綜采工作面隨采地震的采煤機震源模擬

金 丹

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綜采工作面隨采地震的采煤機震源模擬

金 丹

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了分析以采煤機作為震源接收到的隨采地震數據的波場特征，從正演模擬的角度出發，通過將采煤機截割方式及滾筒的受力情況轉換為震源力函數的形式，以不同時間不同位置的荷載分布作為震源對波動方程進行加載，采用高階交錯網格有限差分法對波動方程進行求解，得到正演單炮數據。最終，數值模擬得到的隨采地震數據顯示出，采煤機震源激發的波場中，橫波能量占據主導地位，縱波能量較小，且在高頻數據中，分量上有明顯的槽波存在，其極化特征顯示出該槽波為Love型槽波。最終，模擬數據與實際采集的分量數據對比表明，二者在波場成分及分布方面具有較高的相似性。

隨采地震；正演模擬；采煤機；截割荷載；交錯網格

井下地震勘探相比地面地震勘探，能夠近距離的對異常構造進行探測，避免了地面三維地震因較長傳播距離導致的高頻衰減，因而，對工作面前方以及巷道周圍的隱伏構造有更高的勘探精度，目前，在井下異常構造探測中的應用越來越廣泛。近年來，槽波地震勘探為礦井地質構造的探明提供了有效手段，得到比較好的應用效果，它具有探測距離大、精度高、抗干擾性強，波形特征明顯等特點，為煤層內的陷落柱、斷層及煤層尖滅等異常地質情況的解釋給予可靠依據，成為煤礦安全生產的有力保障[1-2]。井下槽波地震勘探在探測采煤工作面前方異常構造時，通常需要中斷采煤作業，且在推廣應用時受限于它的震源形式，難以普及使用。為此，借鑒隨鉆地震勘探的思路，人們提出了以采煤機作為震源、利用地震干涉的方式對工作面前方進行實時成像的隨采地震探測技術[3-9]。

以采煤機截割煤層時所產生的震動作為震源時，與常規地震勘探所使用的爆炸震源存在較大差異。爆炸震源一般為各向同性的震源成分，它是一個脹縮源，相當于在震源點瞬間產生一個徑向壓力，壓力的傳播方向由源點指向周圍介質。在壓力傳播過程中，便產生一個波動引起介質質點的擾動，其振動方向與壓力傳播方向一致，激發出P波。采煤機截割煤層時由于井下環境惡劣、煤層結構隨機性大、截齒截割的不連續性，同時煤巖脆性崩落也并無規律，這些使得采煤機在截割過程中滾筒載荷復雜多變，由載荷引起的壓力傳播也隨之變化。當以采煤機作為震源時，由于其震源情況較為復雜，如果直接以處理常規井下地震數據的方式來處理隨采數據，則會由波場識別錯誤導致的成像不準。為此，隨采地震的正演模擬較為必要，通過對隨采數據的模擬，分析其波場，為后續處理及解釋提供指導作用。筆者首先對采煤機截割方式及滾筒的受力情況進行分析，進而以震源力函數的形式，將不同時間不同位置的荷載分布作為震源對波動方程進行加載，通過高階交錯網格有限差分法對波動方程進行求解，得到正演單炮數據。最終，對正演隨采地震數據進行波場分析與對比，分析采煤機震源激發的波場特征，便于指導實際隨采數據采集以及波場識別。

1 采煤機截割方式

采煤機滾筒及其截割煤巖過程如圖1所示，采煤機滾筒上安裝有若干個截齒，這些截齒與煤體直接接觸；割煤時采煤機的牽引運動和滾筒的旋轉運動合成了截齒的運動，從而完成截齒割煤任務。

圖1 采煤機滾筒及其割煤過程示意圖

割煤啟動階段，截齒會對煤體瞬間施加一個較大的沖擊力，沖擊力超過煤體的承受力時，煤體破碎垮落，同時煤體所受的力迅速降低至近似于0；由于牽引力作用，截齒會前移并再次接觸前方煤壁，旋轉力的推進使得煤體承受的力越來越大，再次超過其承受力時便會垮落，受力又減小；如此周而復始的進入作用力增大、煤體垮落、作用力減小的循環，完成采煤機的采煤過程。

2 采煤機受力分析

地震波數值模擬需要知道的是煤體的受力分析，而煤體的受力和采煤機的受力是作用力與反作用力的關系，因此，分析采煤機的受力便可得到煤體的受力。

采煤機通過滾筒上的截齒來截割煤巖，滾筒割煤時截齒隨滾筒旋轉以及采煤機沿工作面移動對煤壁施以壓力，第個截齒上受到的力包括截割阻力Z，牽引阻力Y和側向阻力X。由力的分解法可以得到3個方向的分力a、b、c，將所有參與截割截齒(n個)的分力疊加求和即可得到滾筒的三向荷載[10-11]：

式中為滾筒上的圓周角。

給定煤機滾筒參數及煤巖參數，依據截割阻力Z，牽引阻力Y和側向阻力X的定義對其進行計算，并由此計算R、R、R。圖2為R、R、R分別隨角度(0°~360°)的變化曲線，可以看出，R與R幅值較大，且呈現出類似正弦曲線規律的周期性，周期大約為120°。R幅值較小，且無規律，呈現出明顯的隨機性[12]。

根據滾筒的轉速，將橫坐標角度轉換為時間，并由采煤機的起始位置及沿工作面移動的速度得到不同時刻采煤機對應的位置(,,)。最終，由(,,,)確定網格坐標，以滾筒的三向荷載作為震源進行加載，為時間層和遞推提供能量，得到數值模擬結果。

3 采煤機震源加載方法

采煤機上與煤體直接作用的截齒數量較多，距離比數值模擬網格大，因此，難以真實對采煤機的截齒進行描述。但不失一般性，考慮前兩節中的分析，本文以圖3的方式對滾筒割煤進行簡化：滾動的半徑通常與數值模擬時網格剖面尺度相當，因此，滾筒上的截齒按上下左右4個分布在滾筒(滾筒中心為震源位置)四周，除最右側的截齒不受力外(與煤體無接觸)，其他3個截齒均受到向左方向(采煤機移動方向)的牽引力和逆時針方向的截割力(方向與截齒和滾筒中心連線垂直)。

圖2 滾筒載荷模擬曲線

圖3 采煤機震源加載示意圖

根據以上分析，假設為牽引力，為截割力，4個截齒點位置從上按逆時針順序排列，則震源加載格式為：

式中牽引力給定常數，截割力根據第2節在一諧波分量基礎上加入隨機噪聲。

由應力表示的三維彈性波波動方程如下式：

式中、、分別為、、軸方向上的位移分量；為時間；為介質密度；F、F、F分別為體力在軸、軸和軸上的投影；σ、σ、σ分別為軸、軸和軸方向上的法向應力；τ、τ、τ分別為、、平面內的剪切應力[13-14]。

將式(1)中滾筒的三向荷載作為體力代入式(3)，得

根據高階交錯網格有限差分法，以差分代替微分，對波動方程進行數值模擬[15-16]，將二階位移分量(,,)轉為一階速度分量(V,V,V)，再將速度分量定義在離散時間+1/2和-1/2上，、表示、方向的網格節點，用、、、、、、、分別表示V、V、V、σ、σ、σ、σ、σ對應的差分形式如下：

速度–應力交錯網格下的離散剖分，計算精度比規則網格高，模擬過程采用這樣的剖分形式進行計算。在波場的數值正演中，模型的邊界采用PML吸收邊界條件，來吸收衰減人工邊界產生的反射。最終，基于移動的采煤機作為震源信號，模擬接收到的地震數據，并以此進行分析對比。

4 隨采地震波場分析與對比

設計尺寸為500 m×226 m×48 m的層狀地質模型，層數為三層，中間為煤層，各層的介質參數如表1所示。網格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m，工作面寬200 m，接收點沿方向展布，且在巷道兩側均等間隔布設24道，接收道距為15 m，時間采樣間隔為0.25 ms。正演觀測系統設計為與實際采集相一致的采集參數，以采煤機作為震源，模擬采煤機震動產生的地震信號，由布置在巷道的檢波器接收信號。

表1 介質參數各層分布表

數值模擬得到的三分量數據記錄如圖4所示。從圖4可以看出，3個分量中縱波能量較弱，橫波為波場的主要成分，這在分量中表現尤為明顯。通過記錄的頻譜掃描，在130~170 Hz的高頻分量中(圖4d—圖4f)，有明顯的槽波存在。槽波主要由煤層中傳播的縱波、橫波等波場之間相互干涉形成，在煤層中的槽波具有強頻散特征，通常頻率較高，且頻率的高低主要受煤厚影響。對其進行極化分析(圖5)，極化特性具有線性特征，且垂直于傳播方向。由此表明，隨采數據中，Love型槽波更加發育，而分量中并沒有明顯的Rayleigh型槽波存在。這些波場特征歸因于采煤機震源特定的截割方式，這種方式使得震源主要為旋轉切割力，因而震源中包含的橫波成分更強，導致隨采信號中橫波明顯占優，同時Love型槽波(主要由SH橫波之間干涉產生)也更加發育。

圖4 數值模擬結果及其濾波結果

圖5 模擬y分量極化特征

在貴州某礦采集的實際隨采地震數據如圖6所示，受限于采集設備數量，本次試驗只采集了48道分量的數據。將其與模擬數據中的分量(圖4b)對比，二者在波場成分及波場分布上具有較好的相似性，即分量中的波場中，橫波能量明顯占優，這種特征利于避免在后續進行的地震干涉過程中波場串擾帶來的信噪比降低問題。

圖6 隨采實際數據y分量

5 結論

通過對采煤機滾筒割煤過程及其受力情況進行分析，同時經過簡化給出了波動方程有限差分形式下采煤機震源的加載方式，由三分量數值模擬結果得出以下結論：

a.采煤機震源激發的波場中，橫波能量占據主導地位，縱波能量很小；三分量數據中，分量相對干凈，幾乎只有橫波成分。

b.在高頻數據中，分量上有明顯的槽波存在，經過頻散分析和極化分析，該槽波為Love型槽波，表明隨采震源波場中，Love型槽波更加發育。

c.模擬結果與實際采集的分量數據對比，結果表明，實際數據與模擬結果較為一致。

[1] 王保利，金丹. 礦井槽波地震數據處理系統GeoCoal軟件開發與應用[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(1)：174–180. WANG Baoli，JIN Dan. Development and application of GeoCoal for in-seam seismic data processing[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(1)：174–180.

[2] WANG Baoli. Automatic pickup of arrival time of channel wave based on multi-channel constraints[J]. Applied Geophysics，2018，15(1)：118–124.

[3] KING A，LUO X. Methodology for tomographic imaging ahead of mining using the shearer as a seismic source[J]. Geophysics，2009，74(2)：1–8.

[4] LUO X，KING A，WERKEN VAN DE M. Tomographic imaging of rock conditions ahead of mining using the shearer as a seismic source：A feasibility study[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2009，47(11)：3671?3678.

[5] TAYLOR N，MERRIAM J，GENDZWILL D，et al. The mining machine as a seismic source for in-seam reflection mapping[J]. Seg Technical Program Expanded Abstracts，1949，20(1)：1365?1368.

[6] 陸斌，程建遠，胡繼武，等. 采煤機震源有效信號提取及初步應用[J]. 煤炭學報，2013，38(12)：2202–2207. LU Bin，CHENG Jianyuan，HU Jiwu，et al. Shearer source signal extraction and preliminary application[J]. Journal of China Coal Society，2013，38(12)：2202?2207.

[7] LU B，CHENG J Y，HU J W，et al. Seismic features of vibration induced by mining machines and feasibility to be seismic sources[J]. Procedia Earth and Planetary Science，2011(3)：76–85.

[8] 覃思，程建遠. 煤礦井下隨采地震反射波勘探試驗研究[J]. 煤炭科學技術，2015，43(1)：116?119. QIN Si，CHENG Jianyuan. Experimental study on seismic while mining for underground coal mine reflection survey[J]. Coal Science and Technology，2015，43(1)：116?119.

[9] 覃思. 隨采地震井–地聯合超前探測的試驗研究[J]. 煤田地質與勘探，2016，44(6)：148–151. QIN Si. Underground-surface combined seismic while mining advance detection[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(6)：148–151.

[10] 郝志勇，周正啟，袁智，等. 基于實驗測試的采煤機截割載荷的分形分布規律研究[J]. 應用力學學報，2018，36(2)：417–423. HAO Zhiyong，ZHOU Zhengqi，YUAN Zhi，et al. Research on fractal distribution law of shearer cutting load based on experimental test[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics，2018，36(2)：417–423.

[11] 劉心，崔海民，許海盟. 采煤機滾筒和截齒受力及優化分析[J]. 煤礦機械，2018，39(6)：61–63. LIU Xin，CUI Haimin，XU Haimeng. Stress and optimization analysis of shearer drum and cutting teeth[J]. Coal Mine Machinery，2018，39(6)：61–63.

[12] 李曉豁，李婷，焦麗，等. 滾筒采煤機截割載荷的模擬系統開發及其模擬[J]. 煤炭學報，2016，41(2)：502–506. LI Xiaohuo，LI Ting，JIAO Li，et al. Devolopment of cutting load simulation system and its simulation study on drum shearer[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(2)：502–506.

[13] 李世中，孫成禹，彭鵬鵬. 可變交錯網格優化差分系數法地震波正演模擬[J]. 石油物探，2018，57(3)：378–388. LI Shizhong，SUN Chengyu，PENG Pengpeng. Seismic wave field forward modeling of variable staggered grid optimized difference coefficient method[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum，2018，57(3)：378–388.

[14] 段沛然，李振春，李青陽. 等效交錯網格高階有限差分法標量波波場模擬[J]. 地球物理學進展，http：//kns.cnki.net/kcms/ detail/11.2982.P.20180725.1051.046.html，2018-07-26. DUAN Peiran，LI Zhenchun，LI Chunyang. High-order finite-difference method based on equivalent staggered grid scheme for scalar wavefield simulation[J]. Progress in Geophysics，http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2982.P.20180725.1051.046. html，2018-07-26.

[15] 李海山，楊午陽，雍學善. 三維一階速度—應力聲波方程全波形反演[J]. 石油地球物理勘探，2018，53(4)：730–736.LI Haishan，YANG Wuyang，YONG Xueshan. Three-dimensional full waveform inversion based on the first-order velocity-stress acoustic wave equation[J]. Oil Geophysical Prospecting，2018，53(4)：730–736.

[16] 胡建林，宋維琪，張建坤，等. 交錯網格有限差分正演模擬的聯合吸收邊界[J]. 石油地球物理勘探，2018，53(5)：914–920.HU Jianlin，SONG Weiqi，Zhang Jiankun，et al. Joint absorbing boundary in the staggered-grid finite difference forward modeling simulation[J]. Oil Geophysical Prospecting，2018，53(5)：914–920.

Simulation of seismic-while-mining with shearer as source of fully mechanized mining face

JIN Dan

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to analyze the wave field characteristics of seismic-while-mining data excited by coal cutter as seismic source, forward simulation was used to calculate seismic data. We transform the cutting mode of spiral drum and the stress of drum into the force function of seismic source, which is added to the wave equation in the form of load distribution at different time and location. Wave equation is solved by high-order staggered-style finite difference method. Finally, the seismic data obtained by numerical simulation show that shear wave energy is very strong and press wave energy is very weak in the wave field excited by spiral drum. There are obvious in-seam waves- incomponent with high frequency, and its polarization characteristics show that in-seam wave is mainly of Love-type. Finally, the comparison between the simulated data and the actual-component data shows that they have high similarity in wave field composition and distribution.

seismic-while-mining; forward simulation; coal cutter; cutting load; staggered grid

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804); Guizhou Science and Technology Major Projects([2018]3003-1)；Science and Technology Innovation Venture Capital Special Project of Tian Di Science & Technology CO., LTD(2018-TD-QN054)

金丹，1987年生，女，陜西洋縣人，博士，從事地震數據處理方法研究. E-mail：jd.h@163.com

金丹. 綜采工作面隨采地震的采煤機震源模擬[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：15–19.

JIN Dan. Simulation of seismic-while-mining with shearer as source of fully mechanized mining face[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：15–19.

1001-1986(2019)03-0015-05

P631.8

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.003

2019-01-02

國家重點研發計劃課題(2018YFC0807804)；貴州省科技重大專項項目([2018]3003-1)；天地科技股份有限公司科技創新創業資金專項項目(2018-TD-QN054)

(責任編輯 聶愛蘭)