基于槽波透射法CT成像的工作面煤厚預(yù)測(cè)

王繼來 楊開珍 崔偉雄 牛 歡 吳國慶

（1.陜煤黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限公司一號(hào)煤礦地測(cè)部，陜西 延安716000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安710000）

0 引言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的戰(zhàn)略地位。然而，我國煤礦開采條件復(fù)雜，煤礦災(zāi)害問題日趨突出，其主要原因是不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工作面內(nèi)有何種地質(zhì)異常。20世紀(jì)70年代以來，一些主要產(chǎn)煤國家相繼開展了各種煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)方法，如槽波、坑透、地質(zhì)雷達(dá)等[1-2]。目前地面常用的三維地震勘探方法受地形影響較大；其他井下物探方法也因探測(cè)距離短、準(zhǔn)確率差等因素很難滿足生產(chǎn)需要；井下槽波地震技術(shù)順勢(shì)而發(fā)，憑借其施工方便、受影響因素小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為煤礦地質(zhì)探測(cè)中最理想的物探手段之一。

1 槽波透射法

煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)具有完整的理論基礎(chǔ)，煤層間的波導(dǎo)現(xiàn)象是Evison[3]于1955年在新西蘭煤礦首次發(fā)現(xiàn)。1963年德國Krey[4]分別從理論方面和實(shí)踐應(yīng)用證明了煤層中槽波的存在槽波的大規(guī)模研究開始于20世紀(jì)70年代中期的德國、英國、美國、澳大利亞等，我國于1977年初開展了這方面的工作[5]。

槽波透射勘探法主要用于探測(cè)煤層的地質(zhì)構(gòu)造和內(nèi)部異常，包括煤層厚度變化，夾矸石分布，大、小斷層，陷落柱，剝蝕帶等。槽波透射法所用的有效波是從震源透過煤層傳至接收點(diǎn)的直達(dá)槽波信號(hào)。如圖1所示，炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)(接收點(diǎn))布置在采區(qū)周圍不同巷道內(nèi)，根據(jù)槽波的有無、強(qiáng)弱來判斷在相應(yīng)的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無構(gòu)造異常。透射法探測(cè)距離約為煤厚的300倍，是目前最有效的探測(cè)方法之一。

圖1 透射法勘探示意圖Fig.1 Sketch of transmission exploration method

2 拉夫（Love）型槽波頻散分析[6-7]

拉夫型槽波是SH波干涉形成的，它的質(zhì)點(diǎn)是在平行于煤層的平面、垂直于傳播方向的平面內(nèi)作線性極化振動(dòng)，是一種純SH波。對(duì)于三層對(duì)稱模型SH波干涉情況。上下彈性半空間為圍巖，密度與橫波速度分別為ρ1,vs1，切變模量為μ1，中間夾層為煤層，其相應(yīng)參數(shù)為ρ2,vs2及μ2，厚度為2d。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 對(duì)稱三層模型Fig.2 Symmetrical three-seam model

取SH波滿足波動(dòng)方程的位移場(chǎng)為：

其中 d—1/2煤厚，m；

vs1、vs2—圍巖與煤層的S波速度，m/s；

μ1、μ2—圍巖與煤層的剪切模量；

ω—圓頻率；

cL—拉夫波動(dòng)相速度；

n—槽波振型階數(shù)。

圖3 頻散和煤厚關(guān)系Fig.3 Relation of dispersion and coal thickness

槽波最大的特點(diǎn)之一是頻散，其頻散現(xiàn)象主要由煤層特殊的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，如煤層及其相鄰地層各自的厚度和密度及體波速度。煤層和圍巖的滯彈性對(duì)槽波頻散的影響通?？梢院雎?，密度比的改變對(duì)頻散曲線的形狀影響同樣也很小。頻散信號(hào)的波形依賴于震源的頻譜、炮檢距和煤層結(jié)構(gòu)的頻散特征，因此對(duì)槽波的頻散和吸收特征進(jìn)行分析和研究可得到煤層和周圍地層的構(gòu)造特征及煤層厚度等信息。

影響頻散的因素有很多，煤厚因素對(duì)拉夫波頻散特性影響十分明顯。隨著煤厚增大，Love波主頻段降低，同時(shí)對(duì)應(yīng)于同一頻率波速降低，即同一頻率，波速隨著厚度增加而減小[8-9]。因此，當(dāng)煤層變厚時(shí)，檢測(cè)到拉夫波就相當(dāng)困難，分辨率也降低。從圖3還可以得到，不同頻率的拉夫波速度成像，對(duì)煤厚的敏感程度也是不一樣的。槽波的頻散特征里攜帶有圍巖、煤層的速度和構(gòu)造信息。通過對(duì)獲得的槽波記錄進(jìn)行頻散分析，不但可以證實(shí)煤層中槽波存在與否，還能用來對(duì)煤層中的地質(zhì)構(gòu)造及異?，F(xiàn)象進(jìn)行探測(cè)[10]。

由于不同的波在煤層中傳播速度不同，原始槽波記錄上首先接收到的是P波，然后是S波，接下來就是槽波，最后是槽波中的艾里相(Airyphase)。艾里相(Airyphase)頻率高，速度慢，是判斷槽波接收質(zhì)量好壞的一個(gè)標(biāo)志。如果接收到艾里相明顯，則可判斷接收到槽波質(zhì)量較好，說明煤層穩(wěn)定，煤厚較大；如果接收到艾里相(Airyphase)不明顯或接收不到，則說明槽波受到了擾動(dòng)，可能是構(gòu)造或煤厚變化所致。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工作面概況

黃陵一號(hào)煤礦1001工作面位于一號(hào)煤礦十盤區(qū)中部，工作面東側(cè)為北一2#回風(fēng)大巷，北部緊鄰1002工作面。本次探測(cè)工作所在的工作面回采2#煤，煤層平均厚度約2m。工作面計(jì)劃由西向東方向推進(jìn)，工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)2500m、傾向?qū)?35m，煤層底板標(biāo)高880～906m。煤層頂板為基本頂、直接頂和偽頂，偽頂多為泥巖和炭質(zhì)泥巖；直接頂以泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主；基本頂（老頂）以中、細(xì)粒砂巖為主。底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，也有少量炭質(zhì)泥巖，層位穩(wěn)定。

3.2 勘探設(shè)計(jì)

施工進(jìn)風(fēng)順槽時(shí)在1425m位置附近揭露煤層變薄現(xiàn)象，煤厚從2m變薄至1m甚至更小，在回風(fēng)順槽相對(duì)位置也有類似情況，嚴(yán)重影響工作面回采。為了探明1001工作面內(nèi)煤厚變化的范圍和其它異常構(gòu)造，對(duì)1001工作面外部770m進(jìn)行透射法槽波地震勘探。接收道距采用10m，進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽選擇炮間距為40m。炮孔深3m，藥量300g/炮，接收排列長(zhǎng)度770m。

圖4 不同煤厚Love型槽波頻散曲線Fig.4 Lovechannelwavefrequencydispersioncurveof differentcoalthickness

3.3 頻散分析[11-12]

槽波是典型的頻散波，即槽波的速度隨頻率的改變而變化。在估算出1001工作面圍巖與煤層縱橫波速度等參數(shù)后，根據(jù)Love型槽波頻散公式計(jì)算槽波的頻散曲線，求出各頻率上槽波的速度。1001工作面圍巖與煤層各個(gè)參數(shù)如表1所列。計(jì)算出的Love型槽波的頻散曲線如圖4所示。

頻散曲線中群速度極小值所對(duì)應(yīng)的頻率是槽波埃里相的范圍。從上圖中可看到，煤厚2m的埃里相在300-500Hz之間，煤厚1m的埃里相在600-800Hz之間。槽波大部分能量分布在埃里相附近。

由實(shí)際數(shù)據(jù)中提取的頻散曲線包含較高的噪聲，其中噪聲成分主要分布在50～100Hz范圍以內(nèi)，而1001工作面的Airy相位恰好在此頻率范圍之外。這樣只需要通過簡(jiǎn)單的頻率域?yàn)V波或頻率-速度域?yàn)V波，就可以獲得較好的槽波形態(tài)（圖5）?？梢悦黠@看到，槽波能量變強(qiáng)，特征明顯。經(jīng)幾何關(guān)系計(jì)算速度為950m/s，和上面計(jì)算的頻散曲線埃里相速度基本一致，說明上述估計(jì)參數(shù)正確。對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)就可以對(duì)其進(jìn)行CT成像處理。

圖5 濾波后數(shù)據(jù)Fig.5 Dataafterfiltering

表1 圍巖與煤層參數(shù)Tab.1 Wallrockandcoalparameter

3.4 槽波CT成像

從本次采集數(shù)據(jù)看，槽波能夠完全穿透工作面，能量變化很小，說明工作面內(nèi)部沒有5m以上斷層和陷落柱，3-5m的斷層也很少。對(duì)1m和2m的煤層，槽波在頻帶范圍和能量變化較大，相對(duì)容易區(qū)分，槽波在1m煤厚需要傳播一定距離才能使能量衰減。對(duì)于實(shí)際巷道揭露的煤層變薄區(qū)，能量變化較大是在進(jìn)風(fēng)順槽的R41樁號(hào)附近，與巷道中該位置由于煤層滑脫構(gòu)造形成的小型逆斷層相對(duì)應(yīng)。進(jìn)風(fēng)順槽R51-R62樁號(hào)內(nèi)能量變化較為劇烈，該位置也正好與巷道揭露該區(qū)域煤層分叉的地質(zhì)現(xiàn)象吻合。根據(jù)CT成像圖（圖6），煤層變薄的范圍較大，在進(jìn)風(fēng)順槽一側(cè)影響更甚，而在回風(fēng)順槽一側(cè)的影響較弱，整個(gè)工作面絕大多數(shù)煤層厚度應(yīng)在2m以上。根據(jù)巷道揭露煤層露頭情況綜合解釋出工作面煤層厚度賦存形態(tài)（圖7），并根據(jù)煤層厚度變化情況及本礦回采技術(shù)要求對(duì)停采線及新開切眼位置提出客觀建議，礦方采用后，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證效果極佳。

圖7 煤層厚度等值線圖Fig.7 The contour map of coal seam thickness

4 結(jié)論

綜合對(duì)透射槽波理論分析和實(shí)際工作面探測(cè)，可以得到以下結(jié)論：

（1）槽波具有頻散特性，煤層厚度對(duì)槽波頻散特性影響很大。隨后煤厚的增大，拉夫型槽波的主要頻段和Airy相頻率迅速向低頻移動(dòng)。通過計(jì)算，得出1001工作面拉夫型槽波的頻帶范圍和Airy頻段，選取正確參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，保留了槽波的有效部分，得到了比較理想的成像效果。因此，選取合適頻段進(jìn)行成像是槽波預(yù)測(cè)煤厚的一個(gè)關(guān)鍵。

（2）槽波透射法具有探測(cè)距離大的特點(diǎn)。1001工作面，接收排列長(zhǎng)度770m，最大炮檢距超過1400m。解決了其他物探方法探測(cè)距離不夠的問題。

（3）本次1001工作面應(yīng)用槽波透射法，查明了煤厚變化范圍和其他異常體情況。為1001工作的下一步生產(chǎn)提供了依據(jù)，為黃陵一號(hào)煤礦取得了巨大的經(jīng)濟(jì)利益。槽波勘探法是一種新型的礦井物探方法，其應(yīng)用范圍廣，干擾因素小。在傾角變化，厚度變化，圍巖巖性變化的情況下，也可以使用。該技術(shù)能夠解決綜合地質(zhì)問題，有使用、推廣價(jià)值。

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