淺埋煤層房柱式采空巷道地震物理模型設計及制作

王 盼，朱書階，賈 茜，菅本啟，張淼淼，董蕊靜

淺埋煤層房柱式采空巷道地震物理模型設計及制作

王 盼1,2，朱書階2，賈 茜2，菅本啟3，張淼淼2，董蕊靜2

(1. 西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710056；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3. 中國石油大學(北京) 地球物理學院，北京 102249)

針對陜北淺埋煤層房柱式采空區探測精度不高的問題，制作地震物理模型進行淺埋煤層房柱式采空區物理模擬研究。按照物理模擬幾何尺寸和波阻抗相似比原則設計地震物理模型；進行大量相似材料配比試驗，確定低速黃土層相似材料為環氧樹脂和硅橡膠(1∶1.2)，泥巖相似材料為環氧樹脂、硅橡膠和滑石粉(1∶0.2∶0.6)，煤層為環氧樹脂和硅橡膠(1∶0.4)，泥質砂巖相似材料為環氧樹脂和滑石粉(1∶0.8)，砂巖為環氧樹脂和滑石粉(1∶1.2)；采用數控雕刻機雕刻煤層采空區及巷道保證高精度，利用澆筑法和粘接法相結合制作采空區夾心層及煤層倒扣澆筑的方法解決采空區巷道內留存空氣的模型制作工藝難題，完成了房柱式采空巷道地震物理模型制作。經測量，物理模型的單層形態測量精度為0.2 mm、速度相對誤差小于5 %、密度絕對誤差為±0.3 g/cm3，滿足模型設計要求。

房柱式采空區；相似材料配比；地震物理模型；模型制作

淺埋煤層一般是以埋深在150 m以內、基巖小于50 m、上覆松散砂土為賦存條件特征的煤層，廣泛分布于我國西北部，其具有可采煤層多、煤層厚、結構簡單、穩定性好等優越的開采條件。我國在煤炭大規模開采之前多采用房柱式即開采時預留煤柱支撐頂板以防地表沉陷[1]，加之小煤窯多年來利用房柱式無序開采，遺留了許多錯綜復雜的采空區，采空區沉陷后形成采煤沉陷積水區，導致耕地減少、建筑物損壞、水土流失等問題[2]，嚴重威脅周邊民眾的正常生活和大型煤礦安全生產。

多年來，我國在淺埋煤層房柱式采空區勘探方面開展了大量的探測實踐及數值模擬研究[3-7]，但淺埋煤層房柱式采空區尤其是采空巷道的探測仍然是難題。

從方法研究的角度看，地震物理模擬是一條途徑。地震物理模擬是進行理論基礎研究最直接有效的方法之一，可以為復雜構造的地震勘探提供標準、可靠的數據，從而對各種地震成像方法和軟件系統的成像效果和質量進行測試和評價[8-9]。進行地震物理模擬首先要制作物理模型，為此，開展淺埋煤層房柱式采空巷道地震物理模型設計和制作研究，以便為開展物理模擬提供物質基礎，進而為深入認識淺埋房采區波場響應特征，為淺埋房采區的地震數據采集及處理解釋提供基礎服務。

1 房柱式采空巷道地震物理模型設計

根據陜北某煤礦的采掘工程平面圖、地質資料及鉆孔資料設計一個雙煤層采空巷道地震物理模型。野外地質體實際尺寸為1 300 m×1 000 m× 200 m，分為6層，頂層為疏松黃土層，厚度為60 m；泥巖為上組煤頂板，厚度42 m；上組煤為厚煤層，厚度為9 m，其中采空區高度為5 m；上組煤底板和下組煤頂板為泥質砂巖，厚度為30 m；下組煤厚度為5 m，下組煤底板為砂巖，厚度為54 m。

首先，根據物理模型采集系統和超聲換能器主頻等因素確定模型比例因子，再根據采空巷道形態、分布情況設計采空區、巷道的形態和具體位置。

1.1 相似準則下比例因子確定

模型設計一定要考慮模型與實際介質的相似性，相似性的要求有很多方面，但是現實的模型材料尚達不到全部要求，所以在解決不同問題時，有不同的側重點。在采空區探測中主要用到反射地震勘探，主要研究縱波在不同構造形態的界面和多層界面反射所形成的圖形，因此，對實際地質構造的模擬主要是幾何尺寸和波阻抗兩個方面。

幾何尺寸的相似常常用視波長作標度，不僅包含模型幾何尺寸的大小，還要考慮震源激發的脈沖主頻和介質傳播中波的速度[10-11]。所以幾何尺寸包含時間比例、幾何尺寸比例和速度比例，其對應關系如下：

波長比例因子為：

即波在模型介質中旅行時間為1 μs，相當于在實際介質中的旅行時間1 ms。

由長度比例因子(L)和波長比例因子相等，可計算模型的尺寸：

即模型尺寸長度1 m，相當于野外工作面長1 000 m。

根據時間比例、幾何尺寸比例和速度比例，最終確定模型的模擬比例為1 000∶1，則物理模型尺寸為1.3 m×1 m×0.2 m。

1.2 模型設計

根據淺埋煤層房柱式采掘的實際情況設計的采空巷道地震物理模型包含巷道、斜交采空巷道、正交采空巷道3類采空區地質體。為最大限度發揮模型的功效，可在同一模型上完成多項測試，設計上組煤包含斜交和正交采空巷道，可分別分析斜交和正交采空巷道的波場響應；設計下組煤只包含正交采空巷道，且與上組煤的正交采空巷道空間上有部分重疊，可分析重疊和非重疊區域的波場特征響應。為最大程度降低模型的邊界效應，采空區巷道設計在煤層的中間位置。模型設計前必須考慮模型材料速度、密度以及模型制作工藝的可實現性，采集系統的發射能量、頻率以及換能器尺寸、頻率等參數能滿足要求。

根據以上設計思路，設計模型參數見表1。

表1 實際地層和物理模型參數對比

模型的剖面如圖1a所示，采空區和巷道的采高、寬度均為0.005 m，圖1b為上組煤采空區平面圖，左邊斜交采空巷道，斜交角度為 145°，右邊為正交采空巷道；圖1c下組煤采空區只設計了正交采空巷道。

2 房柱式采空巷道地震物理模型制作

模型制作的關鍵是材料配比，難點在于采空區及巷道的制作，因為常規的模型澆筑方法無法保證采空區內保留空氣，為此采用制作采空區夾心層的新工藝來解決這一問題。

2.1 模型材料的選擇及配置

材料的選擇是制作模型的關鍵，特別是在制作多層介質模型時，在選擇材料的時候要考慮以下幾個方面[12-15]：

①可模擬性，能滿足模擬實際地層的彈性參數，特別在速度、密度和衰減的聲學特征方面；

②可制作性，在模型制作過程中所選材料要使得界面之間要能很好的粘合、無縫隙；

③制作工藝，要考慮模型的固化性能，便于后期打磨處理。

根據近幾十年來學者的研究，樹脂和橡膠類材料或與其他材料混合后，流動性、收縮性、固化性都較好，且速度差異大，固化后易于處理。所以在進行地震物理模型制作時常考慮環氧樹脂、硅橡膠添加滑石粉等。模型制作之前通過大量的材料配比試驗，制作試塊并測試速度、密度，配比出與設計的各層參數相近的材料。經過多次調試配比得到了采空區各層材料配比試塊(圖2)，主料為環氧樹脂(記為A)，配料為硅橡膠和滑石粉分別記為B和C，具體配比比例見表2。

圖1 采空巷道設計

從這些試塊中測得縱波速度和密度的比例為1.5∶1，所以實際地層轉換為模型的比例參數時，速度1∶1的情況下，密度按照1∶1.5轉換，最終的轉換密度和模型設計基本一致。經計算，黃土層速度與設計的相對誤差為4.4 %，泥巖層為2.3 %，上組煤為1.1 %，泥質砂巖為 0.6%，下組煤為1.9 %，砂巖為4.8 %，速度相對誤差控制在5 %以內；黃土層密度與設計的絕對誤差為0.3 g/cm3，泥巖層為–0.2 g/cm3，上組煤為0.3 g/cm3，泥質砂巖為 0.01 g/cm3，下組煤為0.2 g/cm3，砂巖為0.1 g/cm3，密度絕對誤差控制在±0.3 g/cm3以內。

圖2 材料配比試塊

表2 模型參數配比

在速度測試方面，由于在工業和復合材料中很難找到速度低于1 000 m/s或者高于3 000 m/s的材料，所以第一層黃土層和第六層砂巖誤差較大，其他各層基本吻合。

2.2 模型制作及工藝

整個模型制作的最大難點是采空區的制作，一是需要保證采空區內填充為空氣，二是采空區巷道寬度和高度僅有5 mm。整個模型制作分為兩部分，第一部分采用澆筑法和粘接法混合制作采空區夾心層的新技術方法制作上、下組煤層采空區，第二部分利用逐層澆筑的方法整體澆筑模型。

2.2.1 采空區制作

1) 下組煤采空區

采空區平面面積為750 mm×350 mm，以下組煤的上下相鄰層作為采空區夾心層的頂部和底部，分別澆筑20 mm；凝固后底層上面澆筑厚度為5 mm的煤層，利用數控雕刻機雕刻煤層采空區及巷道，如圖3a所示；最后粘貼夾心層的頂部最關鍵，要把頂部放在下面，薄涂相同材料，煤層倒扣上，再用重物壓制，薄涂和煤層倒扣的方法可以達到防止材料入侵采空區和粘貼時產生氣泡，如圖3b所示。

2) 上組煤采空區

與下組煤采空區制作方法相同，煤層厚度9 mm，采空區高度5 mm。

圖3 上下組煤層采空區部分制作

2.2.2 模型整體制作

模型整體制作采用從底部逐層澆筑的方法，厚度較大層每次澆筑1～2 cm，否則由于材料混合放熱過快會出現氣泡、裂縫等現象。

砂巖層制作：澆筑至34 mm高度后放置下組煤采空區夾心層，繼續澆筑至砂巖層完成，如圖4所示；下組煤層制作：按照下組煤配比澆筑除采空區的煤層部分；泥質砂巖層制作：作為下組煤的頂板和上組煤的底板，要注意高度計算準確；上組煤層和剩余其他層按照相同的方法依次澆筑完成，最后去模具，對模型進行測量和精細化打磨，完成模型制作，制作的模型如圖5所示。

模型制作過程中采用高精度三維測量機對每一層進行精確測量，精確控制模型形態的幾何尺寸，誤差保證在0.2 mm以內。

圖4 底板砂巖層和下組煤

圖5 模型實物

3 結論

a.經過大量材料配比試驗，最終采用環氧樹脂、硅橡膠添加滑石粉按照不同比例得到各層參數，經過測量，速度相對誤差小于5 %，密度絕對誤差為±0.3 g/cm3。

b.采用澆筑法和粘接法制作采空區夾心層的新技術方法，解決采空區巷道及其他巷道內留置空氣的模型制作工藝難題。

c. 利用數控雕刻技術保證采空區巷道、巷道的精度，使制作模擬的單層形態絕對誤差不大于0.2 mm，實現了模型制作的高精度。

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Design and construction of a seismic physical model of room-pillar goafs in shallow coal seams

WANG Pan1,2, ZHU Shujie2, JIA Qian2, JIAN Benqi3, ZHANG Miaomiao2, DONG Ruijing2

(1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. College of Geophysics, China University of Petroleum, Beijing102249, China)

In view of the problem of low detection accuracy of room-pillar goafs in shallow coal seams in northern Shaanxi, the seismic physical model is designed for physical simulation according to the principle of similarity ratio of geometry size and wave impedance. Through a large number of ratio tests of similar materials, the ratio of epoxy resin and silicone rubber is determined as 1 : 1.2 for similar materials of low velocity loess layer, 1 : 0.2 : 0.6 for epoxy resin, silicone rubber and talc for mudstone, 1 : 0.4 for epoxy resin and silicone rubber for coal seams, 1 : 0.8 for epoxy resin and talc for argillaceous sandstone, and 1 : 1.2 for epoxy resin and talc for sandstone.The numerical control engraving machine is used to carve the coal seam goaf and roadway to ensure high precision. By using the pouring method combined with the bonding method, the sandwich layer of goafs and coal seams is made to solve the problem of air model production in the goaf roadway, and the seismic physical model of the room-pillar goaf roadway is completed. The single-layer shape measurement accuracy of the physical model measures 0.2 mm, the speed relative error less than 5%, and the density absolute error ±0.3 g/cm3, which meets the design requirements of the model.

room-pillar goaf; ratio of similar materials; seismic physical model; model construction

語音講解

P315.8; P631

A

1001-1986(2021)06-0101-06

2021-09-14；

2021-10-27

國家自然科學基金項目(41974209)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2019XAYPT02，2020XAYDC02-03)

王盼，1987年生，女，陜西咸陽人，博士研究生，從事物探儀器、地震物理模擬研究工作. E-mail：wangpan@cctegxian.com

王盼，朱書階，賈茜，等. 淺埋煤層房柱式采空巷道地震物理模型設計及制作[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：101–106. doi∶10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.012

WANG Pan，ZHU Shujie，JIA Qian，et al. Design and construction of a seismic physical model of room-pillar goafs in shallow coal seams[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：101–106. doi∶10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.012

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(責任編輯 聶愛蘭)