景。2020年，李稳等开展了CO相变技术激发地震波的地面人工震源激发-接收实验，并指出CO震源具有绿色、环保及安全等优点。然而，在煤矿井下暂未见CO震源勘探试验的相关报道。

基于此，笔者针对突出矿井实际条件，在采煤工作面进行CO震源槽波勘探研究，开展异巷激发-接收透射勘探及同巷激发-接收透射勘探实验，揭示地震信号运动学及动力学特征，探究CO震源在煤层深孔激发特性，并对其在矿井地震勘探的应用前景进行讨论。

1 CO2震源激发原理及等效能量计算

CO震源爆破工作过程为：将液态CO放置于储液管内，在启爆器接通引爆电流后，加热棒迅速释放大量热量，管内液态CO转换为高压气体，气体体积膨胀超过600倍(在1个标准大气压下)，致使管内气压急速升高，气体压力在达到剪切片控制压力阈值时，剪切片被击穿，通过泄压头从出气孔喷出，从而释放爆破力，产生地震波，CO震源系统如图1所示。由于爆破过程中不产生高温和火花，不会引起瓦斯及煤尘爆炸，符合煤矿本质安全要求。

图1 CO2震源示意

当CO震源系统的储液管发生物理爆炸时，能量向外释放的形式有3种：碎片能量、容器残余变形能量、释放的高能气体冲击能量。其中，碎片能量为剪切片击穿时消耗的能量，同时由于储液管材质坚硬，爆破过程中变形量微小，因此碎片、容器残余变形能量少，能量释放主要表现为高能CO的爆破力。对于CO震源爆破能量计算，采用压缩气体与水蒸气容器爆破模型，TNT当量计算公式为

(1)

式中，为激发能量，kJ；为剪切片极限压力，通常取值为100～270 MPa；为储液管的容积，m；为CO的绝热指数，取1.295。

常温条件下，一根储液管内充填了2 kg的液态CO，120～270 MPa剪切片极限压力条件下CO震源激发产生的能量为596～1 341 kJ，能量相当于140～315 g的TNT当量。目前煤矿井下炸药通常为乳化炸药，作为井下地震勘探震源的乳化炸药质量一般为80～300 g，乳化炸药TNT当量系数为0.76,则质量为60.8～228.0 g。因此，CO震源的TNT能量高于井下地震勘探常用炸药震源能量。

2 CO2震源槽波勘探实验

2.1 地质背景

实验场地位于山西阳泉矿区西北部新元煤矿3417工作面，地质构造为北高、南低的单斜构造形态，煤层向南倾斜，倾角为2°～10°。3417工作面开采3号煤层，厚度为2.10～2.55 m，平均为2.35 m，属于中厚煤层。煤层赋存比较稳定，结构简单，以亮煤为主。煤层顶板自下而上为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，总厚度大于4.7 m。煤层底板为砂质泥岩，厚度为5.99 m。3417工作面具有煤与瓦斯突出危险性，工作面瓦斯抽放钻孔密集且对封孔要求高，为了防止封孔段附近爆破损坏抽放钻孔，以及受到施工期火工品管制，该工作面不能采用炸药震源。液态CO相变致裂是该工作面煤层增透常规手段，此为CO震源槽波勘探实验研究提供了便利条件。

2.2 观测系统

在3417工作面进风巷和辅助进风巷各布设1条地震测线，每条测线布置40个与巷道走向平行的单分量检波器，检波器位于煤巷腰线位置，道间距10 m，如图2所示。以进风巷R1检波器为坐标原点，方向为平行于进风巷方向，指向开切眼方向，方向为垂直于进风巷方向，指向工作面内。利用液态CO相变致裂在煤层内开展震源实验，在3417工作面辅助进风巷布设2组CO震源，S1震源深度为方向159 m，位于方向165 m处。S2震源深度为方向155 m，位于方向220 m处。利用钻机将单根CO震源装置送至炮孔底部，注水封孔器封孔，单炮依次激发。

图2 现场观测系统示意

2.3 地震信号及分析

..异巷激发接收透射勘探信号分析

图3(a)显示的是辅助进风巷S1号CO震源激发-进风巷接收的透射勘探原始地震记录(其中进风巷R19，R22，R24，R39道无效)，从地震剖面中可以看出典型的3组地震波，在共炮点道集上表现为双曲线特征。第1组到达信号是纵波，纵波速度约为3 500 m/s；第2组到达信号是横波，横波速度约为1 800 m/s；第3组到达信号能量最强，为槽波的埃里震相，速度约为900 m/s。通过对地震信号进行频谱分析(图3(b))后发现：振幅能量集中在50～350 Hz，横波主频最低，约为125 Hz，频宽为100～140 Hz；纵波主频约为155 Hz，频宽为150～170 Hz；槽波主频最高，振幅能量最强，频宽为200～350 Hz，对槽波进行频散分析(图3(c))后发现，槽波埃里震相频率约为260 Hz，埃里震相波速约为900 m/s。

图3 S1号CO2震源透射地震记录、频谱特征和频散特征

..同巷激发接收侧帮勘探信号分析

图4(a)显示的是辅助进风巷S2号CO震源激发-同巷接收的原始地震记录(其中辅助进风巷R53，R56，R67，R73道无效)，从地震剖面中可以看出典型的3组地震波。第1组到达信号是纵波，纵波速度为3 500 m/s；第2组到达信号是横波，横波速度为1 800 m/s；第3组到达是能量最强，为槽波的埃里震相，速度约900 m/s。通过对地震信号进行频谱分析(图4(b))后发现：振幅能量集中在50～450 Hz频率范围内，横波主频最低，约为125 Hz，频宽为100～150 Hz；纵波主频约为175 Hz，频宽为150～225 Hz；槽波主频最高，振幅能量最强，频宽为250～450 Hz。对槽波进行频散分析(图4(c))后发现，槽波埃里震相频率约为280 Hz，埃里震相波速约为900 m/s。

图4 S2号CO2震源透射地震记录、频谱特征和频散特征

..频率、振幅特征对比

进一步对比异巷激发-接收透射信号与同巷侧帮激发-接收透射信号的特点，2者在地震剖面上均出现典型的3组地震波，且均是槽波频率最高，能量最强，埃里震相波速均约为900 m/s。异巷激发-接收透射地震剖面上槽波频宽为200～350 Hz，槽波埃里震相约为260 Hz。在同巷激发-接收透射地震剖面上槽波振幅能量集中在250～450 Hz，槽波埃里震相约为280 Hz。两者信号的频谱特征整体相似，且频率的一致性相对较好，证明了S1及S2两组CO震源激发信号的可靠性。需要说明的是，同巷侧帮激发-接收的槽波频率相对较高，主要原因是同巷侧帮勘探震源点与检波点的透射距离更近，高频信号衰减少，高频能量相对较强。

3 CO2震源讨论

3.1 CO2震源深孔激发

当震源在煤层中激发后，在煤层及围岩中形成破坏区、塑性区及弹性区，弹性区为地震波的产生区域，槽波地震勘探利用部分纵波、横波在煤层顶底板界面多次全反射并相互干涉叠加形成的槽波，如图5(a)所示。相对探测方向而言，主要存在3处能量泄漏区：第1处泄露区的能量往探测相反方向释放；第2处能量泄漏区可分情况讨论：① 若破坏区、塑性区均延伸至煤层外，地震波能量从煤层中大量泄漏，该情况在薄煤层中相对常见；② 若破坏区范围在煤层内，塑性区、弹性区延伸至煤层之外，地震波能量也会部分泄漏，该情况在中厚煤层中相对常见；③ 若破坏区、塑性区、弹性区均在煤层内，则地震波大部分能量在煤层中，在厚煤层中相对常见；而第3处能量泄漏区是由于地震波的反射与透射导致的能量溢出。

图5 震源激发及地震波传播示意

传统震源布置在巷道帮浅孔内(图5(b))，孔深一般为1～2 m，巷道在掘进过程中由于围岩应力高于围岩强度而形成了破坏区，在该区域内达到新的三向应力平衡状态所产生的破裂带，称之为围岩松动圈。松动圈围岩相对松散，震源激发时，破坏区范围可能会延伸到空气巷道内，导致能量大量泄漏，沿着煤层传播方向上的能量减弱，使得探测方向的槽波能量有限。

由于CO相变致裂技术为满足封孔及增透的需求，均为深孔激发，深度通常超过30～120 m，不在巷道及松动圈影响区域，同时增透煤层时CO爆破能量定向聚能作用于煤层，具有顺煤层的方向性，减少了图5(a)中能量泄漏1区及2区的能量泄露。因此，CO震源避开了巷道及围岩松动圈影响，能量泄漏相对少，且聚能作用于煤层。

3.2 随掘随探分析

在煤与瓦斯突出矿井，为了缩短回采工作面抽采达标时间，在煤巷掘进期间，提前向工作面内实施CO相变致裂，提高工作面内瓦斯抽采效率。在该过程施工的CO相变致裂技术为槽波地震勘探提供了有利条件，无需额外施工炮孔，不需要额外的易耗材料，在CO相变致裂时同步布置观测系统接收地震信号。随着煤巷掘进，工作面内的CO相变致裂是不间断进行的，可以开展连续地震探测，进而实现异常动态探测，例如瓦斯富集、应力变化异常等，其探测示意如图6所示。同时，借用相变致裂的CO震源及巷道内检波器可以开展地震超前探测，利用大孔深构建合理的宽方位超前观测系统，有望实现煤巷极小偏移距下的地质构造精细探测。

图6 随掘随探煤层平面

3.3 CO2震源方向激发的特点

CO震源具有定向激发的特性，具体表现在：管内液态CO转换为高压气体击穿剪切片后，通过泄压头从出气孔喷出，从而释放爆破力作用于煤层，通过改变泄压头的结构可以控制震源的激发方向(图7(a)，(b))，进而实现定向激发，聚能作用于煤层。根据不同的探测方向及不同产状地质构造(图7(c))，可以针对性控制震源的聚能方向，利用最优方向进行精细化探测，但煤层条件下CO震源方向性激发的地震波场特征尚未系统揭示，有待进一步研究。

图7 CO2震源激发平面

3.4 CO2震源与炸药震源的对比讨论

CO震源激发满足集中力源特征，激发后既产生纵波也产生横波，而炸药震源满足胀缩源激发特征，理想条件下激发只产生纵波。为了对比2种震源在煤层条件下激发的差异性，基于高阶交错网格有限差分算法进行三维模拟，设计了“岩-煤-岩”层状三维模型。实际过程中Love型槽波激发条件相对简单，因此设计模型参数见表1(,,分别为介质横波速度、纵波速度和密度)。

表1 模型参数

模型在，，方向的大小分别为300，300，300 m，煤层中心位于=150 m处，煤厚为5 m。震源位置为(150，150，150 m)，位于煤层中，布置2条垂直的测线、测线，如图8(c)所示，采用胀缩源和集中力源作为震源进行数值模拟研究。选取信噪比最高的分量信号进行分析，对比结果表明，集中力源激发下的Love型槽波振幅能量相对较强，胀缩源激发下的Love型槽波振幅能量相对较弱。主要原因是Love型槽波由SH波干涉形成，胀缩源激发后只产生纵波，纵波传播至煤层界面后发生波的转换，产生SH波，进而干涉形成槽波，由于转换SH波振幅能量相对较弱，因此干涉形成槽波振幅能量相对较弱；而集中力源，激发后既产生纵波，也产生横波，SH波和纵波在煤层界面发生转换产生SH波进行干涉，因此集中力源激发条件下的槽波更为发育。

图8 点震源与集中力源的对比分析

为了进一步分析CO震源激发地震信号的频谱特征，选择煤层条件类似的炸药震源实测透射槽波信号进行对比，同相轴①为纵波，同相轴②为横波，同相轴③为槽波，如图9所示。CO震源频谱与炸药震源整体形态类似，但炸药震源的槽波振幅与体波差异较弱，相对于图9中的槽波信号，图3,4中的CO震源激发的槽波信号高频丰富，振幅能量强于体波。

图9 经典炸药震源地震记录和频谱分析[32]

综上所述，CO震源的理论激发能量高于井下地震勘探常用炸药震源；CO震源可以将激发方式设定为顺煤层方向激发，聚能作用于煤层；CO震源深孔激发避开了巷道及围岩松动圈的影响，减少了能量耗散；CO震源具有集中力源的激发优势。因此，CO震源有利于槽波地震勘探。

4 结 论

(1)在储液管内利用通电的加热棒产生大量的热，使得2 kg液态CO迅速达到高密度超临界状态，当气体压力超过剪切片的承压极限值时，高压CO从泄压头的出气孔喷出，在煤层内释放超过140 g的TNT当量爆破力，部分体波能量泄露出煤层沿顶板或底板传播，部分地震波在煤层中干涉形成了能量强的槽波。

(2)CO震源在煤层深孔激发的纵波、横波及槽波的走时、速度、频率及频散等差异特征显著，地震波易于识别、分离；S1，S2两组不同震源位置激发的地震波速度一致，且频率特性相似性强，证实了CO震源激发信号的可靠性。

(3)CO震源单向激发方式属于集中力源，该震源激发既产生纵波，也产生横波，有利于槽波发育；同时煤层深孔CO震源激发避开了巷道及围岩松动圈影响，能量泄漏少且定向聚能作用于煤层，槽波能量相对较强；CO震源有利于槽波地震勘探。

(4)CO震源具有安全、无污染、可重复利用等优势，特别适宜于高瓦斯矿井；CO震源可借用液态CO相变致裂孔，无需专门施工激发深孔，可提高矿井地震勘探效率并有望实现大偏移距勘探。但受到矿井条件限制，仅在理论上计算了CO震源激发能量，后续需要开展CO震源与其他常用震源的现场对比实验，并结合CO震源泄压头的出气孔方向及剪切片阈值可控的特点开展激发机理及装置升级研究。

矿井现场实验得到了华阳新材料科技集团有限公司王一教授级高工及河南理工大学曹运兴教授团队等指导,在此一并表示感谢。