基于透射槽波的采煤工作面陷落柱探測模擬研究

馬 欣，楊思通，李新鳳，郭曉東，白錦琳，文志杰，張 亮

（1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250104；3.山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 滕州 271000）

在我國，煤炭儲量要比目前己探明的石油和天然氣儲量高，煤炭在我國國民經濟中具有支柱性的地位[1]。近30多年來，煤炭占國家能源消費總量的比重一直保持在65%左右[2]。國內外研究資料表明，煤層內陷落柱的存在破壞了煤層及圍巖的穩定性，妨礙了機械化采煤，使開采不能正常進行[3]；另一方面，陷落柱有可能與地層內溶洞等含水構造導通，導致突水等災害發生[4-6]。因此，若想保證煤礦安全高效的生產，開采之前探明工作面內陷落柱的位置與范圍具有重大意義。

根據Krey的研究表明探測工作面內陷落柱發育情況的有效手段是透射槽波法[3]。槽波沿煤層傳播，當遇到陷落柱等異常地質構造時，槽波的速度和能量將發生改變。國內探測陷落柱，一般使用數值模擬透射槽波法，進而采用CT成像技術研究陷落柱，數值模擬在前期可以初步預測陷落柱的位置，但是數值模擬與物理模擬相比來說比較抽象，誤差也較多。

基于透射法原理，采用聲波探測技術，使用三維相似材料的物理模型，進行室內實驗研究。在實驗過程中模擬煤礦井下陷落柱，觀察分析槽波在其傳播過程中，波速和振幅的變化。該方法可以實現微小版物理模型高精度地震波場物理模擬實驗，消耗人力物力少，成本低，采集數據更簡單，可操作性強，為前期的野外物理實驗模擬節省大量成本，有助于現場槽波地震探測的深入研究，而且相比較于數值模擬來說誤差少得多，更具有可靠性。

1 原理

1.1 透射槽波原理

在巖-煤-巖地層中，與上下圍巖相比煤層密度小、速度低，是1個典型的低速夾層，煤層與頂底板巖層界面都是1個極強的波阻抗分界面，非常有利于波的傳播。在煤層中激發震源，由惠更斯原理知地震波以球面波向四周傳播，其中向頂底板傳播的部分地震波由于出現全反射而以低速沿著煤層向前傳播，在煤層中相互疊加干涉，即槽波[7-8]（圖1）。

圖1 槽波形成示意圖

一般在1條巷道的煤壁內激發震源，而在另外1條巷道的煤壁內接收槽波，檢波器探頭接受到的波主要為透射波，故而稱為透射槽波探測技術。透射法原理圖如圖2。檢波器和炮孔均布置在煤層的中間位置。布置好后，在每個炮孔中安放震源并依次激發。槽波傳播路徑中如果遇到陷落柱，其形成槽波的條件發生改變，使得槽波的能量減弱。故可以通過分析接收到的槽波數據其振幅、能量、頻率等因素的變化，探查工作面內陷落柱[9]。

圖2 透射法原理圖

1.2 裝置原理

本次實驗為室內物理模擬，用小型聲發射儀器和聲發射探頭模擬野外震源，接受探頭模擬野外檢波器。聲發射檢測原理如圖3。由聲發射儀器發射的彈性波傳播到達材料的表面，經聲發射探頭將電信號轉化為機械振動，引起材料的表面位移，這些被探測器探測到并將其轉化為電信號，然后經放大器放大，進入AE系統，在計算機端口進行數據的記錄和處理，根據觀察到的聲發射信號的信息以及材料聲學特性進行分析與推斷，以了解材料內部構造。

圖3 實驗聲發射檢測原理圖

2 實驗過程

2.1 制作物理模型

本次制作的模型是含有陷落柱的“巖-煤-巖”3層層狀介質模型[10]，規格為：0.15 m×0.15 m×0.3 m，上層和下層模擬頂底板圍巖，中間模擬煤層（圖4），陷落柱為頂板圍巖充填。根據煤層和圍巖的密度、波速差異，選擇了煤粉、石膏、水泥等作為實驗模型基本材料。在參考文獻的基礎上進行了多次配比實驗，最終制作成功相似物理模型。煤粉、石膏、水泥和水的均勻混合物模擬煤層，其配比的質量比例為：煤粉∶石膏∶水泥∶水=1.0∶1.0∶0.3∶1.5。白水泥和水均勻混合模擬頂底板圍巖，白水泥和水的最大配比為3.45∶1，其波速和密度與煤層和圍巖相似。陷落柱為邊長50 mm的正方體，制作位置在煤層正中間，各個部分的密度見表1。

圖4 物理模型結構示意圖

表1 試件各部分密度

2.2 實驗儀器

由于室內測量對象相比野外測量對象小，而且穿透距離也較小，要求儀器具有較高的頻率和靈敏度，以及時間分辨能力。實驗使用PAC公司的聲發射檢測儀器系統、AEwin軟件以及作為震源的RIGOL聲波發射器（圖5）。根據物理模擬的相似原理，選擇合適的聲波頻率，以可控頻率振幅和可選子波的聲波發射儀激發振動模擬槽波激發震源。選用的固定頻率為200 kHz，發射聲波為超聲波，符合要求。

圖5 實驗儀器及試件實拍圖

利用透射法在煤層物理模型中采集槽波數據，模擬采煤工作面內陷落柱槽波探測裝置。故聲波發射探頭與接收探頭的布置在物理模型的表面與煤中間層面的交叉面上。模擬陷落柱位置以及建立觀測系統如圖6。

圖6中，S為聲波發射端，G為聲波接收端。中間邊長50 mm的正方體為陷落柱。

2.3 數據采集

聲發射系統圖如圖7。采用PAC公司的聲發射檢測儀器系統采集數據。

圖6 觀測系統圖

圖7 聲發射系統圖

3 選取部分通道進行透射數據分析

3.1 通過透射槽波數據求能量衰減系數

槽波能量衰減系數和傳播長度的關系為：

式中：E0為槽波在震源處的振幅值，dB；x為槽波的傳播距離，m；Ex為槽波傳播x米之后的振幅值，dB；β為煤層的槽波能量衰減系數。

距離x已知，收發探頭對接時即x可以看成等于0時接收到的聲波振幅為E0。實驗所做物理模型的煤層可以看作是均質體，默認透射槽波在煤層中的衰減系數是定值，計算出透射槽波在各通道的衰減系數（通道以發射探頭和接受探頭的位置編號命名，如1-1，前面的1代表發射探頭的位置編號S1，后面的1代表接收探頭的位置編號G1）。若通道衰減系數較大的說明該通道穿過陷落柱。

選取的部分通道衰減系數見表2。由表2分析，通道5-5與7-7超聲波均是只經過煤層，排除掉實驗試件由于人為誤差造成的不完全均勻以及采集數據中存在的誤差，衰減系數可看作相等，通道6-6與5-5、7-7槽波傳播距離相等，因為經過高阻體陷落柱，衰減系數急劇增大。

3.2 通過透射槽波數據分析速度

通道5-5、6-6與7-7振幅與時間波形圖如圖8。

表2 選取的部分通道衰減系數

圖8 通道5-5、6-6與7-7振幅與時間波形圖

由實驗數據和圖8可得縱波穿過煤層到達探頭時間為tp=89 ms，則速度vp=1 685.4 m/s。縱波穿過陷落柱到達探頭時間為tpx=81 ms，則速度vpx=1 851.9 m/s。6-6中的縱波波至速度之所以大于5-5和7-7中縱波波至速度，是因為不是純煤層，里面含有非煤質高速體。6-6波形的振幅明顯小于5-5和7-7的振幅，同樣的傳播距離，6-6能量衰減更多，故6-6穿過陷落柱。

3.3 利用SPWVD通過透射槽波數據分析能量

平滑偽魏格納威利分布（Smoothed Pseudo Wigner-Ville distribution，SPWVD）時頻分析方法可以描述出在槽波能量密度和強度[11]。表達式為[12]：

式中：x（t）為波形數據；x*（t）為 x（t）的共軛矩陣；τ為信號的時間延遲，s；f為信號的頻率，Hz；t為時間序列，s；h（τ）為窗函數；g（t）為頻率有限支集函數；h（τ）和 g（t）均為實偶函數，且 h（0）=g（0）=1。

通道數據經SPWVD處理后得到時頻圖（圖9），由圖9可知，探頭對接是初始能量，此時可以看作還沒有能量損耗。6-6通道的能量比通道5-5與7-7低了約20～30倍，比初始能量低了10 000多倍。6-6通道接受到的能量小，能量損耗大，故經過陷落柱。

4 綜合各通道槽波的透射數據分析陷落柱的位置

圖9 探頭對接數據、通道5-5、6-6與7-7數據經平滑偽魏格納威利分布（SPWVD）處理得到時頻圖

利用接收到的各通道的透射槽波數據，計算出各通道的振幅能量衰減系數；利用時間-振幅的波形信息，提取出各個通道上波形，分析波速；使用SPWVD時頻處理方法分析透射槽波數據得到各個通道上的能量值。綜合以上數據，槽波能量值較小，能量衰減系數較大以及波速大約為1 800 m/s的區域，即為陷落柱的大致區域范圍以及位置。成果圖如圖10。

通過對個通道進行分析，得到灰色區域為陷落柱，白色區域為煤層。由圖10可以看出，圖中灰色區域和陷落柱基本吻合。

圖10 成果圖

5 結語

1）使用PAC聲發射檢測儀器系統和RIGOL聲波發射器作為實驗設備，選擇適當配比的煤粉、石膏、水泥為原料設計“巖-煤（含陷落柱）-巖”3層模型來研究含陷落柱煤層是具有普遍性的。

2）通過槽波透射數據求能量衰減系數，通過槽波透射數據分析波形，分析速度，通過槽波透射數據利用偽魏格納威利分布（SPWVD）分析能量來探測煤層陷落柱是可行有效的。

3）建議利用成熟的物理模擬研究體系進一步探究煤層內部其他構造。