礦井地震超前探測全波場數(shù)值模擬及波場特征分析

唐申強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400039)

1 引 言

礦井掘進(jìn)巷道前方的隱伏斷層、局部構(gòu)造破碎帶、巖溶陷落柱、采空區(qū)等不良地質(zhì)體是礦井采掘活動(dòng)中的主要災(zāi)害地質(zhì)體，在巷道掘進(jìn)之前采用地質(zhì)勘察技術(shù)超前探測此類隱伏地質(zhì)構(gòu)造的分布情況，可以有效地避免礦井突水、坍塌、煤與瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生或減輕災(zāi)害帶來的損失[1]。礦井掘進(jìn)巷道前方災(zāi)害地質(zhì)體的探測與隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基本類似，通過借鑒國內(nèi)外隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的先進(jìn)技術(shù)與理念，礦井超前探測逐漸形成了以地質(zhì)分析方法和地球物理探測方法為代表的兩大技術(shù)體系[2]。

工程實(shí)踐表明，地震波反射法、電磁法和鉆探法是礦井超前探測的三類行之有效的地球物理探測方法，其中地震波反射法探測距離遠(yuǎn)、異常界面定位準(zhǔn)確、不受金屬體和電流干擾，是一種備受關(guān)注的地球物探超前探測方法。地震波反射法是利用人工激發(fā)的地震波在煤巖體波阻抗差異界面所產(chǎn)生的反射縱波、縱波-轉(zhuǎn)換橫波、面波-轉(zhuǎn)換橫波以及反射槽波等反射波場來探測掘進(jìn)工作面前方的地質(zhì)情況[3-7]。由于煤系地層屬于典型的層狀低速夾層，在煤巖中地震波的傳播規(guī)律十分復(fù)雜，波場中含有多種不同類型的地震波(包含有效波和干擾波)，這些波相互干涉疊加，使得有效波的識(shí)別和提取變得非常困難。因此，利用數(shù)值模擬方法研究煤巖體中地震波的傳播規(guī)律，可以為礦井地震超前探測的數(shù)據(jù)采集、處理和解釋提供理論指導(dǎo)。關(guān)于隧道地震超前探測的數(shù)值模擬，朱夏樂[8]、羿士龍等[9]、卓啟亮等[10]做了相關(guān)研究，對(duì)隧道內(nèi)各種不良地質(zhì)體的波場特征有了較為全面的認(rèn)識(shí)。然而，煤巷與隧道在巖層結(jié)構(gòu)上有很大差異，煤巷地層一般傾角小，含煤地層一般為包含低速夾層的近水平層狀結(jié)構(gòu)，而隧道地層傾角大，巖層更接近于垂直層狀結(jié)構(gòu)，巖層結(jié)構(gòu)的不同將對(duì)地震波的傳播規(guī)律產(chǎn)生顯著影響。因此，不能直接將地震波在隧道內(nèi)的傳播規(guī)律移植到煤巷，需要將煤巷作為一種特殊的地震波傳播介質(zhì)加以研究。朱光明等[11]、楊思通等[12，13]采用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法開展了煤巷中地震波的數(shù)值模擬，識(shí)別了波場中存在的地震波類型，并分析了不同波型地震波的傳播特征。但是這些研究側(cè)重于模擬算法的實(shí)現(xiàn)和地震波類型的識(shí)別，缺少對(duì)不同類型地震波的形成機(jī)理和視速度特征的研究。本文基于二維各向同性彈性介質(zhì)理論，采用有限差分方法開展了礦井地震超前探測的全波場數(shù)值模擬，分析了反射波場中不同類型地震波的波場特征和視速度特征。

2 地震波有限差分基本原理

2.1 一階速度—應(yīng)力彈性波方程

在均勻各向同性完全彈性介質(zhì)中，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與應(yīng)力的關(guān)系由介質(zhì)密度ρ、拉梅系數(shù)λ和μ三個(gè)參數(shù)確定，其二維彈性波方程可用下列微分方程組描述[14]：

(1)

式中：vx、vz為質(zhì)點(diǎn)在水平和垂直方向振動(dòng)的速度矢量分量，τxx、τzz為水平和垂直方向的正應(yīng)力分量，τxz為剪切應(yīng)力分量，t為傳播時(shí)間。

2.2 地震波有限差分?jǐn)?shù)值模擬

二維均勻各向同性完全彈性介質(zhì)中傳播的地震波由方程組(1)描述，該方程組可以通過有限差分方法求得數(shù)值解。本文采用交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分方法[15]模擬縱波、橫波和轉(zhuǎn)換波的傳播過程，吸收邊界采用完全匹配層(PML)方法，以此分析地震波在煤巖體中傳播的全波場效應(yīng)和波場特征。

3 模型建立

3.1 地質(zhì)模型

由于礦井掘進(jìn)巷道為三維受限空間，炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的布設(shè)范圍受到嚴(yán)格限制，通常只能采用直線觀測系統(tǒng)，將炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)沿一條直線布置在巷道側(cè)幫上。為了研究直線觀測系統(tǒng)條件下煤巖體中地震波的傳播規(guī)律，建立了含煤巖體的煤巷地質(zhì)模型，如圖1所示。

地質(zhì)模型為水平層狀低速夾層模型，模型大小400 m×400 m，煤層厚度6 m，斷層界面位于X=200 m，傾角90°。

圖1 地質(zhì)模型示意圖Fig.1 Sketch map of geological model

3.2 模型參數(shù)

數(shù)值模擬采用單炮激發(fā)，24個(gè)雙分量檢波器接收(X分量平行于煤層，Z分量垂直于煤層)，炮點(diǎn)位于X=100 m，最小偏移距20 m，道間距1.5 m，炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)布置在煤層中心線上。選用主頻為400 Hz的雷克子波作為震源，網(wǎng)格大小ΔX=0.25 m，ΔZ=0.25 m，采樣間隔Δt=0.05 ms，煤、巖層彈性參數(shù)如表1所示。

表1 煤、巖層彈性參數(shù)

4 模擬結(jié)果分析

4.1 波場快照

通過模擬計(jì)算可以獲得不同時(shí)刻水平分量(X分量)和垂直分量(Z分量)的波場快照?qǐng)D，如圖2所示。

從圖2可以看出，由于頂?shù)装甯咚賹拥挠绊懀卣鸩ㄔ诿合镏械膫鞑ヒ?guī)律十分復(fù)雜。當(dāng)煤層中激發(fā)彈性波(P波和S波)以后，一部分彈性波穿透煤層向頂?shù)装鍌鞑?，另一部分彈性波因入射角大于臨界角，在煤巖界面發(fā)生全反射，在時(shí)刻30 ms，波場快照中可見由全反射形成的折射P波(X1、Z1)和直達(dá)槽波ISS(X2、Z2)；隨著時(shí)間推移，地震波不斷向外擴(kuò)散傳播，其中，直達(dá)槽波ISS絕大部分能量被禁錮在煤層及頂?shù)装鍑鷰r附近，以強(qiáng)干涉擾動(dòng)的形式沿煤層傳播；折射P波傳播速度最快，首先到達(dá)反射界面，在時(shí)刻60 ms，波場中可見由折射P波產(chǎn)生的P-P反射波(X3、Z3)；在時(shí)刻90 ms，折射P波在反射界面發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換，形成了P-S轉(zhuǎn)換波(X4、Z4)；直達(dá)槽波ISS傳播速度最慢，最后達(dá)到反射界面，在時(shí)刻120 ms，波場中出現(xiàn)了由直達(dá)槽波ISS遇到反射界面后產(chǎn)生的ISS-P轉(zhuǎn)換波(X5、Z5)、ISS-S轉(zhuǎn)換波(X6、Z6)和ISS-ISS反射波(X7、Z7)。

圖2 不同時(shí)刻波場快照Fig.2 Wave field snapshot at different time

圖3 模擬地震記錄Fig.3 Simulated seismograms of geological model

4.2 地震記錄

從模擬結(jié)果提取水平分量(X分量)和垂直分量(Z分量)的地震記錄，如圖3所示。

從圖3可以看出，折射P波(X1、Z1)在垂直分量上的能量相比水平分量更強(qiáng)；直達(dá)槽波ISS(X2、Z2)在水平分量和垂直分量上的能量基本相當(dāng)，兩個(gè)分量上直達(dá)槽波的波形特征都非常明顯，均易于識(shí)別；P-P反射波(X3、Z3)在水平分量和垂直分量上都嚴(yán)重受到直達(dá)槽波和其他波的干擾，不易識(shí)別。P-S轉(zhuǎn)換波(X4、Z4)、ISS-P轉(zhuǎn)換波(X5、Z5)、ISS-S轉(zhuǎn)換波(X6、Z6)和ISS-ISS反射波(X7、Z7)在垂直分量上的能量相比水平分量更強(qiáng)，波形特征更加明顯，更易識(shí)別。其中，水平分量上P-S轉(zhuǎn)換波(X4)信噪比非常低，幾乎被干擾波全部掩蓋，難以識(shí)別，而垂直分量上反射槽波的能量相對(duì)最強(qiáng)，波形特征十分清楚，最易識(shí)別。

4.3 視速度分析

通過拾取模擬地震記錄上不同波型地震波的同相軸，可以計(jì)算相應(yīng)地震波的視速度值，如表2所示。

表2 不同波型地震波的視速度值

從表2可以看出：直達(dá)折射P波和直達(dá)槽波視速度為正值，而反射界面產(chǎn)生的反射波和轉(zhuǎn)換波視速度為負(fù)值。直達(dá)折射P波為地震記錄上的初至波，其視速度接近頂?shù)装鍑鷰r的縱波速度；直達(dá)槽波ISS視速度接近煤層橫波速度；P-P反射波視速度接近頂?shù)装鍑鷰r的縱波速度，其形成機(jī)理是折射P波在反射界面發(fā)生反射形成的折射回波(P波)；P-S反射波視速度接近煤層橫波速度，其形成機(jī)理是折射P波在反射界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，形成沿煤層傳播的轉(zhuǎn)換橫波；ISS-P轉(zhuǎn)換波視速度接近頂?shù)装鍑鷰r的縱波速度，其形成機(jī)理是直達(dá)槽波在反射界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換形成的縱波折射回波(P波)；ISS-S轉(zhuǎn)換波視速度值接近頂?shù)装鍑鷰r的橫波速度，其形成機(jī)理是直達(dá)槽波在反射界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換形成的橫波折射回波(S波)；ISS-ISS反射波的視速度接近煤層橫波速度，其形成機(jī)理是直達(dá)槽波遇到反射界面產(chǎn)生的反射槽波。

5 實(shí)際資料分析

河南焦作礦區(qū)某礦11131工作面設(shè)計(jì)開采二1煤層，煤層平均厚度5.49 m，層位穩(wěn)定，全區(qū)可采。二1煤層直接頂板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，老頂為中粒砂巖；底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，老底為L9灰?guī)r。工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，北側(cè)為F30-1斷層，南鄰F18斷層。F30-1斷層為F30斷層的分支斷層，走向NE，傾向NW，傾角70°，落差0～37 m，距工作面85 m；F18斷層走向NE，傾向SE，傾角75°，落差460～550 m，距工作面切眼116 m。受上述兩個(gè)大斷層的影響，工作面內(nèi)部小斷層和裂隙十分發(fā)育，對(duì)巷道掘進(jìn)影響較大。為此，在11131工作面上順槽開展了地震波反射法超前探測，設(shè)計(jì)24炮激發(fā)，1個(gè)雙分量檢波器接收，炮間距1.5 m，最小偏移距20.5 m。圖4為巷道內(nèi)實(shí)際接收到的水平分量(X分量)和垂直分量(Z分量)地震記錄。

圖4 實(shí)際地震記錄Fig.4 Actual seismic data

從圖4可以看出，水平分量上存在兩個(gè)明顯的地震波，初至波SX1(視速度4 230 m/s)和直達(dá)槽波SX2(視速度1 330 m/s)；而垂直分量上除了初至波SZ1(視速度4 290 m/s)和直達(dá)槽波SZ2(視速度1 320 m/s)以外，還存在一個(gè)明顯的反射槽波SZ3(視速度-1 340 m/s)。巷道后期掘進(jìn)證實(shí)，反射槽波SZ3為掘進(jìn)工作面前方65 m處的F168小斷層，落差3.2 m，傾角45°，走向幾乎與巷道垂直。實(shí)際地震資料由于受巷道干擾波和隨機(jī)噪聲的影響，波形特征不如數(shù)值模擬清晰，但是其基本規(guī)律和數(shù)值模擬結(jié)果是一致的。水平分量和垂直分量上初至波的視速度非常接近頂板砂巖或底板灰?guī)r的縱波速度，直達(dá)槽波和反射槽波的視速度接近煤層橫波速度。在圖4中折射P波遇到斷層產(chǎn)生的反射波和轉(zhuǎn)換波在水平分量和垂直分量上均不易識(shí)別，但是垂直分量上可以識(shí)別出反射槽波，其能量相對(duì)較強(qiáng)，波形特征清晰，且傳播穩(wěn)定，可作為煤巷地震超前探測的特征波。

6 結(jié) 論

通過礦井地震超前探測的全波場數(shù)值模擬和實(shí)際地震資料分析，可得到以下結(jié)論：

1)在煤巷中傳播的地震波由于頂?shù)装甯咚賹拥挠绊?，波場特征十分?fù)雜。煤層中傳播的縱波主要為折射P波，由折射P波在反射界面產(chǎn)生的反射波和轉(zhuǎn)換波在地震記錄上與其他地震波相互干涉，很難識(shí)別和提取。

2)煤層中傳播的槽波ISS在反射界面也會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換和反射，形成槽波-縱波折射回波(ISS-P轉(zhuǎn)換波)、槽波-橫波折射回波(ISS-S轉(zhuǎn)換波)和反射槽波(ISS-ISS反射波)。其中，垂直分量上槽波轉(zhuǎn)換波和反射槽波的能量相比水平分量更強(qiáng)，波形特征更加明顯，尤其是垂直分量上反射槽波能量最強(qiáng)，傳播穩(wěn)定，可以作為煤巷地震超前探測的特征波。