基于三維數(shù)值模擬的復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)槽波精細探測研究

陳 超，曹路通

(1.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司 六家煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024000； 2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

我國大多數(shù)含煤盆地歷史上經(jīng)過多期次構(gòu)造運動作用，致使原始狀態(tài)下煤層的非均質(zhì)性強烈、構(gòu)造特征復(fù)雜，嚴重制約著我國煤炭的安全高效開采[1-2]。煤層內(nèi)部小型地質(zhì)構(gòu)造通常伴生于區(qū)域大型地質(zhì)構(gòu)造背景下，構(gòu)造異常的空間展布特征往往難以精細揭示，這給工作面的安全回采帶來巨大阻礙[3-5]。因此，如何對煤礦微小構(gòu)造特征進行精確探測，確保生產(chǎn)安全，預(yù)防事故發(fā)生，一直是煤炭地質(zhì)專家研究的重點和難點[6-7]。

目前的煤田構(gòu)造探查多基于地面物探和礦井物探2類方法，其中地面物探多為二維、三維地震勘探，地面地震探測受區(qū)域地形、煤層賦存條件限制，其探測結(jié)果只能揭示區(qū)域較大構(gòu)造的分布，小型斷層、陷落柱難以精確辨識，導(dǎo)致構(gòu)造解釋結(jié)果與開采需求存在一定的差距[8]。礦井物探因其更加接近目標體，對于井下微小構(gòu)造異常現(xiàn)象具有更好的探測效果，常用的有礦井無線電波坑透、地質(zhì)雷達、槽波地震探測等[7-9]。礦井無線電波坑透方法是探測工作面內(nèi)部構(gòu)造常用的方法，但是其探測精度無法滿足回采工作面構(gòu)造精細探測需求，且其對工作面外幫難以實施，對后續(xù)工作面布設(shè)無法起到指導(dǎo)作用[10]。地質(zhì)雷達等因儀器發(fā)射功率、工作面施工條件等限制，其探測距離與精度有限，難以滿足礦井安全生產(chǎn)需求[11]。槽波地震探測是目前煤礦井下構(gòu)造探查最有效的方法之一，其在微小斷層、不規(guī)則陷落柱、煤厚變化情況、采空現(xiàn)象、廢棄巷道等地質(zhì)異常可以實現(xiàn)精細探測和定量化揭示，經(jīng)過多年的發(fā)展，在探測精度、探測距離、井下復(fù)雜環(huán)境情況下抗干擾能力等方面具有明顯的優(yōu)勢，其理論和技術(shù)日趨成熟[9-10，12]。

內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司六家煤礦所在的平莊煤田處于大興安嶺新華夏系構(gòu)造與陰山緯向構(gòu)造交合區(qū)域，為一典型的半斷陷型聚煤盆地，區(qū)內(nèi)斷裂十分發(fā)育，地層產(chǎn)狀變化顯著，構(gòu)造特征較為復(fù)雜，這對煤層的安全高效開采形成了較大威脅。為了查明礦井地質(zhì)構(gòu)造、煤層變化等地質(zhì)問題，確保煤礦安全、高效生產(chǎn)，多年來六家煤礦開展了諸多鉆探、物探工作，并取得了一些成效，但由于受到探測技術(shù)和井下巷道空間限制，對斷層的探測精度有限。特別對于工作面內(nèi)部其異常地質(zhì)構(gòu)造(如斷層、破碎帶等)探測的準確性不高。為此，本文基于井田地質(zhì)資料建立了多巖層斷裂條件下的三維地質(zhì)模型，通過正演分析，揭示了構(gòu)造模型槽波能量、波場和頻散等特征，并通過CT成像證明了槽波探測的可行性。在三維數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過透射槽波探測技術(shù)對E1N46-7工作面進行精細探測，揭示了工作面內(nèi)部及其周邊微小構(gòu)造展布特征，并分析了工作面煤厚變化情況，且與巷道掘進及工作面回采過程揭露斷層特征進行了對比，驗證了本次探測成果的有效性及其精細程度，為工作面的順利回采奠定了堅實基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司六家煤礦位于平莊煤田東北部。井田構(gòu)造特征總體上呈北北東向展布，傾向北西，呈單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上井田內(nèi)發(fā)育有大小不等的30多條斷層，均屬北東向走向或斜交正斷層。井田內(nèi)地層受斷裂構(gòu)造的影響，地層產(chǎn)狀變化較大，全區(qū)平均傾角為16°～23°。

E1N46-7綜放工作面埋深為420.2～484.0 m，走向長876.8 m、傾斜長156.0 m。該工作面煤層為6-7煤層，上部為6-6煤層，下部為6-8煤層，煤層距離較近。6-7煤層為復(fù)合煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，走向為N38°E～N30°W，傾向NW，傾角3°～18°。煤層最大厚度6.05 m，最小厚度3.60 m，平均厚4.89 m，含夾矸層厚度0～0.73 m，頂、底板均以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。

2 多巖層斷裂條件下的三維波場模擬

為了揭示工作面多巖層斷裂時的三維波場特征及探測效果，這里設(shè)計了包含巷道的槽波地震地質(zhì)三維層狀模型，通過交錯網(wǎng)格有限差分GPU并行算法提高計算效率，實施三維波場數(shù)值模擬，并分析探測效果和精度，為在該區(qū)的應(yīng)用及后期奠定基礎(chǔ)[9，13]。

2.1 多巖層斷裂條件下的三維層狀模型

建立包含巷道的三維層狀模型(圖1)，模型空間(x、y方向)大小為1 000 m×300 m，z方向大小選取50 m；共有8層，自上而下依次為砂巖(厚10 m)、6-5煤層采空區(qū)(厚5 m)、泥巖(厚0.5 m)、6-6煤層(厚7.5 m)、夾矸(厚2.5 m)、6-7煤層(厚5 m)、粉砂巖(厚6 m)、6-8煤層(厚2.5 m)、砂巖(厚11 m)。設(shè)計運輸巷、軌道巷長度均為800 m，巷道寬4.5 m，高5 m，模型的x和y方向網(wǎng)格大小為1 m，z方向網(wǎng)格大小為0.5 m，采樣間隔0.5 ms，時長1 s。各巖層物性參數(shù)見表1。

圖1 三維層狀模型Fig.1 Three-dimensional layered model

表1 三維模型巖層介質(zhì)參數(shù)Tab.1 Medium parameters of 3D model strata

震源加載方式為純縱波震源，依據(jù)目標煤層6-7煤的煤厚埃里相確定頻率，布設(shè)于工作面?zhèn)葞椭胁俊Ｓ^測系統(tǒng)設(shè)計為：震源序列的間距為20 m，采用了一條接收線，全巷道觀測方式，接收點位于工作面?zhèn)葞椭胁浚薪邮拯c的間距為2 m。共布設(shè)接收點800個，每個點三分量接收，激發(fā)點80個。模型巷道位置、震源及接收序列位置如圖2所示。

圖2 震源及接收序列分布Fig.2 Source and receiving sequence distribution

2.2 多巖層斷裂模型的透射槽波波場模擬及特征分析

設(shè)計模型中目標煤層厚度為5 m，斷層的夾角與傾角均為45°，落差為3 m，斷層貫穿模型多巖層(圖2)。模擬槽波信號接收采用三分量接收，即x、y和z分量分別接收平行工作面走向、平行切眼方向和垂直底板方向的槽波信號，采用交錯網(wǎng)格有限差分GPU并行法對多巖層斷裂模型實施彈性波數(shù)值模擬。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，選取S19炮進行分析。基于三維模型x、y、和z三分量接收的模擬結(jié)果如圖3—圖5所示。從三分量的單炮記錄上可以看出，槽波能量連續(xù)性好，在遇到斷層之前透射槽波清晰明顯，在傳播到斷層后，槽波能量衰減明顯甚至消失。槽波單炮記錄表明基于工作面頂、底板巖性特征情況下落差3 m左右的斷層可以引起槽波能量的變化，具備可探測可識別性。

圖3 模型基于x分量的槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CT成像Fig.3 Single shot recording，dispersion curve and CT imaging of seismic trough wave based on x component

圖5 模型基于z分量的槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CT成像Fig.5 Single shot recording，dispersion curve and CT imaging of seismic trough wave based on z component

槽波屬于較為典型的頻散波，井下槽波速度的變化與頻率有直接關(guān)系[14]。通過槽波的頻散特征可以看出，煤厚5 m的埃里相在110 Hz附近，埃里相速度在1 100～1 300 m/s，可見大部分的槽波能量均集中在埃里相附近。

CT成像圖中暗藍色背景區(qū)域表明槽波穿透性良好，呈青色至紅黃色的條帶狀區(qū)域為槽波能量衰減區(qū)。通過對比分析表明，CT成像中條帶狀槽波能量衰減區(qū)域即為三維模型中斷層的區(qū)域響應(yīng)特征。

綜合表明多巖層斷裂情況下，透射槽波CT成像信號反映強烈，效果顯著。基于本區(qū)6-7煤層圍巖特征實施透射槽波探測，可以有效揭示落差近一半工作面煤厚的微小隱伏斷層。

3 探測實例

六家煤礦區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀變化較大，斷裂發(fā)育，為較為典型的構(gòu)造復(fù)雜礦井，存在突出的井下微小斷裂不明、局部煤厚變化不甚清晰的問題。此次探測實例在多巖層斷裂條件下三維波場模擬的基礎(chǔ)上，采用全排列采集方案開展E1N46-7工作面6-7煤層的透射槽波探測研究，以期最大限度地接收有效數(shù)據(jù)，對工作面微小構(gòu)造空間分布及煤厚變化進行精細揭示。

3.1 工作面布設(shè)

此次E1N46-7工作面透射槽波探測研究的目標煤層為6-7煤層，采用運輸巷和軌道巷依次激發(fā)的“全息采集”方式實施工作面數(shù)據(jù)采集，其中接收點間距為10 m，炮間距為20 m，激發(fā)點孔深3.0 m，孔徑42 mm，分布在工作面?zhèn)葞兔罕谥胁浚嘞锏赖撞?.5 m，藥量0.3 kg/孔，接收點平行布設(shè)在激發(fā)點兩側(cè)。使用存儲式無纜遙測地震儀(YTZ-3)進行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔為0.25 ms，記錄長度2 s。具體布置情況見表2。

表2 E1N46-7工作面槽波探測測點布設(shè)Tab.2 Layout of seismic trough wave detection system in E1N46-7 working face

3.2 數(shù)據(jù)處理及分析

E1N46-7工作面S39炮濾波前后的單炮記錄如圖6所示。原始單炮記錄中可見3種波形，基于檢波器接收到波阻信號的先后順序依次為：折射縱波(速度為4 125 m/s)、折射橫波(速度為1 950 m/s)和能量較強的槽波(速度為900 m/s)[15-16]。圖6(a)中可見能量較弱的折射縱波和橫波，而透射槽波能量最強。由于數(shù)據(jù)質(zhì)量受背景噪聲的影響，信噪比相對較低，這里基于頻譜分析確定噪聲成分的范圍，對槽波數(shù)據(jù)實施帶通濾波處理。處理后可見槽波能量顯著增強，信噪比提高，波形特征明顯。圖6(b)中可見槽波對異常構(gòu)造區(qū)域具有明顯的響應(yīng)，煤層正常區(qū)段槽波信號連續(xù)性好，能量強，振幅高，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)域存在明顯的槽波缺失或能量減弱現(xiàn)象。這里基于濾波處理后的槽波數(shù)據(jù)實施成像等處理解釋[17-19]。

圖6 S39炮濾波前后單炮記錄對比Fig.6 Comparison of single shot records before and after S39 shot point filtering

3.3 頻散分析

基于目標煤層及其圍巖的縱、橫波速度等參數(shù)，可通過槽波頻散方程獲取本區(qū)目標煤層的頻散曲線[20-21]，揭示各頻率段上槽波的速度。槽波頻散曲線如圖7所示，E1N46-7工作面6-7煤層埃里相的頻段約為50 Hz，埃里相速度在800～900 m/s，槽波在本工作面發(fā)育較好，大部分能量分布在50～250 Hz。

圖7 透射槽波頻散分析Fig.7 Dispersion analysis of transmitted trough wave

3.4 槽波成像與成果分析

E1N46-7工作面能量CT成像結(jié)果如圖8所示。圖8中，工作面中部至東一運輸上山部分的深色區(qū)域代表槽波能量正常穿透區(qū)，該區(qū)域槽波能量相對較強，衰減系數(shù)較小，表明工作面內(nèi)部無明顯異常構(gòu)造；而工作面中部至切眼部分的漸變色代表槽波能量穿透異常區(qū)，該區(qū)域槽波能量相對較弱，表明工作面內(nèi)部可能有隱伏構(gòu)造的存在。圖8中CT成像結(jié)果表明，工作面中部向切眼一側(cè)存在諸多槽波異常區(qū)域。結(jié)合工作面透射槽波CT成像結(jié)果、單炮記錄及相關(guān)地質(zhì)資料分析認為，E1N46-7工作面存在3處斷層和1處煤厚變薄區(qū)，共4處地質(zhì)異常，分別為CF1至CF4。

圖8 E1N46-7工作面CT成像結(jié)果Fig.8 CT imaging results of E1N46-7 working face

CF1異常分布在工作面中部，為區(qū)內(nèi)新發(fā)現(xiàn)斷層，走向N34°E，落差在1.0～2.5 m，在工作面內(nèi)延伸長度約280 m。CT成像結(jié)果清晰，在單炮記錄上有明顯的反射槽波。同樣地，CF2異常為新發(fā)現(xiàn)斷層，走向N22°E，落差為3～5 m，分布在工作面中部并向切眼方向延伸455 m，該異常在CT成像中反映明顯。CF3異常為修正的正斷層異常反映，斷層走向N25°W，落差為3～5 m，從工作面中部向軌道巷方向延伸長度為170 m。該斷層在工作面軌道巷掘進過程中揭露，此前其向工作面內(nèi)部延伸情況不清，此次探測揭示了其真實延伸信息，在CT成像中有明顯的反映。CF4異常為煤厚變薄區(qū)，位于工作面靠近切眼方向，分布在運輸巷附近，長約340 m，寬約66 m，面積約14 950 m2。基于CT成像顯示，該處異常內(nèi)槽波信號衰減嚴重，槽波異常明顯。根據(jù)反演結(jié)果，異常區(qū)內(nèi)煤層厚度在2.5～3.5 m。

截至目前工作面回采揭露顯示，工作面回采揭露實際情況與此次槽波探測結(jié)果吻合良好，驗證了此次透射槽波在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域針對隱伏斷層的良好探測效果。甚至此次探測揭示了落差小于1/2煤層厚度的斷層，修正了早期斷層的空間方位信息，證明了透射槽波探測的精細程度。

4 結(jié)論

(1)基于實際地質(zhì)資料建立多巖層斷裂條件下的三維地質(zhì)模型，通過三維波場數(shù)值模擬正演，揭示了構(gòu)造模型中槽波發(fā)育特性及頻散特征，并通過CT成像證明了構(gòu)造條件下實施槽波探測的可行性。

(2)通過“全息采集”方式可最大限度地接收有效信號，實現(xiàn)對工作面微小構(gòu)造的空間分布及煤厚變化情況的精細探測。

(3)結(jié)合工作面透射槽波CT成像結(jié)果、單炮記錄及相關(guān)地質(zhì)資料分析認為，E1N46-7工作面存在3處斷層和1處煤厚變薄區(qū)，共4處地質(zhì)異常。工作面回采揭露實際情況與此次槽波探測結(jié)果吻合良好，為礦井安全回采提供了堅實的技術(shù)支撐。