工作面地质构造震电探测响应特性与佐证分析*

陈 勇,赵清全,吴教锟,王海军,刘百祥,曹运飞

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037;3.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037;4.云南滇东雨汪能源有限公司 雨汪煤矿一井,云南 曲靖 655000;5.西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 710054)

0 引言

煤体内部地质构造、瓦斯富集、煤层突变、应力集中、裂隙发育、陷落柱、老旧空巷等均是矿井安全开采的隐蔽致灾因素。我国煤层赋存条件复杂、开采难度大,尤其是深部煤体赋存环境的本真属性以及深部开采扰动时效的附加属性,使煤体开采伴生灾害更加难以预测和精准防控[1]。煤矿安全高效开采迫切要求隐蔽致灾因素的动态普查与精准探测;同时,矿井自动化、智能化开采模式的推广与应用,对透明地质的要求逐步提升[2]。

基于电磁波导波特性的无线电波透视、地震波投射反演的地震槽波探测是目前常用且效果明显的超前探测技术,相关学者开展了丰富的理论研究与现场试验。梁庆华等[3]通过研究无线电波透视探测瓦斯富集区的曲线特征,结合坑透CT成果和实测曲线异常衰减变化实现煤层地质构造、瓦斯富集以及突出危险区划分。吴燕清[4]提出根据综合曲线和CT层析成像来划分和圈定异常区。娄杰等[5]综合无线电波透视、三维地震重新解释准确预测回采工作面构造带附近小构造发育与分布特征。文献[6-7]研究回采工作面断层构造无线电波反射测量方法以及陷落柱三维无线电波透视响应特征。吴荣新等[8]分析无线电波探测仪器、观测系统、成像算法等方面的研究进展与应用情况。康建宁[9]开展电磁波探测煤层突出危险性指标敏感性研究。王康等[10]通过槽波试验原始数据转换、滤波和CT层析成像等方法获得槽波波速图,用于指导矿井防冲工作与防治水。田玉培等[11]、梁庆华等[12]、杨智华[13]定量分析瓦斯富集区地震波能量值与瓦斯值的对应关系,研究地质雷达探测煤层瓦斯富集区特征以及瓦斯富集区对透射槽波的响应特征与反演参数。王会林等[14]、苏晓云[15]研究槽波反射在矿井地质构造探测的应用特征与效果分析。崔伟雄等[16]研究工作面煤层厚度透射槽波高精度反演,提出层析成像频带优选策略,提高了群速度反演煤层厚度的精度。尹永明等[17]通过微震、应力实时监测获得煤岩破坏、应力变化和瓦斯涌出之间量化关系。

目前,通过无线电波透视、地震槽波反演的理论研究与现场应用,衍生了兼顾穿透距离与结果分辨率的多频无线电坑透[18]、无线电波反射勘探[7]、无线电波透视场强增量[19]以及新型CO2震源的瓦斯富集与应力变化随掘随探[20]、掘进机震源的随掘地震超前探测[21]等新型探测方法。但对于无线电波透视与地震槽波探测相结合的地质构造与瓦斯富集震-电探测技术以及与之对应的工程响应与佐证分析、基于瓦斯涌出变化的震-电探测验证等暂未开展深入研究。本文借鉴前人理论研究成果与现场试验经验,在地质分析的基础上,采用无线电波与地震槽波相结合的震-电探测开展工作面地质构造与瓦斯富集探测,进而实现工作面无线电波透视层析成像、地震槽波反演以及与之对应的地质解释,可为工作面通风与瓦斯治理提供理论依据与技术指导,也可为矿井智能精准开采透明化地质提供参考借鉴。

1 震-电探测原理

1.1 无线电波透视探测

无线电波在煤岩传播时,电阻率、介电常数等矿电性参数不同,对电磁波能量的吸收表现出一定的差异,电阻率低、吸收作用大;伴随着煤岩断裂构造或空洞界面对电磁波产生折射、反射、绕射等作用,造成电磁波能量的损耗。通过研究煤层、岩层以及地质构造对电磁波传播、吸收、反射、二次辐射、绕射等作用的影响引起的衰减异常,从而进行地质探测与解释。无线电波透视的发射机与接收机分别位于不同巷道或钻孔中,同时做等距离移动,逐点发射和接收;或发射机在一定时间内相对固定位置,接收机在一定范围内逐点观测场强值获取信息。因此,当巷道之间、钻孔之间电磁波穿透煤岩途径中,存在断层或其它不均匀地质构造、陷落柱、含水地段,电磁波能量就会被吸收或完全屏蔽,信号显著减弱形成透视异常,交换发射机与接收机的位置测得同一异常交会的地方,就是地质异常体。根据无线电波透视探测原理,当煤层电阻率大于顶底板岩层时,煤层中相当于围岩形成的类波导体,电磁波在煤层中以导波形式传播,具有衰减小、能量强、传播距离远的特点,有利于坑道透视探测地质异常体。无线电波透视原理如图1所示,层析成像网格剖分如图2所示。

图1 无线电波透视原理Fig.1 Principle of radio wave perspective

图2 层析成像网格剖分示意Fig.2 Schematic diagram of tomographic imaging grid subdivision

图2中每个均匀的小块称为1个像素,在此区域内有1条射线Yk穿过了吸收系数分别为βi,j的诸像素,并在这些像素上的截距分别为di,j,这样在第k条射线路径上如式(1)～(2)所示:

(1)

yk=InH0-InHk-Inrk

(2)

式中:Hk为第k次观测的实测场强值;rk为第k条射线长度。

若进行多重观测,即用多个波源发射,并对每个发射源进行多点接收测量,得到矩阵方程如式(3)～(5)所示:

DβT=yk

(3)

(4)

β={β1,1,β1,2,…,βi,j}

(5)

对线性代数方程组求解,可得到工作面内吸收系数分布。把每个像素内吸收系数值用图(色块图、灰度图、等值线图)表示出来,就是层析图像。图像可直观表示工作面内异常分布情况,并可依据图像做出相应的地球物理解释。

1.2 地震槽波探测

由于顶底板岩性不同,煤层中激发体波的波分能量被禁锢,不能向周围岩层辐射,在煤层中相互叠加、干涉,形成较强的干涉扰动后衍生槽波,槽波是1种地震波。煤层内炮点产生的地震波向顶底板传播,在A区由于地震波的入射角小于临界角,一部分能量透过顶底板向围岩中泄露,另一部分能量反射回煤层内部形成泄露区。在B区和C区入射角大于临界角,地震波在顶底板界面被全反射和全折射回煤层,该部分反射和折射回煤层之中的地震波在C区相互叠加混响形成槽波。由于槽波被限制在煤层中,所以能传播很远,但槽波与煤层厚度有关,煤层越薄,槽波频率越高、传播距离越短。槽波形成如图3所示。

注:φs为入射角,(°);φs*为临界角,(°)。图3 槽波形成示意Fig.3 Schematic diagram of in-seam waves formation

传统的槽波信号处理都是基于平稳信号时的不变系统。为了更好地研究地震信号,了解频率随时间变化的关系,使用时频分析方法处理信号。时频分析方法将一维时域信号映射到二维时频平面,全面反映地震信号的时频联合特征。时频变换是1种无损可逆的时频分析工具,是短时窗傅里叶变换和小波变换的结合,其正反变换如式(6)所示:

(6)

式中:S为h(t)的S变换;f为频率,Hz;t为时间,s;τ为控制时间轴上高斯窗的位置。

通过分析槽波与P波、S波的频谱差异,利用窄带滤波提取P波、S波、槽波的频谱特征参数进行层析成像,即CT成像。通过在物体外部的非破坏性测量,获得物体内部物性分布的图像。槽波勘探利用震波CT成像技术,根据物体外部数据测量反演物体内部物理量分布,得到清晰不重叠的分布图像。

2 工程背景与现场试验

2.1 工程背景

试验地点为云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井1010201工作面,开采C2煤层,全层厚0.12～6.65 m,平均1.13 m,层位稳定、结构简单的薄～中厚煤层。煤层为单一结构,偶有一层夹矸,为半暗型中～富硫煤,块煤为主。顶板多为灰黑色泥岩及泥质粉砂岩,含黄铁矿结核、产腕足类等动物化石,是老厂矿区长兴组同期异相含煤沉积中含长兴阶标准化石的最低层位。C2煤层为井田内第1层可采煤层,根据巷道掘进揭露情况,工作面多产出断层构造,未见大型陷落柱,工作面及周边无大规模岩溶空洞和老窑采空区。掘进期间共揭露正断层28条、逆断层2条及小型褶曲构造,其中,落差50 m以上断层2条,落差20～50 m断层1条,落差20 m以下断层27条。

工作面煤层电阻率相对高,顶底板多为泥岩或泥质粉砂岩,电阻率相对偏低;工作面内部断层、陷落柱等对电磁波产生一定透射衰减;理论上,具备无线电波透视探测的地球物理前提条件。工作面两侧巷道掘进过程中揭露落差较大的断层可能造成煤层变薄或缺失,对地震槽波有一定影响,工作面槽波形成条件总体一般。

2.2 无线电波透视系统布置

无线电波透视在工作面胶带巷、轨道巷开展,每间隔约10 m递增标记直至切眼,同时,以巷道导线点为基准点,记录标记点偏差校正测点位置。本次探测范围为切眼、轨道巷、胶带巷围成的区域。根据经验,工作面宽度130 m以内常选用1.50 MHz频率、200 m以内常选用0.50 MHz频率、200～300 m常选用0.30 MHz频率。试验工作面宽度210 m,通过现场试验,0.30 MHz频率能稳定接收到16～52 dB,0.50 MHz、1.5 MHz接收到15 dB以下,选择0.30 MHz频率为探测工作频率能够有效穿透。探测均采用定点扫描法(1对11),在巷道一点处定时连续发射,同时在对侧巷道一定范围内逐点接收。工作面无线电波透视测点布置如图4所示。

探测发射点间距50 m、共85个,接收点间距10 m、共462个,除停采线处每个发射点对应11个接收点,共采集数据935个,测线长度约4 260 m。另外,试验发射点2个、每个发射点对应11个接收点;布置3处背景场接收点,3种频率共采集数据99个;检查发射点3个,每个发射点对应11个接收点,接收点33个,共接收数据154个。试验点、探测点、检查点,累计接收数据1 089个。探测时每个发射点发射时间、接收时间、换发射点时间均2 min。每个发射点循环4 min,实际探测工作时间约6 h。结合工作面布置与工作量,探测工作分2 d进行。2022年7月15日探测试验,胶带巷发射、轨道巷接收,工作时间约3 h,停电3 h;2022年7月16日探测试验,胶带巷接收、轨道巷发射,检查点探测,工作时间约3 h,未停电。无线电波透视工作量见表1。

2.3 地震槽波系统布置

槽波探测在工作面一侧激发另一侧接收,实现透射地震勘探。结合工作面情况,本着测线尽量使地震波旅行射线在工作面均匀分布、不出现射线空白等原则,槽波探测采用双透射探测观测系统。探测工作共布置4个测站,具体布置见表2,双透射探测观测系统如图5所示。

表2 工作面槽波探测布置明细Table 2 Detailed arrangement of in-seam wave detection in working face

图5 工作面槽波双透射探测观测系统Fig.5 Double transmission detection system of in-seam waves in working face

槽波探测共布置炮孔134个,各孔均位于煤层中央且大致平行于底板略带俯角,孔深2 m,间距20 m。采用最小延时(I段)瞬发雷管,每炮孔装入300 g乳胶炸药,正向装药且炮泥封堵至炮眼的孔口;连接好爆炸起爆器和仪器启动器,待接收站和激发站安装就绪后,电话联络开启仪器,设置好参数,由接收站指挥激发站放炮,记录各炮波形信号数据。槽波地震探测采用槽波采集系统和TZBS系列传感器进行数据采集,共布置TZBS传感器80个、采集基站6台,地震采集大线6根、启动线1根。现场探测地震仪器为16通道×8通道,采样频带2 500 Hz低通,采样长度16 K,采样间隔100 μs,固定增益-48～-81 dB,采样延迟0.0 ms。

3 探测可靠性分析

3.1 无线电波透视可靠性

无线电波透视现场探测试验时,通过发射时接收的场强值与未发射时的背景场强值,差值不小于10 dB,同时构造发育区域与构造欠发育区域,二者接收场强差值不小于5 dB,即可有效识别异常。对于无线电波透视数据质量标准,划分为合格与不合格2类,主要依据数据的跳跃性来判别。针对个别离散跳跃点,根据现场记录,查看是否存在金属、积水等低阻干扰,或突然来电等突发情况,若存在类似情况,则该跳跃点为不合格数据。本次探测仪器工作稳定,接收数据较稳定,接收数据较完整。对工作面局部存在金属体干扰不影响观测结果的数据进行了保留;实测数据稳定,介于10～60 dB,原始数据达到探测要求。工作面无线电波实测数据如图6所示。

图6 无线电波透视实测数据曲线Fig.6 Measured data curves of radio wave perspective

3.2 地震槽波探测可靠性

槽波探测共布置炮点134个,有效炮60个,炮点平均距离20 m。为保证精度,实际计算以实测点距带入运算,激发点和接收点在巷道空间平面位置如图7所示。

图7 激发点和接收点平面位置Fig.7 Plane positions of excitation and reception points

探测质量以射线在探测区域覆盖次数与叠加次数来衡量,探测区域射线覆盖次数大于10次,符合矿井震波探测行业标准要求,原始地震资料质量可靠。探测区域覆盖次数与叠加次数如图8所示。深蓝色区域叠加次数比较少,相对较低的叠加次数可能会导致反演结果受某道信号系统误差影响;对应探测区域两侧,即工作面切眼和停采线探测反演结果可信度稍低。中间橙色区域叠加次数高,反演结果可靠度较高。

图8 探测区域覆盖次数与叠加次数Fig.8 Detection area coverage and stacking times

根据地震信号不同种类波的发育情况,工作面内体波较为发育且同相轴连续,说明工作面顶底板结构较为均匀且稳定,无明显突变情况。槽波在部分炮孔区域发育,结合现场记录,槽波发育区域与工作面煤厚趋近一致,在工作面下切眼煤厚较为均匀且顶底板条件较好、槽波发育明显,停采线后和断层集中发育区,煤层缺失影响槽波发育[22]。体波与槽波发育情况如图9所示。

图9 体波与槽波发育情况Fig.9 Development of body waves and in-seam waves

4 震-电探测工程响应与佐证分析

4.1 无线电波层析成像与地质解释

无线电波探测对工作面异常体有较好的反映,根据衰减系数值大于0.431 8、相对衰减值大于10 dB,共探测并圈定异常区域7处,依次编号YC1～YC7。工作面无线电波透视CT如图10所示,无线电波透视地质解释见表3。

表3 无线电波透视地质解释Table 3 Geological interpretation of radio wave perspective

图10 工作面无线电波透视CTFig.10 Radio wave perspective CT of working face

4.2 地震槽波反演与地质解释

震波勘探使用体波、槽波联合反演。由于工作面煤层较薄、连续性较差,槽波发育不佳,最终反演结果以纵波波速反演为准。根据反演结果,工作面内部存在较多速度异常区域,局部高速异常区未贯穿整个工作面,速度差异较大;工作面整体呈中间位置速度低,两侧位置整体速度偏高。根据工作面巷道布置、地质资料及反演结果速度差异,工作面探测区域大型构造发育5个,部分小型异常构造发育[23]。根据槽波能量衰减系数反演结果,标注1#～7#异常区以及部分未圈定异常区域。工作面反演如图11所示。

1#异常区紧贴工作面上切眼,工作面来压释放,应力集中的局部高速异常区,分析为煤层产状变化局部节理、断层发育影响所致。2#异常区为断层及裂隙发育影响所致。3#异常区延展形态呈U型,结合现场条件与地质情况,分析为断层及裂隙发育影响所致。4#异常区延展形态呈条带状,结合现场条件与地质情况,分析为断层发育及巷道为全岩所致。5#异常区延展形态呈条带状,波速明显高于周围区域,结合现场条件与地质情况,分析为断层发育影响所致。6#异常区呈凸形分布,指向断层延展方向,波速明显高于其他区域,且在靠近工作面轨道巷异常也有微弱的响应,结合现场条件与地质情况,分析为断层发育影响所致。7#异常区呈三角形分布,指向断层延展方向,波速明显高于其他区域,结合现场条件与地质情况,分析为断层发育影响所致。图11中未解释为异常的区域,主要是紧邻巷道侧帮位置青绿色区域,该低速区域由巷道侧帮向工作面内延伸较近,未完全贯穿工作面且速度值偏低。从震波信号上来看,主要是受微小断层影响,使煤层连续性变差,局部可能煤层缺失。

4.3 震-电探测工程响应

结合震-电探测结果,将工作面综合划分为5个区段。Ⅰ段距切眼0～190 m,断层、裂隙发育段,落差约1倍煤厚;Ⅱ段距切眼190～420 m,正常煤层段;Ⅲ段距切眼420～520 m,断层、裂隙发育段,落差大于1倍煤厚;Ⅳ段距切眼520～590 m,正常煤层段;Ⅴ段距切眼590～750 m,断层、裂隙发育段且瓦斯富集。结合工作面地质揭露,在Ⅰ段揭露1～2 m断层,Ⅲ段揭露6.50～8.50 m断层,与探测结果相符;Ⅱ、Ⅳ段未揭露地质构造,为正常煤岩段,与探测结果相符;Ⅴ段揭露2～4 m断层,异常区与三维地震预测断层位置对应。工作面震-电探测区划如图12所示。

图12 工作面震-电探测区划Fig.12 Zoning of seismic electrical detection in working face

为确定震-电探测结果可靠性,基于震-电探测结果以及结合巷道布置与地质揭露等确定的工作面区划,根据工作面回采期间瓦斯涌出进行验证。根据瓦斯涌出情况,在断层与裂隙发育区瓦斯涌出有较明显的增大,瓦斯涌出规律对探测结果呈现出较好的工程响应,有效验证了工作面地质构造与瓦斯富集区域震-电探测结果。另一方面,根据震-电探测结果与工作面推进期间瓦斯涌出变化情况,充分说明煤体内部断层等地质构造对煤层瓦斯赋存有较大影响。震-电探测结果验证为矿井瓦斯赋存规律研究与矿井瓦斯抽采提供了理论依据,尤其对地质构造区域煤与瓦斯突出防治和煤体瓦斯强化抽采提出了超前预警[24]。基于瓦斯涌出的震-电探测验证如图13所示。

4.4 震-电探测佐证分析

无线电波透视实际区域较大,异常区域多为贯穿式带状分布。由于断层等地质构造低电阻体特性使电磁波产生反射、折射和吸收,当电磁波在煤层中传播时,穿透断层等地质构造的衰减强度大于正常煤层,衰减系数较大、实测场强值较低。对于单个断层,当断层走向与工作面走向垂直,衰减曲线呈较小的V形、接收场强值中只有极少的明显低值、在CT图中阴影区呈条带状;当断层走向与工作面走向平行,衰减曲线整体较正常煤层偏低、无明显跳变。地震槽波探测实际区域相对较小,异常区域多在边界,边缘相对清晰,异常区形态延展呈现U型、带状、凹凸形、三角形等不规则。工作面内部存在较多速度异常区域,局部高速异常区未贯穿整个工作面,速度差异较大;工作面整体呈中间位置速度低,两侧位置整体速度偏高。根据无线电波透视与地震槽波反演探测结果,在断层等地质构造区域异常区划分具有较好的一致性,2种不同方式的探测结果互为验证[25]。

5 结论

1)通过无线电波现场试验,0.30 MHz频率无线电波穿透工作面后稳定接收到16～52 dB,采用定点扫描(1对11)方法,基于90个发射点、491个接收点、1 089个采集点、4 760 m测线长度的系统布置,实测数据稳定在10～60 dB,原始数据达到探测要求。根据探测衰减系数大于0.431 8、相对衰减值大于10 dB的原则圈定探测区域异常区,实现工作面无线电波透视的层析成像与地质解释。

2)通过地震槽波现场试验,工作面内体波发育且相轴连续,槽波发育区域与工作面煤厚趋近一致,基于4个测站、134个炮孔、268个观测点、2 640 m测线长度的双透射探测观测系统,射线在探测区域覆盖次数与叠加次数大于10次,符合震波探测行业标准要求。根据体波与槽波联合反演,在探测区域圈定大型构造发育异常区以及部分小型构造发育异常异常区,实现工作面地震槽波反演与地质解释。

3)根据无线电波透视与地震槽波探测结果,结合巷道布置与地质揭露等情况,将工作面综合区划,包括断层与裂隙发育段、正常煤层段、断层与裂隙发育且瓦斯富集段。根据工作面回采期间瓦斯涌出情况,在断层与裂隙发育区的瓦斯涌出有较明显增大,瓦斯涌出规律对探测结果呈现出较好的工程响应,有效验证工作面地质构造与瓦斯富集区域震-电探测结果,可为工作面通风与瓦斯治理提供较好的理论依据与技术指导,也可为矿井智能精准开采的透明地质提供参考借鉴。