成莊礦15#煤層槽波能量衰減系數CT成像技術的應用研究

李梓毓,焦 陽

(山西晉煤集團 技術研究院有限責任公司,山西 晉城 048006)

現今煤礦地質條件日趨復雜,其中陷落柱和斷層是煤礦的主要地質構造,對煤礦的安全生產構成嚴重威脅。目前,大型機械化模式采煤工藝日趨成熟,已被我國各大型煤礦采用,并作為了主要的采煤方法,但隨著現今工作面的傾向寬度變大,很多工作面的寬度已經超過了300 m。工作面的變寬使得現今常用的無線電坑透等探測方法已經不能滿足對地質構造探測日益精細的要求。

槽波傳播過程中受到斷層和陷落柱等構造的影響,槽波能量衰減劇烈,而此種情況能量衰減幅度遠大于震源、 檢波器耦合等因素的影響,就可進行槽波衰減系數成像[1-2]。

以往槽波地震勘探中通過利用槽波頻散的特征,在合適的頻率中拾取槽波的旅行時,實現速度反演CT成圖,利用槽波的高低速異常來對工作面內地質構造進行分析;以往多次的槽波透射探測過程中逐漸發現,在客觀條件上存在諸多因素會影響到利用槽波速度CT成像分析工作面構造的探測的準確程度,例如不同煤層的物理力學性質、煤層夾矸、煤層頂底板巖性的差異以及不同段位雷管的延遲對數據處理的影響等,這些都會使槽波的速度分析準確性降低。然而通過利用槽波能量衰減系數CT成像技術,則可以較好地避免這些客觀因素的影響,提高工作面槽波透射探測的準確性。

1 槽波透射法原理

在地質剖面中,煤層是一個典型的低速夾層,其頂底板巖層構成了高波阻抗界面,因此,在物理上構成一個“波導”。當煤層中激發體波的部分能量由于頂底界面的多次全反射被禁錮在煤層中,不向圍巖輻射,在煤層中相互疊加、相長干涉,形成一個強的干涉擾動,即為槽波(如圖1所示)。槽波的傳播距離遠,能量強,波形特征易于識別,具有明顯的頻散特征,利用此特點,通過對獲得的槽波記錄進行頻散分析,不但可以證實煤層中槽波的存在與否,還能用來對煤層中的地質構造及異常現象進行探測。

α-入射波入射角;β-透射波透射角;i0-臨界角;V1、V2-介質波速圖1 槽波形成示意圖Fig.1 Formation of in-seam waves

通過利用槽波地震對工作面展開透射法探測時,一般利用工作面的兩條順槽巷道分別布置檢波器和炮孔,并要注意檢波器與炮孔都應布置在煤層中部位置。在工作面現場布置完畢后,依次利用每個炮孔裝填炸藥并引爆,從而利用檢波器來接收振動波的數據,不同的振動波速度不同,最先到達的是沿煤層及其頂底板傳播縱波與橫波,之后到達的才是沿煤層傳播的槽波。槽波傳播路徑中如果遇到斷層、陷落柱等地質構造時,其形成槽波的條件發生改變,使得槽波的能量減弱, 槽波透射探測見圖2[3-4]。

圖2 工作面槽波透射探測示意圖Fig.2 Exploration with in-seam wave transmission in working faces

2 能量衰減系數成像理論

槽波透射傳播過程中遇到斷層和陷落柱等構造產生明顯的能量衰減,因此通過槽波能量的衰減系數CT成像能夠判定異常區域的位置。

以第j炮第i條射線為例,網格化模型,射線經過網格介質衰減系數為α1、α2、…、αi、αn,設震源激發的槽波包絡振幅為aoj,檢波器i接收槽波包絡振幅為ai,經過網格的射線路徑長度為Lij,則:

aoje-(Li1α1+Li2α2+…+Linαn)=αi.

(1)

兩邊都除以aoj然后取對數:

(2)

令:

=[α11α21…αi1],

作出方程矩陣:

Aα=b.

(3)

通過振幅比值進行計算,無需對振幅進行計算。

顯然αi≥0,bj≥0。當bj=0,所有α=0,當任意:α=∞,bj=∞。

其中:∞≤b,α≤0。

設模型離散網格數為n,即方程求解數為n,射線條數為m,設A為射線路徑矩陣,作出的求解矩陣為:

Am×nαn×1=bm×1.

(4)

約束條件為αi≥0,衰減系數矩陣方程解法可采用多種算法進行計算,如ART、SART、SIRT等算法,所得衰減系數結果反映了構造存在情況,衰減系數大的區域代表地質構造異常影響,衰減系數小的區域代表煤層正常[5-8]。

3 成莊礦15#煤層某工作面探測實例

3.1 探測區概況

該工作面煤層頂板為K2石灰巖,煤層底板為鋁土巖,平均煤厚為4.11 m,煤層中有兩層夾矸,上層夾矸距離煤層頂板0.8 m左右,下層夾矸距離煤層底板1 m左右;工作面走向長度1 600 m,寬度200 m,煤層傾角1°～5°,近水平。為了解清楚工作面內構造范圍情況進行了此次槽波透射勘探。工作面兩側順槽巷道揭露了陷落柱及斷層構造,本次探測目的為探測出工作面內部主要陷落柱。

3.2 觀測系統布置

此次槽波勘探在15#煤1307工作面進行透射探測,總測線長度為1 600 m,測線寬度為200 m;檢波器布置在13073巷,共81個,道間距為20 m;炮點布置在切眼與13072巷,其中切眼4炮,炮間距40 m,13072巷81炮,炮間距20 m,每炮的炸藥量為200 g。觀測系統布置見圖3。

圖3 1307工作面觀測系統布置圖Fig.3 Layout of observation systems in No.1307 working face

3.3 數據分析

本次槽波勘探原始數據以SG2格式保存,根據本次槽波的原始單炮記錄觀察,發現成莊XV1307工作面槽波速度普遍較高(接近1 150 m/s),與橫波(即S波)速度較為相近,以致在原始數據很難明顯區分槽波與橫波,分析原因可能為15#煤質較硬,頂底板巖性差異較大,且檢波器所在巷道煤層中存在兩層夾矸所致,因此,槽波時頻分析中對旅行時的拾取誤差可能對探測成果產生一定的影響。如圖4為工作面內透射第17炮的原始單炮記錄,圖中紅色區域為速度最快的縱波(即P波),速度約5 340 m/s。

圖4 1307工作面第17炮單炮記錄數據Fig.4 Data of No.17 shot on No.1307 working face

3.4 探測成果分析

由圖5和圖6可以看出,由于受到數據分析中所提到的各種因素影響,速度分析CT成圖可靠程度比較低,難以作為主要結論成圖,只作為參考;而能量衰減系數CT成圖由于抗干擾程度較高,分析結果與實際現場揭露情況較為吻合,故作為本次探測的最終成果圖。本次探測結果共探測出8處槽波能量衰減異常區域,結合實際工作面地質資料綜合分析,最終圈定兩處陷落柱、三處斷層以及三處煤層破碎帶及應力集中區域。

圖5 1307工作面能量衰減系數CT成圖Fig.5 CT Imaging with energy attenuation coefficient in No.1307 working face

圖6 1307工作面速度分析CT成圖Fig.6 CT Imaging with speed analysis in No.1307 working face

4 結論

1)成莊礦15#煤層槽波波速普遍較高,與S波速度相近,在后期數據處理時的拾取偏差較大,使得最終速度CT成像準確率降低。

2)通過對槽波振幅進行拾取,而后進行反演計算,最終成圖,這種利用槽波能量衰減系數CT成像方法,不會受到槽波與S波走時相近較難區分的影響,且對陷落柱和斷層等構造影響區域反應較為明顯,探測結果與實際現場揭露情況也較為吻合[9-14]。

3)由于檢波器數量的限制,在觀測系統的設計上,射線密度還有所欠缺,若增加檢波器數量,增大射線密度,不僅可以使數據量增大,還能夠提高最終能量衰減系數CT成圖的分辨率,對異常區域位置反應更精確。

4)透射能量衰減系數CT成圖探測方法對于不同走向的斷層的探測分辨率可能有所差別,本次所探測斷層走向均與觀測系統測線方向近90°,可能此種觀測系統對于與其測線方向角度近平行的斷層分辨率較低。

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