我國主要礦區(qū)典型煤層槽波賦存發(fā)育特征研究

蘇曉云

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層中地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、陷落柱等引發(fā)的水害、瓦斯突出、頂板事故等安全問題層出不窮，槽波地震探測因不受煤礦井下鐵磁物質(zhì)的影響，具有傳播距離大、探測精度高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為超長超寬大型工作面內(nèi)地質(zhì)條件探測的首選手段。但由于槽波的形成有一定條件，而我國從早古生代的腐泥煤到第四紀(jì)的泥炭，共有14個聚煤期，且各個成煤期的成煤環(huán)境和成煤條件也不相同，造成不同地區(qū)各個含煤建造在巖相、構(gòu)造、含煤性及煤質(zhì)均有差異，因此不同地區(qū)、不同煤層中煤層槽波賦存狀況不同[1-6]。

我國主要礦區(qū)煤層槽波賦存發(fā)育特征已經(jīng)有一定的研究基礎(chǔ)，王文德[7]曾在20世紀(jì)90年代研究了不同地區(qū)、不同煤層中煤層槽波賦存狀況。近年來，隨著槽波探測工作在各礦區(qū)的相繼開展，對各個礦區(qū)槽波發(fā)育特征也有了一定的認(rèn)識，如王一[8]對山西陽煤某礦的槽波發(fā)育特征研究發(fā)現(xiàn)，槽波速度為1100m/s；王季[9]研究得出山西朔州大恒煤業(yè)煤層槽波速度為1250m/s，頻率集中在150Hz；李俊堂等[10]研究得出山西太原組15號煤層槽波的主頻為130Hz，速度為1000m/s。張強(qiáng)等[11]對寧夏金家渠煤礦的槽波發(fā)育特征研究發(fā)現(xiàn)槽波主頻為80～160Hz，速度為950m/s，紅柳煤礦槽波主頻為80～160Hz，速度為700m/s；王繼來[12]等對黃陵一號煤礦2號煤層研究發(fā)現(xiàn)槽波速度為950m/s；樂勇[13]對徐州義安煤礦研究發(fā)現(xiàn)槽波主頻為125Hz，速度范圍為800～2300m/s。王季等[14]對淮北青東煤業(yè)的槽波發(fā)育特征研究發(fā)現(xiàn)槽波速度為800～900m/s，白永利[15]對渦北煤礦研究發(fā)現(xiàn)槽波速度為1000m/s，槽波主頻為200Hz。

前人多只針對單個礦區(qū)的研究成果進(jìn)行論述，但同一礦區(qū)槽波賦存發(fā)育特征是否類似，不同礦區(qū)槽波賦存發(fā)育特征有無共同之處，值得進(jìn)一步探究。為此，本文擬對我國主要礦區(qū)不同的煤層賦存特征建立模型，進(jìn)行波場模擬研究，并結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)對比分析，研究我國主要礦區(qū)典型煤層槽波賦存發(fā)育特征，為槽波實(shí)際資料的解釋、分析提供參考依據(jù)。

我國重點(diǎn)建設(shè)的14個億噸級大型煤炭基地中，多數(shù)已經(jīng)開展過槽波探測，槽波的賦存發(fā)育可能與煤層厚度、頂?shù)装鍡l件、成煤時期、煤層埋深等有關(guān)。成煤時期和煤層埋深在地震波數(shù)值模擬中較難實(shí)現(xiàn)，且影響較??；而煤層的槽導(dǎo)水平，在很大程度上取決于煤層的厚度和煤層與上下圍巖波速的差異大小，因此槽波賦存發(fā)育的研究主要應(yīng)當(dāng)針對不同煤層厚度和不同圍巖類型兩方面進(jìn)行正演模擬。

1 不同煤層厚度模型的正演模擬

我國各個區(qū)域均有厚煤層和薄煤層發(fā)育，正演模擬選擇主要礦區(qū)涵蓋的不同煤層厚度數(shù)據(jù)建立模型，以研究不同煤層厚度下槽波發(fā)育的特征。

建立包含巷道的三維層狀模型，模型大小為500m×200m，頂?shù)讎鷰r厚度各10m，中間為煤層，選取2m、5m、9m、15m、27m五種不同厚度，設(shè)計(jì)上巷及下巷兩條巷道，x方向長度500m，y方向長度200m，空間剖分網(wǎng)格間距1m×1m，采樣時間間隔dt=0.25ms，震源為漲縮震源，采用主頻120Hz的雷克子波，同時激發(fā)縱波和橫波。模型介質(zhì)為各向同性彈性介質(zhì)。三維層狀模型、巷道位置、震源及接收序列位置如圖1所示，圖1中圓圈為激發(fā)點(diǎn)，三角形為接收點(diǎn)。單炮記錄及槽波頻散分析結(jié)果如圖2所示。

圖1 槽波傳播特性的數(shù)值模型(煤厚5m為例)

圖2 不同煤層厚度數(shù)值模型單炮及頻散分析

根據(jù)圖2中5種不同模型的槽波單炮發(fā)現(xiàn)：隨著煤層厚度增加，單炮中槽波發(fā)育由集中向分散發(fā)展，發(fā)育程度以5m和9m的煤層厚度槽波發(fā)育最好。頻散曲線對比發(fā)現(xiàn)：隨著煤層厚度增加，多階槽波越發(fā)育(由5m煤厚的2階到27m煤厚的約4階槽波)，槽波頻散曲線越向低頻移動，埃里相頻率范圍越寬，速度范圍更廣。

2 不同圍巖模型的正演模擬

高速圍巖一般為灰?guī)r、砂巖的頂?shù)装鍑鷰r，中速圍巖為砂巖頂泥巖底或泥巖頂砂巖底，低速圍巖一般為全泥巖頂?shù)装?。根?jù)各個礦區(qū)含煤建造特點(diǎn)及槽波實(shí)際探測情況，我國主要礦區(qū)按照煤層圍巖情況大致可劃分為三個區(qū)域：寧陜蒙區(qū)域，山西區(qū)域，中原—華東區(qū)域，分別對應(yīng)高速圍巖、中速圍巖、低速圍巖。但同一礦區(qū)內(nèi)不同煤層的頂?shù)装逡嘤胁煌骋粎^(qū)域(如山西區(qū)域)可能同時存在高速和低速圍巖，因此區(qū)域的劃分存在一定的局限性，但本文僅針對大區(qū)域內(nèi)槽波發(fā)育情況為研究對象，因此仍以上述三個區(qū)域?yàn)榇髤^(qū)域的劃分。

煤系地層的巖石物性參數(shù)見表1，依此建立不同區(qū)域?qū)?yīng)的不同圍巖速度的三維數(shù)值模型進(jìn)行正演模擬，高、中、低三種速度的不同圍巖模型參數(shù)見表2[16-18]。模型大小為500m×200m，煤層厚度5m，圍巖厚度10m，空間剖分網(wǎng)格間距1m×1m，采樣時間間隔dt=0.25ms，震源為漲縮震源，采用主頻120Hz的雷克子波，同時激發(fā)縱波和橫波。模型介質(zhì)為各向同性彈性介質(zhì)。單炮記錄及槽波頻散分析結(jié)果如圖3所示。

表1 煤系地層中巖石物性參數(shù)表

表2 不同圍巖模型參數(shù)表

圖3 不同圍巖數(shù)值模型單炮及頻散分析

對比分析圖3中3種圍巖模型的槽波單炮及頻散曲線，可得槽波埃里相如下特征：①高速、中速圍巖模型中，槽波發(fā)育較好，低速圍巖模型中槽波發(fā)育較弱；②高速圍巖模型中槽波埃里相更為明顯，頻散最為強(qiáng)烈，中、低速圍巖模型中槽波頻散程度依次減弱，且會受其它震波的影響；③高速圍巖模型中槽波埃里相頻率最低，中、低速圍巖模型中槽波埃里相頻率依次增高。

將3種圍巖模型的頻散曲線組合(圖4)后可以看出：圍巖速度越高，埃里相頻率范圍越窄，速度越低，槽波群速度范圍越大；圍巖速度越低，埃里相頻率范圍越寬，速度越高，槽波群速度范圍越小。

圖4 不同圍巖數(shù)值模型頻散分析對比

3 主要礦區(qū)槽波賦存發(fā)育特征

收集了我國主要礦區(qū)的37個煤礦近60個工作面實(shí)際項(xiàng)目資料，見表3(數(shù)據(jù)來源為內(nèi)部項(xiàng)目成果)，對槽波的埃里相速度和頻率、頂?shù)装鍘r性、煤層賦存地層、構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)我國主要礦區(qū)槽波賦存發(fā)育的以下規(guī)律。

3.1 槽波發(fā)育與煤層厚度的關(guān)系

由表3煤層厚度與槽波發(fā)育情況可見：寧陜蒙地區(qū)及山西北部煤層厚度一般在6m以上，槽波發(fā)育良好；其余區(qū)域煤厚一般小于6m，槽波發(fā)育為中等及較差。煤厚小于3m的礦區(qū)包括山西區(qū)域的碾溝礦、曙光礦，富家凹礦，中原-華東區(qū)域的朱莊礦、袁莊礦、薛湖礦、新橋等礦，這些區(qū)域槽波發(fā)育較差。這一結(jié)果與數(shù)值模擬中煤層厚度5m以下槽波能量較弱，5m以上槽波發(fā)育好、頻散特征更明顯一致。

3.2 地域性和地層特征

通過表3可以看出，按照大區(qū)域劃分，在同一大區(qū)域內(nèi)鄰近研究區(qū)的槽波埃里相速度及槽波埃里相頻率相近。

表3 我國主要礦區(qū)煤層槽波賦存發(fā)育特征

中原—華東區(qū)域中，淮北礦區(qū)8座煤礦，所采煤層主要是二疊紀(jì)石盒子組和山西組，槽波波速950～1050m/s，埃里相頻率也在100～200Hz附近。渭北區(qū)域的銅川、彬長、黃陵礦區(qū)，所采煤層大多為侏羅紀(jì)延安組，槽波波速集中在900～1000m/s，埃里相頻率也在100～200Hz范圍內(nèi)。

山西區(qū)域中平朔地區(qū)的大恒煤礦、東坡礦、井工一礦等槽波波速集中在1100～1200m/s，埃里相頻率范圍較寬，在100～300Hz范圍內(nèi)。而太原附近的碾溝煤礦、龍泉煤礦、曙光煤礦槽波波速在1300～1500m/s范圍內(nèi)，陽泉礦區(qū)槽波波速在900～1000m/s范圍內(nèi)。

寧夏寧東礦區(qū)和陜西神府礦區(qū)煤層賦存都為侏羅紀(jì)延安組地層，槽波波速都較低，分布在700～1000m/s范圍內(nèi)。

由此也可以看出在同一大區(qū)域的相同含煤地層中，槽波波速和埃里相頻率變化不大，但同時，不同煤層槽波波速略有不同。

淮北礦區(qū)鄒莊、渦北、朱仙莊三個礦，采集槽波數(shù)據(jù)的工作面所采煤層為石盒子組，槽波波速集中在1000～1050m/s。其余孫疃等礦所采煤層為山西組，槽波波速集中在950～975m/s。但埃里相頻率沒有顯著區(qū)別。

全國范圍內(nèi)，本次收集到的主采煤層賦存為侏羅紀(jì)延安組的有10個煤礦，煤層中發(fā)育的槽波波速都在1000m/s以下，而石炭二疊紀(jì)煤層中發(fā)育的槽波波速相對較高，一般大于1000m/s，但石炭紀(jì)和二疊紀(jì)地層沒有顯著區(qū)別。

因此槽波發(fā)育特征具有明顯的地域性，這主要是因?yàn)橥粎^(qū)域的地層特征較一致。

3.3 槽波波速與頂?shù)装鍘r性的關(guān)系

將表3中的頂?shù)装鍘r性情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得表4，以分析槽波波速與頂?shù)装鍘r性的關(guān)系。由于灰?guī)r與煤層物理性質(zhì)差異相較砂巖更大，故分析時將灰?guī)r與砂巖歸為高速圍巖的同一類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因此主要按照砂巖和泥巖頂?shù)装迩闆r對槽波波速進(jìn)行分類，砂巖中另外分為砂巖頂、砂巖底、全砂巖3種。

表4 不同頂?shù)装宀鄄úㄋ俳y(tǒng)計(jì)

由表4可以看出：當(dāng)頂?shù)装迦珵樯皫r時，槽波波速小于1000m/s的占75%；當(dāng)頂板或底板其中一類為砂巖時，槽波波速小于1000m/s的也為75%，當(dāng)頂?shù)装迦珵槟鄮r時，槽波波速小于1000m/s的占40%。表明頂板巖性為砂巖或含砂巖時，槽波速度一般都小于1000m/s，但頂?shù)装鍨槟鄮r時，槽波速度一般都大于1000m/s，這與正演模擬結(jié)果的圍巖速度越高，槽波埃里相速度越低是相符的。這可能是由于不同頂?shù)装宓奈镄蕴卣髟斐刹鄄ú蹖?dǎo)性不同，高速圍巖與煤層物性差異更大，使得高速圍巖槽導(dǎo)性較好，這種條件下發(fā)育的槽波更接近于槽波本身的低速高頻特征。

3.4 槽波發(fā)育與地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度的關(guān)系

按表3中不同礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度分類來分析槽波賦存發(fā)育程度與地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度的關(guān)系。

根據(jù)采集到的實(shí)際資料，槽波發(fā)育程度寧陜蒙區(qū)域最好，山西區(qū)域次之，中原—華東區(qū)域較差。山西平朔及寧夏寧東、陜西神府等礦區(qū)是槽波發(fā)育最好的區(qū)域，這些區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育相對簡單，而安徽淮北、河南永城礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較為復(fù)雜，槽波發(fā)育程度較差。

地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度對槽波賦存發(fā)育的影響，可能亦是槽波槽導(dǎo)性受構(gòu)造發(fā)育的影響。構(gòu)造發(fā)育較簡單時，槽波發(fā)育所需的頂?shù)装搴兔簩硬蹖?dǎo)條件保存完好，槽波發(fā)育較好；構(gòu)造發(fā)育較復(fù)雜時，槽波發(fā)育所需的頂?shù)装搴兔簩硬蹖?dǎo)條件破壞較為嚴(yán)重，槽波發(fā)育較差。

4 結(jié) 論

槽波的賦存發(fā)育與煤層厚度有關(guān)，煤層厚度范圍為5～9m時，槽波發(fā)育最好；高速、中速圍巖模型中，槽波發(fā)育較好，頻散最為強(qiáng)烈，埃里相頻率低、速度低，群速度范圍較寬。低速圍巖模型中槽波發(fā)育較弱，頻散程度較弱，埃里相頻率高、速度高，群速度范圍較窄。我國不同礦區(qū)的槽波發(fā)育特征呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：①在同一大區(qū)域內(nèi)鄰近研究區(qū)由于地層相近的特點(diǎn)，槽波埃里相速度及頻率相近；②槽波波速與圍巖波速呈反相關(guān)，圍巖速度越高，槽波埃里相速度越低；③礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育與煤層槽導(dǎo)條件有關(guān)，構(gòu)造相對簡單的礦區(qū)槽波發(fā)育較好。