掘進煤巷采空區(qū)Rayleigh型槽波超前探測三維數(shù)值模擬研究

呼邦兵，朱國維，劉金鎖，鐘俊峰，龍 波

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

近年來，隨著我國經濟增速放緩，煤炭資源產能過剩，煤礦資源整合逐步完成，由于小煤礦缺少開采圖紙或開采無規(guī)劃，采空區(qū)已經嚴重影響到煤礦巷道和采煤區(qū)的設計布置、煤炭開采的經濟效益與安全生產[1，2]。因此，在煤礦巷道開展超前探測工作，對工作面前方的采空區(qū)、不良地質體等進行準確預測預報是十分必要的。地震超前探測在隧道中應用較多，劉盛東等提出煤礦巷道地震波超前探測(MSP)，采集數(shù)據(jù)時利用多次覆蓋觀測系統(tǒng)，分離出P波并偏移成像來探測掘進面前方斷層、陷落柱、采空區(qū)等不良地質構造[3]。1955年，Evison在新西蘭煤礦首次激發(fā)并接收到槽波[4]。1964年，Kery在理論與實際勘探中證明槽波的存在[5]。20世紀70年代末，Mason和Buchanan開展煤礦反射槽波超前探測斷層的研究[6]。2012年，姬廣忠等實現(xiàn)煤礦井下三維槽波數(shù)值模擬與頻散特征分析[7]。2012年，楊思通等對煤巷小構造Rayleigh型槽波超前探測進行了數(shù)值模擬研究[8，9]。2015年，王季針對反射槽波受干擾波嚴重影響，提出了基于最小平方反褶積的反射槽波增強算法和基于徑向道變換的方法壓制干擾波的方法[10]。2016年，李剛通過三維正演證明了透射槽波探測煤層厚度的可行性[11]。2017年，劉紹偉等對基于SH槽波超前探測進行了研究，并在實際探測中取得良好效果[12]。2018年，蔣錦鵬等對基于槽波的TVSP技術在煤礦巷道中的應用可行性進行了研究，通過理論與數(shù)值模擬研究證明槽波可以實現(xiàn)TVSP超前探測[13]。同年，喬勇虎等利用譜元法模擬計算了含斷層模型Rayleigh型地震槽波的產生、傳播過程[14]。

經過幾十年技術發(fā)展，槽波勘探技術已經取得較成熟發(fā)展。但是目前國內外關于反射槽波超前探測公開的案例較少[10]，反射槽波應用于井下超前探測需要研究其遇到不良地質體的傳播規(guī)律。鑒于此，對采空區(qū)進行三維數(shù)值模擬，研究槽波在該地質條件下的波場特征。

1 槽波超前探測原理

在“巖-煤-巖”地層條件下，煤層屬于典型的低速層。在煤層中激發(fā)體波(包括縱波和橫波)，根據(jù)斯奈爾定律，地震波在頂?shù)装灏l(fā)生多次全反射從而相互疊加、相長干涉形成槽波。槽波形成原理如圖1所示，在A區(qū)體波入射角小于臨界角，部分體波能量透射到頂?shù)装鍘r層中，屬于能量泄露區(qū)；B區(qū)和C區(qū)，體波入射角等于或大于臨界角，故而全反射或者全折射返回煤層，在C區(qū)形成相互疊加、相長干涉槽波[15]。槽波相較于體波而言，傳播距離遠、能量強、頻率高、速度低等特點。槽波僅在煤層中傳播，當遇到不良地質構造時產生反射槽波，利用接收到的反射槽波來進行超前探測。

圖1 槽波形成原理圖

Rayleigh型槽波是由P波、SV波相互干涉、相互疊加形成的干涉波，質點振動方向與煤層面垂直、與傳播方向平行。Rayleigh型槽波形成條件是煤層P波、S波速度小于頂?shù)装鍑鷰r的S波速度[16]。

2 槽波數(shù)值模擬

2.1 三維彈性波數(shù)值模擬原理

采用交錯網格有限差分法模擬三維煤層巷道模型Rayleigh型槽波超前探測地震波場。三維各向同性介質中一階速度-應力彈性波方程見式(1)：

式中，σxx、σyy、σzz分別為X、Y、Z方向的正應力；σxy、σzx、σyz為剪應力；λ、μ為拉梅參數(shù)；ρ為密度；Vx、Vy、Vz分別為質點沿X、Y、Z方向的振動速度；t為傳播時間。

2.2 模型與參數(shù)

為了研究巷道前方采空區(qū)的地震波場特征，設計了一個含煤層和巷道的三維模型如圖2所示，模型在X、Y、Z方向的大小分別為400m×300m×100m，Z方向中間為煤層，煤層厚度為4m，煤層頂?shù)装鍘r性相同；巷道位于煤層中間位置處，長150m(X方向)、寬5m(Y方向)，高4m(Z方向)。采空區(qū)為正方形，邊長為50m，高度等于煤厚，位于巷道迎頭前方100m處，各巖層的彈性參數(shù)見表1。模型在X、Y、Z方向上的網格大小均為0.5m，模型邊界采用PML法吸收邊界，巷道邊界采用AEA法[17]處理。

圖2 三維煤層立體模型圖

表1 模型彈性參數(shù)

震源位置為(50，157，50)，距離巷道壁2m深，采用主頻130Hz的零相位雷克子波爆炸震源。測線平行于巷道掘進方向，與震源位于同一直線上，共101道，道間距為1m，時間采樣率為0.4ms。觀測系統(tǒng)的布置如圖3所示。

圖3 觀測系統(tǒng)剖面圖(Z=50m)

3 三分量地震波場特征與地震記錄

3.1 三分量地震波場空間傳播特征

由X分量40ms、80ms、160ms、260ms波場快照切片圖(圖4)可知：40ms時刻，震源激發(fā)產生縱波、橫波；80ms時刻，體波在傳播過程中，縱波與橫波相互疊加、干涉形成Rayleigh型槽波，體波傳播速度快，首先到達迎頭產生迎頭繞射波或反射波，直達縱波和直達橫波在向前傳播過程中遇到采空區(qū)；160ms時刻，一部分體波發(fā)生反射產生反射波，另一部分體波進入采空區(qū)中并在采空區(qū)腔體內發(fā)生多次反射。Rayleigh型槽波在采空區(qū)邊界產生反射槽波，反射槽波部分能量沿著煤層向巷道迎頭方向傳播。巷道中排列的檢波器首先接收到反射體波，其次接收到反射槽波。

圖4 X分量波場快照Z=50m切片圖

由Y分量40ms、80ms、160ms、260ms波場快照切片圖(圖5)可以看出，波場的傳播方式類似于X分量。40ms時刻，震源激發(fā)產生縱波、橫波。80ms時刻，體波在傳播過程中，SH波相互干涉形成Love型槽波，體波傳播速度快，先到達迎頭產生迎頭繞射波或反射波，直達波已經到達采空區(qū)，并發(fā)生多次反射。160ms時刻，一部分體波發(fā)生反射產生反射波，另一部分體波傳播進入到采空區(qū)中并在采空區(qū)腔體內發(fā)生多次反射。260ms時刻，空間中反射波與采空區(qū)邊界繞射波混雜。

圖5 Y分量波場快照Z=50m切片圖

通過Z分量40ms、80ms、160ms、260ms波場快照切片圖(圖6)可以得出，波場的傳播方式類似于X分量。40ms時刻，震源激發(fā)產生縱波、橫波。80ms時刻，體波已經到達巷道迎頭，并產生繞射波或反射波；直達波已經到達采空區(qū)，并發(fā)生多次反射。體波和直達Rayleigh型槽波繼續(xù)向前傳播，在160ms時刻，一部分體波發(fā)生反射，另一部分體波傳播進入到采空區(qū)中并在采空區(qū)腔體內發(fā)生多次反射。直達槽波在采空區(qū)邊界產生反射槽波。260ms時刻，空間中直達波、反射槽波、繞射波等混雜。

圖6 Z分量波場快照Z=50m切片圖

3.2 三分量合成地震記錄分析

振幅歸一化處理的X、Y、Z分量合成地震記錄如圖7所示。從合成地震記錄中可以清晰地識別各種直達波和采空區(qū)的反射波，而迎頭繞射波能量相對于其它波能量弱，歸一化處理后，在地震記錄上無法識別。

圖7(a)為X分量得到的合成記錄，結合波場快照及模型的時距關系可以分辨出：直達縱波(同相軸1)、直達橫波(同相軸2)、直達槽波(同相軸3)、反射槽波(同相軸4)和采空區(qū)反射縱波(同相軸5)。由于縱波在采空區(qū)內多次反射，故同相軸5波列較寬。同相軸4速度慢、波列寬、能量強，且同相軸4的斜率明顯大于同相軸5，為反射Rayleigh槽波，易于和其他干擾波區(qū)分。

圖7(b)為Y分量得到的合成記錄，結合波場快照及模型的時距關系可以分辨出：直達橫波(同相軸2)、采空區(qū)反射橫波(同相軸6)、直達Love型槽波(同相軸7)。橫波在采空區(qū)內多次反射，反射橫波波列較寬、能量較強。從記錄中未得到反射Love槽波。

圖7(c)為Z分量得到的合成記錄，結合波場快照及模型的時距關系可以分辨出：直達縱波(同相軸1)、直達橫波(同相軸2)、直達槽波(同相軸3)、反射槽波(同相軸4)、采空區(qū)反射縱波(同相軸5)。由于反射槽波波列較寬，可能反射橫波于反射槽波混雜，故反射橫波未見明顯同相軸。如同X分量，體波在采空區(qū)中多次反射，同相軸5波列較寬，但能量較弱；同相軸4的斜率明顯大于同相軸5，速度慢、能量強、同相軸清晰，易于區(qū)分。

根據(jù)上述分析可知，X分量和Z分量接收到的反射Rayleigh型槽波速度最慢，其波至最遲，與其他波時間間隔較大，能量較強，無論在時間域中還是在能量上都容易識別。Y分量無反射Love型槽波?；谝陨戏治?，反射Rayleigh型槽波可以作為識別工作面前方存在采空區(qū)的有效波。

圖7 三分量合成地震記錄

4 結 論

基于礦井地震超前探測理論，利用地震數(shù)值模擬開展巷道迎頭前方采空區(qū)地質異常超前探測技術研究，設計了“巖-煤-巖”三層地質模型，主要得出以下結論：

1)在巷道超前探測采空區(qū)研究不足的基礎上，提出了Rayleigh型槽波超前探測方法，該方法采取后置放炮，在迎頭后方激發(fā)爆炸震源，在震源與迎頭之間布置檢波器的觀測方式。

2)對提出的Rayleigh型槽波超前探測方法進行了數(shù)值模擬研究。研究表明：在煤厚4m，震源頻率130Hz情況下，構造面上產生反射Rayleigh型槽波，能量較強、同相軸較為清晰、易于識別，可以作為構造超前探測的有效波。

3)在三分量地震記錄上，X、Z分量接收反射槽波能量較強，同相軸清晰，反射槽波速度慢，在時間間隔上與其他波差距大，從時間域或能量上都易于區(qū)分。Y分量上可以接收到直達Love型槽波，無反射Love槽波。在巷道前方采空區(qū)的超前探測中，X、Z分量可以有效接收反射Rayleigh型槽波，實現(xiàn)采空區(qū)的超前探測。

4)本文只建立了采空區(qū)位于巷道正前方正演模型，下一步進行采空區(qū)在巷道不同位置以及采空區(qū)不同大小地震超前探測正演模擬研究，研究地震波場在采空區(qū)不同空間位置、不同大小地質條件下的傳播規(guī)律，為利用Rayleigh型槽波超前預測預報采空區(qū)提供參考。