CO2震源的槽波勘探現場實驗及前景討論

王 勃，劉盛東，孫華超，邢世雨，章 俊，丁 昕，龔 震

(1.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

綠色煤炭資源豐富的中西部地區(qū)地表存在黃土覆蓋、基巖裸露以及復雜地形地貌等客觀因素，增加了地面三維地震勘探施工難度，同時在多煤層地區(qū)，隨著淺部上組煤的開采和多層采空區(qū)的影響，三維地震勘探精度受到了限制。礦井地震勘探具有不受地面條件影響、距離目標體近、地震波能量和高頻成分衰減少、地震波傳播路徑干擾少等特點，進而被運用于煤礦井下地質構造探測；當前，槽波勘探已是井下構造精細勘探的首選方法。震源是地震記錄的源頭，是礦井地震勘探的關鍵部分，直接影響地震信號質量，因此，開展礦井地震勘探的震源研究具有重要意義。

礦井震源有炸藥震源、錘擊震源、雷管震源、夯擊震源、帶式輸送機震源、掘進機震源、采煤機震源等。目前，礦井震源以炸藥震源為主，然而受到高瓦斯礦井的限制，以及存在審批程序繁瑣和安全性等問題，甚至一些綜采綜掘全部機械化礦井沒有炸藥，直接影響了地震勘探的施工。錘擊、夯擊等震源相對操作簡單，但其能量弱，探測距離較短。為了滿足高效采掘的需求，掘進機、采煤機震源逐漸成為研究熱點，該震源在煤礦井下隨掘隨采地震勘探中具有優(yōu)勢，但尚處于試驗研究階段，因此，亟需研究適合于煤礦井下實際勘探條件的新型震源。

2018年，筆者團隊等發(fā)現液態(tài)CO相變致裂技術對煤層進行增透過程中，CO氣體瞬間釋放的能量引起圍巖振動能夠產生地震波，因此，提出了一種基于CO震源的地震超前探測方法。CO相變致裂技術由CardoxTube系統演變而來，由英國的CARDOX公司提出并研發(fā)，由于相變致裂過程中不產生高溫和火花，不會引起瓦斯及煤塵爆炸，在山西陽泉、潞安及河南平頂山等大型礦區(qū)廣泛應用并作為煤層增透常規(guī)手段。2019年，李海軍等證明了CO震源可用于陸地地震勘探，分析了高、低頻反射信號特征并介紹了該震源的應用前景。2020年，李穩(wěn)等開展了CO相變技術激發(fā)地震波的地面人工震源激發(fā)-接收實驗，并指出CO震源具有綠色、環(huán)保及安全等優(yōu)點。然而，在煤礦井下暫未見CO震源勘探試驗的相關報道。

基于此，筆者針對突出礦井實際條件，在采煤工作面進行CO震源槽波勘探研究，開展異巷激發(fā)-接收透射勘探及同巷激發(fā)-接收透射勘探實驗，揭示地震信號運動學及動力學特征，探究CO震源在煤層深孔激發(fā)特性，并對其在礦井地震勘探的應用前景進行討論。

1 CO2震源激發(fā)原理及等效能量計算

CO震源爆破工作過程為：將液態(tài)CO放置于儲液管內，在啟爆器接通引爆電流后，加熱棒迅速釋放大量熱量，管內液態(tài)CO轉換為高壓氣體，氣體體積膨脹超過600倍(在1個標準大氣壓下)，致使管內氣壓急速升高，氣體壓力在達到剪切片控制壓力閾值時，剪切片被擊穿，通過泄壓頭從出氣孔噴出，從而釋放爆破力，產生地震波，CO震源系統如圖1所示。由于爆破過程中不產生高溫和火花，不會引起瓦斯及煤塵爆炸，符合煤礦本質安全要求。

圖1 CO2震源示意

當CO震源系統的儲液管發(fā)生物理爆炸時，能量向外釋放的形式有3種：碎片能量、容器殘余變形能量、釋放的高能氣體沖擊能量。其中，碎片能量為剪切片擊穿時消耗的能量，同時由于儲液管材質堅硬，爆破過程中變形量微小，因此碎片、容器殘余變形能量少，能量釋放主要表現為高能CO的爆破力。對于CO震源爆破能量計算，采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破模型，TNT當量計算公式為

(1)

式中，為激發(fā)能量，kJ；為剪切片極限壓力，通常取值為100～270 MPa；為儲液管的容積，m；為CO的絕熱指數，取1.295。

常溫條件下，一根儲液管內充填了2 kg的液態(tài)CO，120～270 MPa剪切片極限壓力條件下CO震源激發(fā)產生的能量為596～1 341 kJ，能量相當于140～315 g的TNT當量。目前煤礦井下炸藥通常為乳化炸藥，作為井下地震勘探震源的乳化炸藥質量一般為80～300 g，乳化炸藥TNT當量系數為0.76,則質量為60.8～228.0 g。因此，CO震源的TNT能量高于井下地震勘探常用炸藥震源能量。

2 CO2震源槽波勘探實驗

2.1 地質背景

實驗場地位于山西陽泉礦區(qū)西北部新元煤礦3417工作面，地質構造為北高、南低的單斜構造形態(tài)，煤層向南傾斜，傾角為2°～10°。3417工作面開采3號煤層，厚度為2.10～2.55 m，平均為2.35 m，屬于中厚煤層。煤層賦存比較穩(wěn)定，結構簡單，以亮煤為主。煤層頂板自下而上為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖，總厚度大于4.7 m。煤層底板為砂質泥巖，厚度為5.99 m。3417工作面具有煤與瓦斯突出危險性，工作面瓦斯抽放鉆孔密集且對封孔要求高，為了防止封孔段附近爆破損壞抽放鉆孔，以及受到施工期火工品管制，該工作面不能采用炸藥震源。液態(tài)CO相變致裂是該工作面煤層增透常規(guī)手段，此為CO震源槽波勘探實驗研究提供了便利條件。

2.2 觀測系統

在3417工作面進風巷和輔助進風巷各布設1條地震測線，每條測線布置40個與巷道走向平行的單分量檢波器，檢波器位于煤巷腰線位置，道間距10 m，如圖2所示。以進風巷R1檢波器為坐標原點，方向為平行于進風巷方向，指向開切眼方向，方向為垂直于進風巷方向，指向工作面內。利用液態(tài)CO相變致裂在煤層內開展震源實驗，在3417工作面輔助進風巷布設2組CO震源，S1震源深度為方向159 m，位于方向165 m處。S2震源深度為方向155 m，位于方向220 m處。利用鉆機將單根CO震源裝置送至炮孔底部，注水封孔器封孔，單炮依次激發(fā)。

圖2 現場觀測系統示意

2.3 地震信號及分析

..異巷激發(fā)接收透射勘探信號分析

圖3(a)顯示的是輔助進風巷S1號CO震源激發(fā)-進風巷接收的透射勘探原始地震記錄(其中進風巷R19，R22，R24，R39道無效)，從地震剖面中可以看出典型的3組地震波，在共炮點道集上表現為雙曲線特征。第1組到達信號是縱波，縱波速度約為3 500 m/s；第2組到達信號是橫波，橫波速度約為1 800 m/s；第3組到達信號能量最強，為槽波的埃里震相，速度約為900 m/s。通過對地震信號進行頻譜分析(圖3(b))后發(fā)現：振幅能量集中在50～350 Hz，橫波主頻最低，約為125 Hz，頻寬為100～140 Hz；縱波主頻約為155 Hz，頻寬為150～170 Hz；槽波主頻最高，振幅能量最強，頻寬為200～350 Hz，對槽波進行頻散分析(圖3(c))后發(fā)現，槽波埃里震相頻率約為260 Hz，埃里震相波速約為900 m/s。

圖3 S1號CO2震源透射地震記錄、頻譜特征和頻散特征

..同巷激發(fā)接收側幫勘探信號分析

圖4(a)顯示的是輔助進風巷S2號CO震源激發(fā)-同巷接收的原始地震記錄(其中輔助進風巷R53，R56，R67，R73道無效)，從地震剖面中可以看出典型的3組地震波。第1組到達信號是縱波，縱波速度為3 500 m/s；第2組到達信號是橫波，橫波速度為1 800 m/s；第3組到達是能量最強，為槽波的埃里震相，速度約900 m/s。通過對地震信號進行頻譜分析(圖4(b))后發(fā)現：振幅能量集中在50～450 Hz頻率范圍內，橫波主頻最低，約為125 Hz，頻寬為100～150 Hz；縱波主頻約為175 Hz，頻寬為150～225 Hz；槽波主頻最高，振幅能量最強，頻寬為250～450 Hz。對槽波進行頻散分析(圖4(c))后發(fā)現，槽波埃里震相頻率約為280 Hz，埃里震相波速約為900 m/s。

圖4 S2號CO2震源透射地震記錄、頻譜特征和頻散特征

..頻率、振幅特征對比

進一步對比異巷激發(fā)-接收透射信號與同巷側幫激發(fā)-接收透射信號的特點，2者在地震剖面上均出現典型的3組地震波，且均是槽波頻率最高，能量最強，埃里震相波速均約為900 m/s。異巷激發(fā)-接收透射地震剖面上槽波頻寬為200～350 Hz，槽波埃里震相約為260 Hz。在同巷激發(fā)-接收透射地震剖面上槽波振幅能量集中在250～450 Hz，槽波埃里震相約為280 Hz。兩者信號的頻譜特征整體相似，且頻率的一致性相對較好，證明了S1及S2兩組CO震源激發(fā)信號的可靠性。需要說明的是，同巷側幫激發(fā)-接收的槽波頻率相對較高，主要原因是同巷側幫勘探震源點與檢波點的透射距離更近，高頻信號衰減少，高頻能量相對較強。

3 CO2震源討論

3.1 CO2震源深孔激發(fā)

當震源在煤層中激發(fā)后，在煤層及圍巖中形成破壞區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，彈性區(qū)為地震波的產生區(qū)域，槽波地震勘探利用部分縱波、橫波在煤層頂底板界面多次全反射并相互干涉疊加形成的槽波，如圖5(a)所示。相對探測方向而言，主要存在3處能量泄漏區(qū)：第1處泄露區(qū)的能量往探測相反方向釋放；第2處能量泄漏區(qū)可分情況討論：① 若破壞區(qū)、塑性區(qū)均延伸至煤層外，地震波能量從煤層中大量泄漏，該情況在薄煤層中相對常見；② 若破壞區(qū)范圍在煤層內，塑性區(qū)、彈性區(qū)延伸至煤層之外，地震波能量也會部分泄漏，該情況在中厚煤層中相對常見；③ 若破壞區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)均在煤層內，則地震波大部分能量在煤層中，在厚煤層中相對常見；而第3處能量泄漏區(qū)是由于地震波的反射與透射導致的能量溢出。

圖5 震源激發(fā)及地震波傳播示意

傳統震源布置在巷道幫淺孔內(圖5(b))，孔深一般為1～2 m，巷道在掘進過程中由于圍巖應力高于圍巖強度而形成了破壞區(qū)，在該區(qū)域內達到新的三向應力平衡狀態(tài)所產生的破裂帶，稱之為圍巖松動圈。松動圈圍巖相對松散，震源激發(fā)時，破壞區(qū)范圍可能會延伸到空氣巷道內，導致能量大量泄漏，沿著煤層傳播方向上的能量減弱，使得探測方向的槽波能量有限。

由于CO相變致裂技術為滿足封孔及增透的需求，均為深孔激發(fā)，深度通常超過30～120 m，不在巷道及松動圈影響區(qū)域，同時增透煤層時CO爆破能量定向聚能作用于煤層，具有順煤層的方向性，減少了圖5(a)中能量泄漏1區(qū)及2區(qū)的能量泄露。因此，CO震源避開了巷道及圍巖松動圈影響，能量泄漏相對少，且聚能作用于煤層。

3.2 隨掘隨探分析

在煤與瓦斯突出礦井，為了縮短回采工作面抽采達標時間，在煤巷掘進期間，提前向工作面內實施CO相變致裂，提高工作面內瓦斯抽采效率。在該過程施工的CO相變致裂技術為槽波地震勘探提供了有利條件，無需額外施工炮孔，不需要額外的易耗材料，在CO相變致裂時同步布置觀測系統接收地震信號。隨著煤巷掘進，工作面內的CO相變致裂是不間斷進行的，可以開展連續(xù)地震探測，進而實現異常動態(tài)探測，例如瓦斯富集、應力變化異常等，其探測示意如圖6所示。同時，借用相變致裂的CO震源及巷道內檢波器可以開展地震超前探測，利用大孔深構建合理的寬方位超前觀測系統，有望實現煤巷極小偏移距下的地質構造精細探測。

圖6 隨掘隨探煤層平面

3.3 CO2震源方向激發(fā)的特點

CO震源具有定向激發(fā)的特性，具體表現在：管內液態(tài)CO轉換為高壓氣體擊穿剪切片后，通過泄壓頭從出氣孔噴出，從而釋放爆破力作用于煤層，通過改變泄壓頭的結構可以控制震源的激發(fā)方向(圖7(a)，(b))，進而實現定向激發(fā)，聚能作用于煤層。根據不同的探測方向及不同產狀地質構造(圖7(c))，可以針對性控制震源的聚能方向，利用最優(yōu)方向進行精細化探測，但煤層條件下CO震源方向性激發(fā)的地震波場特征尚未系統揭示，有待進一步研究。

圖7 CO2震源激發(fā)平面

3.4 CO2震源與炸藥震源的對比討論

CO震源激發(fā)滿足集中力源特征，激發(fā)后既產生縱波也產生橫波，而炸藥震源滿足脹縮源激發(fā)特征，理想條件下激發(fā)只產生縱波。為了對比2種震源在煤層條件下激發(fā)的差異性，基于高階交錯網格有限差分算法進行三維模擬，設計了“巖-煤-巖”層狀三維模型。實際過程中Love型槽波激發(fā)條件相對簡單，因此設計模型參數見表1(,,分別為介質橫波速度、縱波速度和密度)。

表1 模型參數

模型在，，方向的大小分別為300，300，300 m，煤層中心位于=150 m處，煤厚為5 m。震源位置為(150，150，150 m)，位于煤層中，布置2條垂直的測線、測線，如圖8(c)所示，采用脹縮源和集中力源作為震源進行數值模擬研究。選取信噪比最高的分量信號進行分析，對比結果表明，集中力源激發(fā)下的Love型槽波振幅能量相對較強，脹縮源激發(fā)下的Love型槽波振幅能量相對較弱。主要原因是Love型槽波由SH波干涉形成，脹縮源激發(fā)后只產生縱波，縱波傳播至煤層界面后發(fā)生波的轉換，產生SH波，進而干涉形成槽波，由于轉換SH波振幅能量相對較弱，因此干涉形成槽波振幅能量相對較弱；而集中力源，激發(fā)后既產生縱波，也產生橫波，SH波和縱波在煤層界面發(fā)生轉換產生SH波進行干涉，因此集中力源激發(fā)條件下的槽波更為發(fā)育。

圖8 點震源與集中力源的對比分析

為了進一步分析CO震源激發(fā)地震信號的頻譜特征，選擇煤層條件類似的炸藥震源實測透射槽波信號進行對比，同相軸①為縱波，同相軸②為橫波，同相軸③為槽波，如圖9所示。CO震源頻譜與炸藥震源整體形態(tài)類似，但炸藥震源的槽波振幅與體波差異較弱，相對于圖9中的槽波信號，圖3,4中的CO震源激發(fā)的槽波信號高頻豐富，振幅能量強于體波。

圖9 經典炸藥震源地震記錄和頻譜分析[32]

綜上所述，CO震源的理論激發(fā)能量高于井下地震勘探常用炸藥震源；CO震源可以將激發(fā)方式設定為順煤層方向激發(fā)，聚能作用于煤層；CO震源深孔激發(fā)避開了巷道及圍巖松動圈的影響，減少了能量耗散；CO震源具有集中力源的激發(fā)優(yōu)勢。因此，CO震源有利于槽波地震勘探。

4 結 論

(1)在儲液管內利用通電的加熱棒產生大量的熱，使得2 kg液態(tài)CO迅速達到高密度超臨界狀態(tài)，當氣體壓力超過剪切片的承壓極限值時，高壓CO從泄壓頭的出氣孔噴出，在煤層內釋放超過140 g的TNT當量爆破力，部分體波能量泄露出煤層沿頂板或底板傳播，部分地震波在煤層中干涉形成了能量強的槽波。

(2)CO震源在煤層深孔激發(fā)的縱波、橫波及槽波的走時、速度、頻率及頻散等差異特征顯著，地震波易于識別、分離；S1，S2兩組不同震源位置激發(fā)的地震波速度一致，且頻率特性相似性強，證實了CO震源激發(fā)信號的可靠性。

(3)CO震源單向激發(fā)方式屬于集中力源，該震源激發(fā)既產生縱波，也產生橫波，有利于槽波發(fā)育；同時煤層深孔CO震源激發(fā)避開了巷道及圍巖松動圈影響，能量泄漏少且定向聚能作用于煤層，槽波能量相對較強；CO震源有利于槽波地震勘探。

(4)CO震源具有安全、無污染、可重復利用等優(yōu)勢，特別適宜于高瓦斯礦井；CO震源可借用液態(tài)CO相變致裂孔，無需專門施工激發(fā)深孔，可提高礦井地震勘探效率并有望實現大偏移距勘探。但受到礦井條件限制，僅在理論上計算了CO震源激發(fā)能量，后續(xù)需要開展CO震源與其他常用震源的現場對比實驗，并結合CO震源泄壓頭的出氣孔方向及剪切片閾值可控的特點開展激發(fā)機理及裝置升級研究。

礦井現場實驗得到了華陽新材料科技集團有限公司王一教授級高工及河南理工大學曹運興教授團隊等指導,在此一并表示感謝。