薄煤層透射槽波探測技術(shù)及應(yīng)用

楊 輝

薄煤層透射槽波探測技術(shù)及應(yīng)用

楊 輝

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為提高透射槽波探測技術(shù)在薄煤層中對斷層的解釋精度，根據(jù)槽波在薄煤層中吸收衰減嚴重，傳播距離近的特點，提出采用槽波最遠傳播距離來約束CT成像的方法。通過理論推導(dǎo)，研究不同煤層厚度條件下槽波頻率的變化情況；以1.5 m煤層為主要研究對象，正演模擬槽波的衰減特性，確定1.5 m煤層中槽波的有效傳播距離為300 m。對山東某礦15號煤層的槽波資料，應(yīng)用該技術(shù)CT成像，解釋的斷層和巷道揭露推斷的斷層位置基本吻合。結(jié)果表明：對1.5 m煤層的槽波資料處理時，以300 m為最大有效傳播距離，對實際數(shù)據(jù)進行能量衰減成像，提高了槽波CT成像質(zhì)量和解釋精度。該方法可為薄煤層槽波探測技術(shù)提供借鑒意義。

薄煤層；透射槽波；能量衰減；速度濾波；斷層；CT成像

隨著煤礦機械化開采程度的不斷提高，迫切需要在工作面回采前對隱伏構(gòu)造進行探查，以避免因構(gòu)造落實不清而造成的災(zāi)難性事故[1]。三維地震勘探技術(shù)雖已成為地面構(gòu)造探測的首選方法，但受其分辨率的限制，難以探明這些小構(gòu)造。尤其是當(dāng)煤層厚度較薄時，3 m左右的小斷層往往也會對工作面的回采造成嚴重影響。近年來，煤礦井下探測技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是以槽波探測為主要技術(shù)手段，已成為煤礦井下高精度構(gòu)造探測的首選技術(shù)[2]。煤礦井下透射槽波探測技術(shù)優(yōu)勢明顯，具有探測距離遠、不受井下電磁環(huán)境的干擾，可以查明直徑大于20 m的陷落柱，落差大于1/2 煤厚的斷層，圈定煤層變薄區(qū)的范圍、采空巷道等異常，在許多煤礦已得到實際資料的驗證，取得了良好的地質(zhì)效果[3-7]。這得益于對槽波技術(shù)認識的不斷深入，何文欣[8]利用槽波波速來識別速度異常體；金丹等[9]采用極化濾波方法對槽波信號進行增強，提高了槽波成像質(zhì)量；姬廣忠等[10]采用槽波衰減系數(shù)成像法對工作面內(nèi)部異常構(gòu)造進行探測；姬廣忠等[11]對含垂直裂隙HTI煤層介質(zhì)槽波頻散特征進行初步研究。但是，槽波探測也有其適定性問題，其探測效果受多方面因素的制約，煤厚、煤巖物性條件、夾矸、構(gòu)造和煤層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度都對槽波探測的效果有直接影響。一般而言，在中厚煤層(厚度大于3.0 m及以上)探測效果最好，薄煤層效果次之[12]。

目前，槽波探測工程實例[13-17]大多在中厚煤層中進行，較少有人開展薄煤層槽波的頻散特性與地質(zhì)異常探測之間的關(guān)聯(lián)研究[18]，尤其是含異常構(gòu)造時煤層內(nèi)Love型槽波傳播規(guī)律，更缺乏探測實例。H. Rueter等[19]按透射法計算Love型槽波合成記錄，其研究表明，當(dāng)槽波傳播距離小于250 m時，埃里震相始終很強，當(dāng)傳播距離大于250 m以后，隨著傳播距離的增大，埃里相則迅速衰減。近年來，在槽波的研究文獻中，僅楊真等[20]研究了0.9 m薄煤層SH型槽波頻散特征及波形模式，認為薄煤層中槽波在頻率域中存在兩個不連續(xù)的波段，尚未見其他研究成果。在我國許多礦區(qū)(東部礦區(qū)、兩淮地區(qū)等)都存在著大量的煤層厚度小于2.0 m的情況，這就需要對薄煤層中槽波探測效果進行分析，以證實其探測的有效性。因此，筆者以山東某礦15號煤層(平均厚度1.5 m)為研究對象，針對薄煤層中槽波發(fā)育差、傳播距離近的實際情況，采用相應(yīng)的技術(shù)手段，開展1.5 m煤層槽波探測成像質(zhì)量及探測效果研究。

1 薄煤層透射槽波探測技術(shù)

1.1 不同煤厚時槽波的Airy頻率變化情況

槽波傳播距離的遠近受多種因素影響，如震源能量強弱，煤層與其頂?shù)讎鷰r的物性、Q值、煤厚、煤層內(nèi)構(gòu)造和非構(gòu)造地質(zhì)破壞情況、裂隙發(fā)育程度、煤層夾矸、人為干擾等。排除構(gòu)造與非構(gòu)造因素、人為干擾和震源能量等因素以外，槽波在傳播過程中主要受煤層厚度和煤巖結(jié)構(gòu)影響，煤巖結(jié)構(gòu)是煤層與其頂?shù)讎鷰r物性的客觀反映，存在一定的地區(qū)差異。槽波的優(yōu)勢能量集中在Airy相附近，本次重點分析不同煤厚情況下，槽波的頻散特征。因此，設(shè)計3層對稱模型，中間層是煤層，煤層中部均含0.2 m夾矸。煤層頂、底板圍巖物性相同，縱波速度均為4 000 m/s，橫波速度均為2 300 m/s，密度2.7 g/cm3；煤層縱波速度 2 200 m/s，橫波速度為1 300 m/s，密度為1.3 g /cm3。假定煤層頂?shù)装逦镄韵嗤曳€(wěn)定不變，正演計算煤層厚度為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m時的槽波頻散曲線。

理論計算出的頻散曲線如圖1所示，從圖1可以看出，煤層厚度變化對Love型槽波頻散特征影響較大，隨著煤層厚度的減小，槽波的Airy相頻率逐漸升高，如5.0 m煤厚的槽波Airy相頻率在110 Hz；2.0 m煤厚的槽波Airy相頻率在290 Hz，1.0 m煤厚的槽波Airy相頻率在550 Hz左右。

圖1 不同煤層厚度時的頻散曲線

頻率越高，介質(zhì)的吸收衰減越嚴重，地震波傳播的距離越近。因此，隨著煤層厚度的變薄，槽波Airy相的傳播距離也越近。而實際介質(zhì)并非理想的完全彈性介質(zhì)，加之“巖–煤–巖”結(jié)構(gòu)上的差異，槽波施工一般采用炸藥震源，分量接收方式進行，采集到的槽波數(shù)據(jù)的頻散曲線與理論計算結(jié)果存在一定差異，槽波的Airy相頻率會向低頻移動，能量主要集中大于Airy相頻率的某一個頻帶范圍內(nèi)。如山西某礦山西組3號煤，平均煤厚2.2 m，實際槽波Airy相頻率在220 Hz，如圖2a所示，能量主要集中在240~380 Hz的頻帶范圍內(nèi)；淮北某礦10號煤，平均煤厚2.8 m，槽波Airy相頻率在180 Hz，如圖2b所示，能量主要集中在190~380 Hz的頻帶范圍內(nèi)。

圖2 不同礦區(qū)采集的槽波頻散曲線

1.2 1.5 m煤層中槽波的衰減程度分析

由槽波的傳播理論可知，槽波能量與介質(zhì)能量衰減系數(shù)和傳播距離的關(guān)系為：

圖3 1.5 m煤厚槽波合成記錄及其能量衰減曲線

理論模擬數(shù)據(jù)無噪聲影響，而在實際資料中，還需充分考慮噪聲對槽波信號的影響，只有在信噪比較高、資料可信的情況下，才能對槽波的衰減進行分析。以本次探測實例數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取槽波較為發(fā)育的單炮資料進行分析(圖4)。圖4a為實際數(shù)據(jù)提取的共接收點道集，通過分析、拾取槽波傳播不同距離后的實際振幅值，并計算其與震源處槽波能量的比值，即值，繪制與的關(guān)系，如圖4b所示。由圖4a可以看出，隨著槽波傳播距離的增大，槽波能量逐漸減弱，直至槽波能量與背景噪聲完全混合，無法區(qū)分。當(dāng)槽波傳播距離小于250 m時，槽波能量肉眼上無明顯減弱，可有效識別槽波；當(dāng)槽波傳播距離大于250 m且小于340 m時，槽波能量衰減較快，但仍能有效識別；當(dāng)槽波傳播距離大于400 m時，槽波已衰減至無法識別，或與背景完全混淆。這說明在實際資料中，當(dāng)槽波傳播距離大于350 m時，資料已變得不可信。從圖4b可以看出，當(dāng)槽波傳播距離約為300 m時，槽波的振幅與初始振幅的比值接近2%，距離大于300 m時，能量衰減很快，數(shù)據(jù)已變得不可信。

圖4 實際槽波記錄(濾波后)及其能量衰減曲線

1.3 槽波CT成像技術(shù)

層析成像技術(shù)又稱CT(Computerized tomography)技術(shù)，早先是醫(yī)學(xué)界用X射線或超聲波為病人迅速診斷而發(fā)展起來的一種成像方法。后來，該技術(shù)被引入到地球物理領(lǐng)域，開始應(yīng)用于研究地球內(nèi)部構(gòu)造及天然地震等。目前，基于槽波能量的CT成像方法主要是利用槽波衰減系數(shù)屬性進行CT成像。當(dāng)槽波遇到斷層等構(gòu)造影響，槽波能量會發(fā)生劇烈變化，在消除因震源和檢波器耦合影響后，利用槽波能量衰減系數(shù)屬性對目標區(qū)進行CT成像，以反映目標區(qū)內(nèi)異常構(gòu)造的位置等參數(shù)。

2 應(yīng)用實例

2.1 工作面概況

山東某工作面走向長度約950 m，寬度120 m，開采15號煤層，煤層賦存穩(wěn)定，厚度1.4~1.6 m，平均1.5 m，中間含20~30 cm的夾矸。主要受斷層構(gòu)造影響，兩巷道揭露斷層4條，對工作面回采均有較大影響。槽波探測測線沿運輸巷、切巷和軌道巷布置，似“U”型，炮間距為20 m，道間距10 m。

2.2 數(shù)據(jù)分析

當(dāng)槽波在正常煤層傳播時，槽波能量強，當(dāng)遇到斷層等構(gòu)造遮擋時，槽波能量會減弱。若斷層斷距大于煤層厚度，槽波無法穿透。通過對實際資料的分析，估算出縱橫波速度等參數(shù)，計算槽波頻散曲線，如圖5所示，煤厚為1.5 m的槽波Airy相頻率在200 Hz附近，其能量主要集中在190~310 Hz的頻帶范圍內(nèi)。據(jù)此對槽波進行必要的處理，以突出槽波信號，壓制其他類型的干擾波。

圖5 透射槽波頻散分析

2.3 成像結(jié)果及分析

選取適宜的參數(shù)對槽波數(shù)據(jù)進行一致性校正、能量補償、速度濾波等處理后，即可對數(shù)據(jù)進行CT成像。紅黃色區(qū)域代表槽波能量衰減大，為異常區(qū)域。考慮到探測工作面煤層厚度較薄，槽波能量衰減嚴重。首先，對記錄上的槽波進行有效識別；其次，通過分析槽波記錄中炮點到接收點的距離，并對槽波的傳播距離進行統(tǒng)計；最后，選取適宜的槽波傳播距離來約束CT成像結(jié)果。本探測實例中，槽波最大的傳播距離約為350 m(僅個別位置)，大部分單炮上槽波的傳播距離為300 m左右，因此，選取=300 m為約束條件，即當(dāng)炮點到接收點的距離大于300 m的接收道不參與計算，提高成像時可信射線數(shù)量，減小槽波在薄煤層中衰減因素的影響，突出了構(gòu)造因素產(chǎn)生的槽波能量異常，約束槽波傳播距離后的CT成像結(jié)果(圖6b)，并與未進行距離約束的成像結(jié)果(圖6a)相比，圖6b中異常能量更加聚焦，所反映的異常形態(tài)也更加清晰。在CT成像時，成像網(wǎng)格定義為5 m×5 m，將工作面進行網(wǎng)格剖分，在不加距離約束的條件下，最高射線密度達430次，大部分射線密度大于130次，而增加距離約束后，最高射線密度達140次，大部分射線密度約80次以上?？偟纳渚€密度降低了，但從成像結(jié)果來看，在增加距離約束后的CT成像結(jié)果異常形態(tài)更聚焦、更清晰，正是因為提高了有效射線數(shù)量、減少了遠道對槽波異常產(chǎn)生干擾的原因。根據(jù)槽波CT成像中的異常特征，結(jié)合巷道實見斷點解釋工作面內(nèi)部沿巷道走向的隱伏斷層5條和與工作面斜交的斷層4條，對于靠近巷道的異?？紤]是由于施工時機械和人為干擾造成，未予解釋。

圖6 槽波CT成像結(jié)果及構(gòu)造解釋

2.4 驗證情況

本工作面開采15號煤層，上覆11號煤層(距離15號煤層約40 m)已開采完畢，將其開采過程中實見斷層根據(jù)傾角向下進行地質(zhì)推測，其推斷位置如圖6b紅色所示，其推斷位置與槽波解釋斷層位置吻合較好，說明該斷層在空間上已延伸到15號煤層，說明增加距離約束后，槽波CT成像結(jié)果更可靠。

3 結(jié)論

a.通過理論分析，確定槽波在1.5 m煤層中的有效傳播距離為300 m，以此為約束條件對山東某礦的槽波資料進行CT成像，顯示采用槽波最大傳播距離約束CT成像的方法是可行的，斷層解釋精度較高，位置可靠，為礦區(qū)安全開采提供了基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

b. 該方法與常規(guī)衰減系數(shù)成像相比，能夠減小介質(zhì)吸收衰減因素的影響，突出構(gòu)造因素形成的槽波異常，克服了衰減系數(shù)成像方法在薄煤層中的受限問題。

c.受槽波傳播距離的影響，有效射線密度降低，規(guī)模較大的走向斷層會對成像結(jié)果產(chǎn)生較大影響，且對于垂直工作面走向的斷層難于識別。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進行交流

[1] 程建遠，朱夢博，王云宏，等. 煤炭智能精準開采工作面地質(zhì)模型梯級構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報，2019，44(8)：2285–2295. CHENG Jianyuan，ZHU Mengbo，WANG Yunhong，et al. Cascade construction of geological model of longwall panel for intelligent precision coal mining and its key technology[J]. Journal of China Coal Society，2019，44(8)：2285–2295.

[2] 程建遠，聶愛蘭，張鵬. 煤炭物探技術(shù)的主要進展及發(fā)展趨勢[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(6)：136–141. CHENG Jianyuan，NIE Ailan，ZHANG Peng. Outstanding progress and development trend of coal geophysics[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(6)：136–141.

[3] 王季，李建政，吳海，等. 透射槽波能量衰減系數(shù)成像與陷落柱探測[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(1)：108–111. WANG Ji，LI Jianzheng，WU Hai，et al. Tomography of transmission in-seam wave attenuation coefficient and detection of collapse columns[J]. Coal Science and Technology，2015，43(1)：108–111.

[4] 李剛. 煤礦井下工作面內(nèi)隱伏斷層透射槽波探測技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(5)：142–145. LI Gang. Detection technique of transmission in-seam wave for concealed fault in working face of underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(5)：142–145.

[5] 姬廣忠，楊建華，張廣學(xué)，等. 槽波振幅衰減系數(shù)CT成像技術(shù)應(yīng)用[J]. 中國煤炭地質(zhì)，2015，27(9)：75–78. JI Guangzhong，YANG Jianhua，ZHANG Guangxue，et al. Application of in-seam wave amplitude attenuation coefficient CT imaging technology[J]. Coal Geology of China，2015，27(9)：75–78.

[6] 任亞平. 槽波地震勘探在煤礦大型工作面的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2015，43(3)：102–104. REN Yaping. Application of ISS in supper large coal face[J]. Coal Geology & Exploration，2015，43(3)：102–104.

[7] 呂華新，崔偉雄，伏正清，等. 采煤工作面槽波相對透射系數(shù)層析成像技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2017，45(3)：147–150. LYU Huaxin，CUI Weixiong，F(xiàn)U Zhengqing，et al. Tomography technique of relative transmission coefficient of in-seam wave in coal mining face[J]. Coal Geology & Exploration，2017，45(3)：147–150.

[8] 何文欣. 槽波波速CT成像技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2017，44(1)：49–52. HE Wenxin. CT tomography technology of In-seam wave velocity and its application[J]. Mining Safety & Environmental Protection，2017，44(1)：49–52.

[9] 金丹，王保利，豆旭謙，等. 頻率域極化濾波在槽波信號處理中的應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報，2018，43(5)：1416–1422. JIN Dan，WANG Baoli，DOU Xuqian，et al. Application of polarization filtering in frequency domain to in-seam wave processing[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(5)：1416–1422.

[10] 姬廣忠，程建遠，胡繼武，等. 槽波衰減系數(shù)成像方法及其應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報，2014，39(增刊2)：471–475. JI Guangzhoang，CHENG Jianyuan，HU Jiwu，et al. In-seam wave imaging using attenuation coefficient: method and application[J]. Journal of China Coal Society，2014，39(S2)：471–475.

[11] 姬廣忠，魏久傳，楊思通，等. HTI煤層介質(zhì)槽波波場與頻散特征初步研究[J]. 地球物理學(xué)報，2019，62(2)：789–801. JI Guangzhong，WEI Jiuchuan，YANG Sitong，et al. Preliminary study on wave field and dispersion characteristics of channel waves in HTI coal seam medium[J]. Chinese Journal of Geophysics，2019，62(2)：789–801.

[12] 劉天放，潘東明，李德春，等. 槽波地震勘探[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994. LIU Tianfang，PAN Dongming，LI Dechun，et al. Channel wave seismic exploration[M]. Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，1994

[13] 樂勇，王偉，申青春，等. 槽波地震勘探技術(shù)在工作面小構(gòu)造探測中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2013，41(4)：74–77. LE Yong，WANG Wei，SHEN Qingchun，et al. Application of ISS in detection of small structures in working face[J]. Coal Geology & Exploration，2013，41(4)：74–77.

[14] 武延輝. 煤礦槽波地震技術(shù)在淮南礦區(qū)的試驗研究[J]. 煤炭與化工，2018，41(4)：68–71. WU Yanhui. Experimental study of coal seam wave seismic technology in Huainan mining area[J]. Coal and Chemical Industry，2018，41(4)：68–71

[15] 衛(wèi)金善，竇文武. 槽波探測技術(shù)在晉城礦區(qū)3#煤層的應(yīng)用與思考[J]. 中國煤炭，2017，43(11)：47–50. WEI Jinshan，DOU Wenwu. Application and thought of slot wave detection technology in No.3 coal seam of Jincheng mining area[J]. China Coal，2017，43(11)：47–50.

[16] 任亞平. 槽波地震勘探在煤礦大型工作面的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2015，43(3)：102–104. REN Yaping. Application of ISS in super large coal face[J]. Coal Geology & Exploration，2015，43(3)：102–104.

[17] 趙朋朋. 槽波透射與反射聯(lián)合勘探在小構(gòu)造探測中的應(yīng)用[J]. 煤炭工程，2017，49(5)：47–50.

ZHAO Pengpeng. Application of ISS transmission and reflection method in detection of small structures[J]. Coal Engineering，2017，49(5)：47–50.

[18] 程建遠，姬廣忠，朱培民. 典型含煤模型Love型槽波的頻散特征分析[J]. 煤炭學(xué)報，2012，37(1)：67–72. CHENG Jianyuan，JI Guangzhong，ZHU Peimin. Love channel-waves dispersion characteristic analysis of typical coal models[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：67–72.

[19] RUETER H，SCHEPERS R. In-seam seismic methods for detection of discontinuities applied on West German coal deposits[J]. Coal Exploration 2，Proc. of 2ndInternational Coal Exploration Symposium，1979：267–293.

[20] 楊真，馮濤，WANG Shugang. 0.9 m薄煤層SH型槽波頻散特征及波形模式[J]. 地球物理學(xué)報，2010，53(2)：442–449. YANG Zhen，F(xiàn)ENG Tao，WANG Shugang. Dispersion characteristics and wave shape mode of SH channel wave in a 0.9 m-thin coal seam[J]. Chinese Journal of Geophysics，2010，53(2)：442–449.

Detection technique and application of transmission in-seam wave in thin coal seam

YANG Hui

(Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an710077,China)

Aiming at the problem of serious attenuation of channel wave in thin seam and its limited distance of propagation, a method of restricted CT imaging was proposed by using the furthest in-seam wave propagation distance. Firstly, the variation of in-seam wave frequency with different thickness of coal seam was studied by theoretical derivation. Taking a 1.5m thin seam as the main research object, the attenuation characteristics of channel wave were simulated by forward modeling, and the effective propagation distance of channel wave was determined. The actual data of No. 15 coal seam in a coal mine in Shandong Province shows that the channel wave propagation distance is about 300 m. For the in-seam wave data of seam 15 in a coal mine in Shandong Province, the fault position interpreted from CT imaging using the technology coincided basically with that exposed by roadway. When processing the in-seam wave data of 1.5 m thick coal seam, with 300 m of propagation distance as the constraint condition to conduct the energy attenuation imaging on actual data, the channel wave CT imaging quality and interpretation accuracy were improved. This method takes into account the propagation characteristics of channel waves in thin coal seam, reduces the influence of attenuation, and highlights the anomalies caused by structural factors. It is useful for the development and application of thin seam channel wave detection technology.

thin coal seam; transmission in-seam wave; energy attenuation; velocity filtering; fault; CT imaging

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.025

1001-1986(2020)03-0176-06

2019-10-22；

2020-05-07

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0807804)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2019XAYMS28，2019XAYMS29)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS28，2019XAYMS29)

楊輝，1981年生，男，陜西藍田人，碩士，副研究員，研究方向為煤田三維地震及礦井槽波地震勘探. E-mail：yanghui@ cctegxian.com

楊輝. 薄煤層透射槽波探測技術(shù)及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：176–181.

YANG Hui. Detection technique and application of transmission in-seam wave in thin coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：176–181.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)