西山矿区典型构造槽波三维数值模拟技术研究

王晓东,刘 硕

1.西山煤电(集团)有限责任公司, 山西 太原 030053;2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司, 陕西 西安 710077)

西山矿区各矿地质类型复杂,在采掘生产过程中常受隐伏构造影响,导致采掘接替无计划变更、资源损失、设备损坏等,而且部分矿井为带压开采与瓦斯突出矿井,在构造附近往往会形成瓦斯富集区和导水通道,必须采用有效的探测技术对地质构造进行精细探测,才能满足大储量、智能化工作面的要求。目前常规的构造探测手段有地面三维地震、高密度及钻探技术等,煤矿采区地面三维地震勘探对小断层、小陷落柱等地质异常的查明程度偏低。槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的导波探查煤层中的构造分布以及煤层厚度变化情况的一种地球物理方法。与其它矿井地球物理勘探方法比较,槽波地震勘探具有探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较容易识别以及最终成果直观的优点[1-3]. 在陷落柱、冲刷带、断层、引力集中区及老窑巷道探测等方面具有良好的应用前景。

1 槽波的基本类型

槽波如同散频面波一样,可以直观地看成是平面体波在煤层与围岩界面上多次反射、折射和规则干涉的结果。在煤层中激发出地震波时,槽波沿着围岩—煤层—围岩地层结构传播,它的波长与煤层厚度为同一数量级。由于围岩与煤层的速度比和密度比不同,在煤层的垂直距离上,槽波的振幅是不同的,由于低速地震槽和其直接条件的限制,槽波的振幅随着到震源距离的增加而产生衰减[1]. 煤层不仅对在煤层中的槽波,而且对相邻围岩中的槽波都是一个二维导体。煤层波与槽波概念是同义的,它包括在煤层及其邻近围岩中波场的总和。

2 槽波三维数值模拟

基于多GPU计算平台进行槽波三维波场模拟,获取对应模型的单炮记录、频散曲线,并进行CT反演,通过模拟结果研究西山矿区槽波三维模拟特征。

2.1 模型设计

建立包含巷道的三维层状模型,模型空间(x、y方向)大小为1 000 m×300 m,z方向大小选取4种42 m、45 m、50 m;中间为煤层,z值选取5 m煤厚;顶底板厚度一致,顶部为高速围岩,底部为低速围岩。设计回风、进风及切眼3条巷道,长度分别为800 m、800 m和200 m;巷道截面宽度及高度分别为3 m,模型x、y、z方向网格大小为1 m×1 m×0.5 m(0.25 m为2 m煤厚的z方向网格),采样间隔0.5 ms,时长1 s.

震源加载方式为纯纵波震源,频率依据不同煤厚埃里相而定,位于巷道内侧帮煤层中部。观测系统设计为,震源序列的间距20 m,采用一条接收线,全巷道观测方式,接收位于1/2煤层处,所有接收点的间距为10 m. 共布设接收点181个,每个点三分量接收,激发点89个。三维层状模型、巷道位置、震源及接收序列(图1),图中虚线为巷道,实心圆点为激发点,实心三角点为接收点。

2.2 透射槽波三维波场模拟

2.2.1 断层三维波长模拟

设计工作面内含与巷道夹角45°,倾角45°的1条断层模型(图2),断层在机巷的揭露点位置为x=550 m,y=250 m,风巷揭露点位置x=750 m,y=50 m.

图1 观测系统示意图

图2 断层模型平面及剖面图

S19单炮记录中槽波波场能量相对较强(图3),断层发育附近存在单炮记录能量衰减、且衰减效果明显,记录中同时也接收到了巷道绕射、多次波等波形,可通过滤波进行处理;频率主要集中在180～260 Hz,相速度900 m/s～1 100 m/s,通过选取合适参数进行的CT反演效果,可以明显反映出断层的位置,与模型一致(图4).

图3 S19单炮记录及频散分析图

图4 透射槽波断层构造三维波场模拟效果图

2.2.2 陷落柱三维波长模拟

设计工作面内隐伏5个陷落柱的数值模型,见表1,各陷落柱直径大小均不相等,位置见图5.

模型中槽波频散曲线能量主要集中在150～210 Hz,S3单炮记录出现明显的突变点绕射成像和多次波,且波组较多,较丰富;槽波记录体波能量相对集中且能量较强,可通过滤波进行处理。槽波能量正常区表示煤层槽波相对正常,槽波能量异常区为陷落柱的区域,异常区位置、范围与模型基本一致。透射槽波适用于隐伏陷落柱的探测,最小探测直径大于20 m. S3单炮记录及频散分析图见图6,透射槽波陷落柱构造三维波场模拟效果见图7.

2.3 反射槽波三维波场模拟

2.3.1 断层三维波场模拟

设计模型中煤厚5 m,断层数目1条,断层落差2.5 m,倾角90°,平行于巷道,垂直方向距离巷道约100 m. 断层模型平面图见图8.

表1 陷落柱模型参数表

图5 陷落柱模型平面图

图6 S3单炮记录及频散分析图

图7 透射槽波陷落柱构造三维波场模拟效果图

图8 断层模型平面图

模型中槽波频散曲线能量主要集中在200～300 Hz,相速度900～1 100 m/s,S20单炮记录存在断层反射波、巷道反射波,且断层反射波要强于巷道反射波,记录中同时也接收到了巷道绕射、多次波等波形;通过反射槽波成像,可以对断层和巷道有明显的反映。分析可知,反射槽波可以在小段断层的位置形成反射槽波,同时继续传播,在巷道的位置再次形成反射波,断层反射面比巷道反射面的成像效果要强。S20单炮记录及频散分析图见图9,反射槽波断层构造三维波场模拟效果见图10.

图9 S20单炮记录及频散分析图

图10 反射槽波断层构造三维波场模拟效果图

2.3.2 陷落柱三维波场模拟

设计工作面内隐伏4个陷落柱的数值模型,见表2,各个陷落柱直径大小均不相等,位置见图11.

表2 陷落柱模型参数表

图11 陷落柱模型平面位置图

模型中槽波频散曲线能量主要集中在150～400 Hz,相速度900～1 100 m/s,S40单炮记录陷落柱反射槽波相对较弱,根据槽波CDM成像结果,只有陷落柱4反映较明显,位置和大小较准确,陷落柱1—3,反映不明显。说明反射槽波对于直径较大(大于50 m)的陷落柱有反应,直径较小(小于50 m)的陷落柱反映不明显。S48单炮记录及频散分析图见图12,反射槽波陷落柱构造三维波场模拟效果见图13.

3 结 论

1) 西山矿区槽波探测断层及陷落柱效果明显:断层及陷落柱的槽波波场、频散特征都存在一定的差异,槽波记录能量衰减越大,频散越集中,槽波CT反演效果越好。

2) 西山矿区反射槽波探测断层:反射槽波可以

图13 反射槽波陷落柱构造三维波场模拟效果图

3) 西山矿区透射槽波探测陷落柱:槽波能量正常区表示煤层槽波相对正常,槽波能量异常区为陷落柱的区域,异常区位置、范围与模型基本一致,透射槽波适用于隐伏陷落柱的探测,最小探测直径大于20 m.

4) 西山矿区反射槽波探测陷落柱:反射槽波对于直径较大(大于50 m)的陷落柱有反应,直径较小(小于50 m)反映不明显。

上述结论是通过理论数据模拟分析的,可能与实际勘探情况存在不同,需要结合现场勘探成果进行分析总结。