基于透射槽波的采煤工作面陷落柱探測(cè)模擬研究

馬 欣，楊思通，李新鳳，郭曉東，白錦琳，文志杰，張 亮

（1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104；3.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 滕州 271000）

在我國(guó)，煤炭?jī)?chǔ)量要比目前己探明的石油和天然氣儲(chǔ)量高，煤炭在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有支柱性的地位[1]。近30多年來(lái)，煤炭占國(guó)家能源消費(fèi)總量的比重一直保持在65%左右[2]。國(guó)內(nèi)外研究資料表明，煤層內(nèi)陷落柱的存在破壞了煤層及圍巖的穩(wěn)定性，妨礙了機(jī)械化采煤，使開(kāi)采不能正常進(jìn)行[3]；另一方面，陷落柱有可能與地層內(nèi)溶洞等含水構(gòu)造導(dǎo)通，導(dǎo)致突水等災(zāi)害發(fā)生[4-6]。因此，若想保證煤礦安全高效的生產(chǎn)，開(kāi)采之前探明工作面內(nèi)陷落柱的位置與范圍具有重大意義。

根據(jù)Krey的研究表明探測(cè)工作面內(nèi)陷落柱發(fā)育情況的有效手段是透射槽波法[3]。槽波沿煤層傳播，當(dāng)遇到陷落柱等異常地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，槽波的速度和能量將發(fā)生改變。國(guó)內(nèi)探測(cè)陷落柱，一般使用數(shù)值模擬透射槽波法，進(jìn)而采用CT成像技術(shù)研究陷落柱，數(shù)值模擬在前期可以初步預(yù)測(cè)陷落柱的位置，但是數(shù)值模擬與物理模擬相比來(lái)說(shuō)比較抽象，誤差也較多。

基于透射法原理，采用聲波探測(cè)技術(shù)，使用三維相似材料的物理模型，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模擬煤礦井下陷落柱，觀察分析槽波在其傳播過(guò)程中，波速和振幅的變化。該方法可以實(shí)現(xiàn)微小版物理模型高精度地震波場(chǎng)物理模擬實(shí)驗(yàn)，消耗人力物力少，成本低，采集數(shù)據(jù)更簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，為前期的野外物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M節(jié)省大量成本，有助于現(xiàn)場(chǎng)槽波地震探測(cè)的深入研究，而且相比較于數(shù)值模擬來(lái)說(shuō)誤差少得多，更具有可靠性。

1 原理

1.1 透射槽波原理

在巖-煤-巖地層中，與上下圍巖相比煤層密度小、速度低，是1個(gè)典型的低速夾層，煤層與頂?shù)装鍘r層界面都是1個(gè)極強(qiáng)的波阻抗分界面，非常有利于波的傳播。在煤層中激發(fā)震源，由惠更斯原理知地震波以球面波向四周傳播，其中向頂?shù)装鍌鞑サ牟糠值卣鸩ㄓ捎诔霈F(xiàn)全反射而以低速沿著煤層向前傳播，在煤層中相互疊加干涉，即槽波[7-8]（圖1）。

圖1 槽波形成示意圖

一般在1條巷道的煤壁內(nèi)激發(fā)震源，而在另外1條巷道的煤壁內(nèi)接收槽波，檢波器探頭接受到的波主要為透射波，故而稱(chēng)為透射槽波探測(cè)技術(shù)。透射法原理圖如圖2。檢波器和炮孔均布置在煤層的中間位置。布置好后，在每個(gè)炮孔中安放震源并依次激發(fā)。槽波傳播路徑中如果遇到陷落柱，其形成槽波的條件發(fā)生改變，使得槽波的能量減弱。故可以通過(guò)分析接收到的槽波數(shù)據(jù)其振幅、能量、頻率等因素的變化，探查工作面內(nèi)陷落柱[9]。

圖2 透射法原理圖

1.2 裝置原理

本次實(shí)驗(yàn)為室內(nèi)物理模擬，用小型聲發(fā)射儀器和聲發(fā)射探頭模擬野外震源，接受探頭模擬野外檢波器。聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖3。由聲發(fā)射儀器發(fā)射的彈性波傳播到達(dá)材料的表面，經(jīng)聲發(fā)射探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，引起材料的表面位移，這些被探測(cè)器探測(cè)到并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)放大器放大，進(jìn)入AE系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄和處理，根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號(hào)的信息以及材料聲學(xué)特性進(jìn)行分析與推斷，以了解材料內(nèi)部構(gòu)造。

圖3 實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射檢測(cè)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 制作物理模型

本次制作的模型是含有陷落柱的“巖-煤-巖”3層層狀介質(zhì)模型[10]，規(guī)格為：0.15 m×0.15 m×0.3 m，上層和下層模擬頂?shù)装鍑鷰r，中間模擬煤層（圖4），陷落柱為頂板圍巖充填。根據(jù)煤層和圍巖的密度、波速差異，選擇了煤粉、石膏、水泥等作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突静牧?。在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多次配比實(shí)驗(yàn)，最終制作成功相似物理模型。煤粉、石膏、水泥和水的均勻混合物模擬煤層，其配比的質(zhì)量比例為：煤粉∶石膏∶水泥∶水=1.0∶1.0∶0.3∶1.5。白水泥和水均勻混合模擬頂?shù)装鍑鷰r，白水泥和水的最大配比為3.45∶1，其波速和密度與煤層和圍巖相似。陷落柱為邊長(zhǎng)50 mm的正方體，制作位置在煤層正中間，各個(gè)部分的密度見(jiàn)表1。

圖4 物理模型結(jié)構(gòu)示意圖

表1 試件各部分密度

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

由于室內(nèi)測(cè)量對(duì)象相比野外測(cè)量對(duì)象小，而且穿透距離也較小，要求儀器具有較高的頻率和靈敏度，以及時(shí)間分辨能力。實(shí)驗(yàn)使用PAC公司的聲發(fā)射檢測(cè)儀器系統(tǒng)、AEwin軟件以及作為震源的RIGOL聲波發(fā)射器（圖5）。根據(jù)物理模擬的相似原理，選擇合適的聲波頻率，以可控頻率振幅和可選子波的聲波發(fā)射儀激發(fā)振動(dòng)模擬槽波激發(fā)震源。選用的固定頻率為200 kHz，發(fā)射聲波為超聲波，符合要求。

圖5 實(shí)驗(yàn)儀器及試件實(shí)拍圖

利用透射法在煤層物理模型中采集槽波數(shù)據(jù)，模擬采煤工作面內(nèi)陷落柱槽波探測(cè)裝置。故聲波發(fā)射探頭與接收探頭的布置在物理模型的表面與煤中間層面的交叉面上。模擬陷落柱位置以及建立觀測(cè)系統(tǒng)如圖6。

圖6中，S為聲波發(fā)射端，G為聲波接收端。中間邊長(zhǎng)50 mm的正方體為陷落柱。

2.3 數(shù)據(jù)采集

聲發(fā)射系統(tǒng)圖如圖7。采用PAC公司的聲發(fā)射檢測(cè)儀器系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

圖6 觀測(cè)系統(tǒng)圖

圖7 聲發(fā)射系統(tǒng)圖

3 選取部分通道進(jìn)行透射數(shù)據(jù)分析

3.1 通過(guò)透射槽波數(shù)據(jù)求能量衰減系數(shù)

槽波能量衰減系數(shù)和傳播長(zhǎng)度的關(guān)系為：

式中：E0為槽波在震源處的振幅值，dB；x為槽波的傳播距離，m；Ex為槽波傳播x米之后的振幅值，dB；β為煤層的槽波能量衰減系數(shù)。

距離x已知，收發(fā)探頭對(duì)接時(shí)即x可以看成等于0時(shí)接收到的聲波振幅為E0。實(shí)驗(yàn)所做物理模型的煤層可以看作是均質(zhì)體，默認(rèn)透射槽波在煤層中的衰減系數(shù)是定值，計(jì)算出透射槽波在各通道的衰減系數(shù)（通道以發(fā)射探頭和接受探頭的位置編號(hào)命名，如1-1，前面的1代表發(fā)射探頭的位置編號(hào)S1，后面的1代表接收探頭的位置編號(hào)G1）。若通道衰減系數(shù)較大的說(shuō)明該通道穿過(guò)陷落柱。

選取的部分通道衰減系數(shù)見(jiàn)表2。由表2分析，通道5-5與7-7超聲波均是只經(jīng)過(guò)煤層，排除掉實(shí)驗(yàn)試件由于人為誤差造成的不完全均勻以及采集數(shù)據(jù)中存在的誤差，衰減系數(shù)可看作相等，通道6-6與5-5、7-7槽波傳播距離相等，因?yàn)榻?jīng)過(guò)高阻體陷落柱，衰減系數(shù)急劇增大。

3.2 通過(guò)透射槽波數(shù)據(jù)分析速度

通道5-5、6-6與7-7振幅與時(shí)間波形圖如圖8。

表2 選取的部分通道衰減系數(shù)

圖8 通道5-5、6-6與7-7振幅與時(shí)間波形圖

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖8可得縱波穿過(guò)煤層到達(dá)探頭時(shí)間為tp=89 ms，則速度vp=1 685.4 m/s?？v波穿過(guò)陷落柱到達(dá)探頭時(shí)間為tpx=81 ms，則速度vpx=1 851.9 m/s。6-6中的縱波波至速度之所以大于5-5和7-7中縱波波至速度，是因?yàn)椴皇羌兠簩?，里面含有非煤質(zhì)高速體。6-6波形的振幅明顯小于5-5和7-7的振幅，同樣的傳播距離，6-6能量衰減更多，故6-6穿過(guò)陷落柱。

3.3 利用SPWVD通過(guò)透射槽波數(shù)據(jù)分析能量

平滑偽魏格納威利分布（Smoothed Pseudo Wigner-Ville distribution，SPWVD）時(shí)頻分析方法可以描述出在槽波能量密度和強(qiáng)度[11]。表達(dá)式為[12]：

式中：x（t）為波形數(shù)據(jù)；x*（t）為 x（t）的共軛矩陣；τ為信號(hào)的時(shí)間延遲，s；f為信號(hào)的頻率，Hz；t為時(shí)間序列，s；h（τ）為窗函數(shù)；g（t）為頻率有限支集函數(shù)；h（τ）和 g（t）均為實(shí)偶函數(shù)，且 h（0）=g（0）=1。

通道數(shù)據(jù)經(jīng)SPWVD處理后得到時(shí)頻圖（圖9），由圖9可知，探頭對(duì)接是初始能量，此時(shí)可以看作還沒(méi)有能量損耗。6-6通道的能量比通道5-5與7-7低了約20～30倍，比初始能量低了10 000多倍。6-6通道接受到的能量小，能量損耗大，故經(jīng)過(guò)陷落柱。

4 綜合各通道槽波的透射數(shù)據(jù)分析陷落柱的位置

圖9 探頭對(duì)接數(shù)據(jù)、通道5-5、6-6與7-7數(shù)據(jù)經(jīng)平滑偽魏格納威利分布（SPWVD）處理得到時(shí)頻圖

利用接收到的各通道的透射槽波數(shù)據(jù)，計(jì)算出各通道的振幅能量衰減系數(shù)；利用時(shí)間-振幅的波形信息，提取出各個(gè)通道上波形，分析波速；使用SPWVD時(shí)頻處理方法分析透射槽波數(shù)據(jù)得到各個(gè)通道上的能量值。綜合以上數(shù)據(jù)，槽波能量值較小，能量衰減系數(shù)較大以及波速大約為1 800 m/s的區(qū)域，即為陷落柱的大致區(qū)域范圍以及位置。成果圖如圖10。

通過(guò)對(duì)個(gè)通道進(jìn)行分析，得到灰色區(qū)域?yàn)橄萋渲咨珔^(qū)域?yàn)槊簩?。由圖10可以看出，圖中灰色區(qū)域和陷落柱基本吻合。

圖10 成果圖

5 結(jié)語(yǔ)

1）使用PAC聲發(fā)射檢測(cè)儀器系統(tǒng)和RIGOL聲波發(fā)射器作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，選擇適當(dāng)配比的煤粉、石膏、水泥為原料設(shè)計(jì)“巖-煤（含陷落柱）-巖”3層模型來(lái)研究含陷落柱煤層是具有普遍性的。

2）通過(guò)槽波透射數(shù)據(jù)求能量衰減系數(shù)，通過(guò)槽波透射數(shù)據(jù)分析波形，分析速度，通過(guò)槽波透射數(shù)據(jù)利用偽魏格納威利分布（SPWVD）分析能量來(lái)探測(cè)煤層陷落柱是可行有效的。

3）建議利用成熟的物理模擬研究體系進(jìn)一步探究煤層內(nèi)部其他構(gòu)造。