地震波CT技術(shù)在煤礦工作面煤層變薄帶探測中的應用

潘樂荀，任 川，蘭鵬波

(安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202)

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地震波CT技術(shù)在煤礦工作面煤層變薄帶探測中的應用

潘樂荀，任 川，蘭鵬波

(安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202)

為了準確劃分工作面的薄煤層區(qū)域。應用地震波CT技術(shù)，獲取介質(zhì)彈性波波場的初至、波速、振幅、頻率等參數(shù)，通過層析成像，反演介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等的分布圖像。以實際煤礦工作面地震波CT技術(shù)探測煤層變薄帶為例，對該方法工作中的規(guī)律及效果進行總結(jié)，提高地震波CT技術(shù)的準確性，為類似條件下的煤層變薄帶探測提供參考。

地震波CT；煤層變薄帶；層析成像；反演

煤層變薄是煤田地質(zhì)中比較常見的地質(zhì)現(xiàn)象，工作面的地質(zhì)構(gòu)造常造成煤層厚度的變化，煤層變薄帶的分布影響礦區(qū)的采區(qū)布置、采面劃分及采煤方法的選擇，也直接影響礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益，因此準確圈定煤層變薄帶的范圍十分重要。地震CT技術(shù)自20世紀80 年代初進入地學研究領(lǐng)域以來，廣泛應用于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，石油、金屬礦產(chǎn)、地熱等資源勘探，以及土木建筑、災害防治等的領(lǐng)域。我國于80 年代中期開始開展地震CT 研究工作，并先后在大同、平頂山、棗莊、徐州和鐵法等礦區(qū)應用，取得了一定的成果。近年來，該技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應用日益廣泛，主要用于推斷煤巖體內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造、應力異常區(qū)域、煤層厚度變化等典型異常區(qū)域的分布情況，可為煤礦生產(chǎn)過程中的工作面開采設計、動力災害預測預報、防治效果檢驗及安全措施制定等提供參考依據(jù)。

一般的鉆探方法只能得到煤層的局部特征，“一孔之見”很難準確劃分整個工作面的薄煤層區(qū)域。利用地震波CT技術(shù)，在整個工作面布置觀測系統(tǒng)，對煤層頂板穩(wěn)定性、煤體破碎等特征進行解釋[1]，對采面內(nèi)影響開采的地質(zhì)因素進行詳細探測，以保證采面的安全、高效回采[2]。

1 地震波CT技術(shù)基本原理

地震CT(Computerized Tomography)勘探技術(shù)，即地震波層析成像勘探技術(shù)，是利用地震波對地質(zhì)體的透射投影，來重建構(gòu)成地質(zhì)體內(nèi)部地震波速度的分布形態(tài)，并根據(jù)地震波速度與地質(zhì)體的對應關(guān)系，進行巖體的分類和評價。地震CT通過地質(zhì)體(結(jié)構(gòu))的外部地震波走時和衰減的觀測數(shù)據(jù)，來準確可靠地反演出地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀圖像。通過接收在物體外部發(fā)射并且穿過物體而攜帶有物體內(nèi)部各種信息的物理信號，利用計算機重建技術(shù)，重現(xiàn)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地震走時層析成像技術(shù)能夠通過接收炮點與檢波點之間的地震波旅行時，利用計算機技術(shù)反演得到勘探區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)。

地震波在二維介質(zhì)中傳播時，旅行時間是對地下介質(zhì)慢度函數(shù)沿著波的傳播射線路徑進行線性積分，旅行時間與地下介質(zhì)的速度分析V(x,y)的關(guān)系可表示為

(1)

式中：r為震源a與接收點b之間的連線；s(x,y)為介質(zhì)慢度，為V(x,y)的倒數(shù)；dr即波的射線路徑的增量[3]。

對(1)式進行離散化處理，可以得到

T=AS

(2)

式中：T為所有激發(fā)點到接收點之間的旅行時矩陣，A為距離矩陣，與傳播路徑相關(guān)，S為介質(zhì)的慢度矩陣，即速度的倒數(shù)矩陣。

對于式(2)，可以分為正演和反演兩種求解方法。在慢度S已知時，對于給定的激發(fā)點和接收點，應用多種方法求解距離及旅行時，即為正演；相反，在旅行時已知時，反推速度的分布情況為反演。

一般情況下，首先需要假定一個初始的慢度模型，對S做出假設，用正演的方法得到理論旅行時矩陣T，再進行射線追蹤，得到射線路徑矩陣A，這樣正反演相結(jié)合，得到理論走時與實際走時的時差矩陣ΔT，慢度矩陣S的修正量為ΔS，則反演方程可以表示為

ΔT=AΔS

(3)

式中：ΔT及A均為已知，可以用多種方法求解方程(3)，得到介質(zhì)的近似速度分布。關(guān)于這類線性方程組求解方法有代數(shù)迭代算法ART(Algebraic reconstruction technique)、同步迭代算法SIRT(Simultaneous iterative reconstruction technique)、最小平方QR分解法LSQR(Least square QR-factorization)等，進而對近地表速度結(jié)構(gòu)進行速度結(jié)構(gòu)成像分析[4-10]。

2 應用實例

2.1 地質(zhì)概況

井田東西長約5 km， 南北寬約2.8 km， 面積11.51 km2， 地處構(gòu)造剝蝕侵蝕低中山區(qū)， 區(qū)域地勢西高東低，北高南低。11061回采工作面總體呈一走向NEE、傾向SSE的單斜構(gòu)造， 并伴有9條規(guī)模不大走向與地層走向基本一致的斷層。區(qū)域褶皺構(gòu)造為一北東向的寬緩向斜構(gòu)造——三塘向斜，軸向北東，軸面傾向126°～152°，傾角72°～74°。北西翼巖層傾角一般10°～30°，南東翼巖層傾角一般6°～36°。

回采工作面主要含煤地層為二迭系龍?zhí)督M(P3l)，含煤29～37層，一般31層。各煤層總厚平均21.95 m，含煤系數(shù)7%，可采和局部可采煤層5層。主采和首采的煤層厚度雖有一定變化，但規(guī)律明顯，其它煤層為較穩(wěn)定的大部可采或基本全區(qū)可采煤層，煤類單一，總體上煤層較穩(wěn)定～穩(wěn)定類型。

2.2 探測布置

在11061工作面中利用震波CT方法對整個工作面進行探測。結(jié)合11061工作面的實際情況，本著工作面CT測線設計中應盡量讓地震波旅行射線在工作面中分布比較平均，不出現(xiàn)射線空白區(qū)等原則，本次激發(fā)點測線布置于11061切眼和運輸順槽，測線總長約500 m，炮間距約為6 m，設計總炮數(shù)88個，表示為P1～P88。接收測線布置于11061聯(lián)切眼和回風順槽，現(xiàn)場共布置1站，接收測線總長約470 m，道間距10 m，測點總數(shù)48個，表示為R1～R48。

接收點按要求布置在煤層中心部位，將鋼釬插入煤層，要求鋼釬需平行于頂?shù)装?，并將傳感器固定在鋼釬上保證傳感器的良好耦合。炮點孔徑42 mm，以炮點為激發(fā)點，進行震波激發(fā)；檢波點為接收點，放入TZBS系列傳感器?，F(xiàn)場實際布置測線、測點如圖1所示。

圖1 工作面測線及測點布置

2.3 數(shù)據(jù)采集

地震數(shù)據(jù)的采集采用1臺多道數(shù)字地震儀在機巷接收透射CT數(shù)據(jù)，形成單站一次接收48道的數(shù)據(jù)采集裝置，將48個TZBS系列傳感器固定于機巷中所打入的鋼釬上，安裝時嚴格控制傳感器和鋼釬的安裝方向。爆破使用300 g乳膠炸藥，將藥卷送至孔底，使用炮泥將孔封好，并接好爆炸起爆器和儀器啟動器，待接收站和激發(fā)站安裝就緒后，電話聯(lián)絡開啟儀器，設置好參數(shù)，由接收站指揮激發(fā)站放炮，記錄各炮波形信號數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)初至清晰，反射波分辨率較高，部分單炮記錄波形如圖2所示。

圖2 部分單炮記錄

現(xiàn)場探測地震儀器工作參數(shù)設置為：多道數(shù)字地震儀通道數(shù)：48道；采樣間隔：100 us；采樣頻帶：2 500 Hz低通；固定增益：-48～-81 dB；采樣長度：4 K；采樣延遲：0.0 ms。數(shù)據(jù)采集時采用連續(xù)高效放炮，同組接收點固定接收的作業(yè)方式，目的保證了扇形的最大覆蓋范圍和探測區(qū)域。

2.4 探測結(jié)果及解釋

1) 資料處理。數(shù)據(jù)處理時通過數(shù)據(jù)解編及格式轉(zhuǎn)換，并將單炮數(shù)據(jù)拼接及道集重排，生成共炮點道集(CSP)、共檢波點道集(CRP)等。預處理的內(nèi)容還包括道編輯、二次采樣、頻譜分析及去噪，并建立相應的觀測系統(tǒng)。網(wǎng)格劃分后進行射線追蹤及疊加次數(shù)計算，保證射線在探測區(qū)域內(nèi)的覆蓋次數(shù)基本上超過20次，且較均勻。獲得觀測系統(tǒng)坐標參數(shù)及各道對應的初至時間后，將網(wǎng)格劃分參數(shù)及炮、檢點位置坐標等分別輸入至BPT、ART、SIRT三種CT成像模塊，并以BPT的計算結(jié)果作為CT計算的慢度初值，再進行ART、SIRT迭代計算得出CT反演結(jié)果。

2) 探測結(jié)果及解釋。通常，當煤層均勻分布時，地震波在煤層中傳播的波速分布圖也較均勻，由于相對于巷道及圍巖，煤層是低速介質(zhì)，因此在震波CT速度切片圖中，煤層速度相對于巷道及圍巖也較低。當煤層中存在斷層、陷落柱等構(gòu)造時，構(gòu)造部分為煤層頂?shù)装鍘r石，因此一般表現(xiàn)為高速異常區(qū)。另外，當煤厚發(fā)生變化時，煤層變薄帶也表現(xiàn)為高速異常區(qū)[9]。

地震CT反演時，SIRT算法與BPT和ART法相比，具有收斂性好，重建圖像的分辨率高，對初值選取精度依賴程度低等優(yōu)點，因此本次采用SIRT算法進行層析成像，比較對照地震波速CT反演切片，結(jié)合11061工作面巷道地質(zhì)編錄剖面及相關(guān)資料對本次探測解釋進行同步驗證，在探測工作面得到SIRT 法縱波及橫波速度CT 反演切片圖(見圖3～圖4)，以縱波結(jié)果為主進行解釋判斷。

1. 煤層厚度變薄區(qū)；2. 煤層厚度變薄區(qū)-煤層較薄分區(qū)；3. 煤層厚度變薄區(qū)-薄煤層與正常煤層過渡分區(qū)；Vp. 縱波速度(m/ms)圖3 縱波速度CT反演切片及解釋

1. 煤層厚度變薄區(qū)；2. 煤層厚度變薄區(qū)-煤層較薄分區(qū)；3. 煤層厚度變薄區(qū)-薄煤層與正常煤層過渡分區(qū)；Vs. 橫波速度(m/ms)圖4 橫波速度CT反演切片及解釋

綜合分析縱波及橫波速度CT反演切片，結(jié)合波速大小閥值判斷，探測區(qū)域內(nèi)共解釋3個高速異常區(qū)，其中C1為煤層厚度變薄區(qū)，靠近11061運輸順槽，對工作面回采有一定影響，此煤層厚度變薄區(qū)可分為C1-1(煤厚0.5～1.0 m)、C1-2(煤厚1.0～1.4 m)兩個區(qū)間，其中C1-1煤層較薄，C1-2為薄煤層與正常煤層過渡區(qū)；C2異常區(qū)為煤層厚度變薄區(qū)或斷層構(gòu)造影響帶，在此高速異常區(qū)內(nèi)存在斷層構(gòu)造，由于煤層變薄形成高速異常區(qū)，延展范圍大，對工作面回采很大，為重點防范區(qū)域，同樣C2可以分為薄煤層區(qū)域C2-1(煤厚0～0.5 m)及薄煤層與正常煤層過渡區(qū)C2-2(煤厚0.5～1.4 m)； C3異常區(qū)為煤層變薄區(qū)或夾矸增厚區(qū)， 對應位置為11061回風順槽， 速度切片表現(xiàn)為高速異常。

3) 驗證情況。11061工作面由于受煤層變薄帶影響，改造切眼位置設計在橫坐標160 m附近，如圖5所示，A位置在回風順槽，B位置在運輸順槽。2014年8月5日，改造切眼迎頭處對應的素描圖如圖6所示，正常煤層煤厚約1.5～2 m，靠近回風順槽附近煤厚約0.2～1.0 m，靠近運輸順槽附近煤厚約0.5～1.4 m，與地震波CT資料解釋中C1-2及C2-2煤層變薄帶劃分相符合。且回采過程中，實際揭露情況與探測解釋基本吻合，證明地震波CT技術(shù)對于煤層變薄帶的劃分有較好的效果。

圖5 改造切眼位置示意圖

圖6 改造切眼迎頭處素描圖

3 結(jié)論

地震波CT技術(shù)對于采煤工作面內(nèi)地質(zhì)異常體的探測較為有效可靠，可避免構(gòu)造異常造成的采煤損失，提高回采效率，為礦井高產(chǎn)高效建設提供了保障。

1) 地震波CT在工作面的探測結(jié)果及驗收資料表明，該技術(shù)可用于探測及劃分煤層變薄帶，其結(jié)果較為清晰直觀，一般雙巷系統(tǒng)進行采集時，布點密集，數(shù)據(jù)量較大，分辨率較高，具有較好的應用價值及應用范圍。

2) 引起介質(zhì)物性差異的地質(zhì)因素多種多樣，因此物探解釋常具有多解性，對不同煤層探測時，地震波CT探測的結(jié)果與實際地質(zhì)情況的吻合程度，需要多次探采資料對比，并結(jié)合物探資料與地質(zhì)資料進行綜合分析及解釋，進一步完善地震波CT解釋技術(shù)，為類似工作面構(gòu)造及煤層變薄帶探測提供重要依據(jù)。

[1] 張平松, 劉盛東. 斷層構(gòu)造在礦井工作面震波CT反演中的特征顯現(xiàn)[J]. 煤炭學報, 2006，31(1):35-39．[2] 劉盛東, 吳軍, 張平松. 地下工程震波技術(shù)與應用[J]. 中國煤炭地質(zhì),2001,13(3):59-61．

[3] 邢慶祝. 地震CT成像技術(shù)中正演模擬技術(shù)的研究與應用[D]. 福州：福州大學,2005:8-9．

[4] 劉盛東, 李承華. 地震走時層析成像算法與比較[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2000, 29(2): 211-214．

[5] ASAKAWA E, KAWANAKA T. Seismic raytracing using linear travel-time interpolation[J].Geophysical Prospecting, 1993,41(1):99-112.

[6] 王書文, 徐圣集, 藍航, 等. 地震CT技術(shù)在采煤工作面的應用研究[J]. 煤炭科學技術(shù), 2012, 40(7):24-27.

[7] 程久龍. 巖體破壞彈性波CT動態(tài)探測試驗研究[J]. 巖土工程學報,2000,22(5):565-568．

[8] 張寧, 韓洪德, 劉曉晨, 等. 地震波CT技術(shù)在煤礦采空區(qū)探測中的應用[J]. 河北工程大學學報(自然科學版), 2008, 25(3):95-97.

[9] 周官群, 劉盛東, 郭立全, 等. 采煤工作面地質(zhì)異常體震波CT探測技術(shù)[J]. 煤炭科學技術(shù), 2007, 35(4):37-40．

[10] 蔡連初, 繆念有. 利用地震波CT技術(shù)精細化探測隧洞間巖溶構(gòu)造[J]. 大壩與安全, 2014(1):57-58.

(責任編輯：李 麗，編輯：丁 寒)

Application of Seismic Wave CT Technology to Getect the Thinning Zone of Coal Seam

PAN Le-xun, REN Chuan, LAN Peng-bo

(Anhui Huizhou Geology Security Institute CO.,LTD, Hefei Anhui 230088, China)

In order to accurately divide the thin coal seam area, in this paper, a series introduction of seismic wave CT technology has been put forward, including basic theory, prospecting methods and data analyzing approach. This technology was used to get such parameters of elastic wave field as first-break, velocity, amplitude and frequency, which makes a significant difference to invert geological structures underground by seismic tomography. Then the principles and results of actual application in detecting thinning zone of coal seam were summarized, in the light of improving accuracy and precision of seismic wave CT technology and providing reference for the detection of thin coal seam under similar conditions.

seismic wave CT; thinning zone of coal seam; tomography; inversion

2015-11-12

潘樂荀(1975-)，男，安徽望江人，高級工程師，本科，研究方向：礦井物探技術(shù)工程應用。

P631.5

A

1672-1098(2016)05-0072-06