吳國(guó)慶 ,馬彥龍
(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司, 陜西 西安 710077)
在機(jī)械化、智能化、透明化工作面采煤生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)回采工作面前方隱伏的地質(zhì)異常體進(jìn)行準(zhǔn)確的定性與定量解釋,可為安全高效采煤提供可靠的地質(zhì)保障[1]。利用物探技術(shù)探查隱伏的地質(zhì)異常體已成為煤礦綜合解決地質(zhì)問(wèn)題的首選方法[2]。近年來(lái),地面全數(shù)字高密度三維地震勘探、礦井瞬變電磁勘探、礦井槽波地震勘探及煤礦隨采隨掘監(jiān)測(cè)[3-6]等技術(shù)的發(fā)展,對(duì)透明化工作面地質(zhì)異常體的識(shí)別與解釋奠定了基礎(chǔ)。礦井槽波地震勘探因其探測(cè)距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征易于識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)[7],現(xiàn)已成為煤礦解決地質(zhì)異常體探測(cè)的常用方法之一[8-9]。
王季等[10]應(yīng)用透射槽波探測(cè)技術(shù)對(duì)3 種典型的地質(zhì)異常體(斷層、陷落柱及薄煤帶)進(jìn)行了衰減系數(shù)CT 成像研究,認(rèn)為3 種地質(zhì)異常體的衰減系數(shù)有一定差異,但成像結(jié)果的差異性并不顯著;郭銀景等[11]提出僅用頻散、頻譜、速度和時(shí)頻等槽波參數(shù),無(wú)法準(zhǔn)確判斷出斷層及其他地質(zhì)異常體;姬廣忠等[12]通過(guò)斷層、煤厚的數(shù)值模擬及實(shí)際應(yīng)用,在既有煤厚變化又有斷層等構(gòu)造存在情況下,認(rèn)為槽波衰減系數(shù)成像較難區(qū)分構(gòu)造類型。王偉等[13]總結(jié)了煤層厚度的變化對(duì)槽波頻散特征影響,認(rèn)為煤厚增加、槽波主頻降低,同時(shí)對(duì)應(yīng)于同一頻率波速降低;李松營(yíng)等[14]、崔偉雄等[15]分析了基于槽波透射法的采煤工作面煤厚解釋技術(shù),煤層厚度變化跟頻散關(guān)系密切,較薄的煤層宜選取較高的頻率,較厚的煤層宜選取較低的頻率。綜上可知,工作面存在的單個(gè)地質(zhì)異常體已可以被準(zhǔn)確圈定與解釋,對(duì)同時(shí)存在的多個(gè)地質(zhì)異常進(jìn)行定性與定量解釋還需進(jìn)一步探討。
筆者通過(guò)理論結(jié)合實(shí)踐綜合分析,陽(yáng)泉礦區(qū)[16-17]礦井生產(chǎn)工作面發(fā)育斷層、陷落柱、煤厚變化及撓曲4 種地質(zhì)異常體,且單個(gè)工作面包含2 種及以上地質(zhì)異常,在實(shí)際資料的解釋分析過(guò)程中常常會(huì)碰到異常體的定性不準(zhǔn)確等問(wèn)題,給礦方回采工作面的方案制定帶來(lái)很大的困擾,同時(shí)也導(dǎo)致無(wú)法建立準(zhǔn)確的三維地質(zhì)模型。因此,研究工作面內(nèi)發(fā)育2種及以上地質(zhì)異常體槽波地球物理響應(yīng)特征,提出不同地質(zhì)異常體的槽波地震屬性識(shí)別方法,建立反演結(jié)果與地質(zhì)異常體的對(duì)應(yīng)關(guān)系,形成復(fù)雜地質(zhì)條件下工作面槽波地震解釋方法,可進(jìn)一步提高槽波地震對(duì)多種地質(zhì)異常體的解釋水平,為礦方地質(zhì)透明化工作面回采做好可靠的地質(zhì)保障。
陽(yáng)泉礦區(qū)15 號(hào)煤層[18-19]平均煤層厚度5.5 m,正演模型設(shè)計(jì)煤層厚度5 m,頂、底板巖性均為砂巖,厚度20 m。模型大小1 200 m×300 m×45 m,建立了具有三層介質(zhì)的三維地震地質(zhì)模型[20-21](圖1)。x、y、z方向上對(duì)模型進(jìn)行了大小為1 m×1 m×0.5 m 網(wǎng)格化,時(shí)間采樣間隔為0.05 ms。激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)測(cè)線布置在模型煤層中部,激發(fā)間距10 m,進(jìn)風(fēng)巷編號(hào)S11~S110、回風(fēng)巷S111~S210,共計(jì)200 炮;接收間距10 m,進(jìn)風(fēng)巷R11~R110、回風(fēng)巷R111~R210,共計(jì)200 道。物性參數(shù)[22-23]見表1,采用主頻150 Hz 的雷克子波。
表1 正演模型物性參數(shù)Table 1 Physical property parameter of forward model
圖1 含觀測(cè)系統(tǒng)的層狀模型Fig.1 Layered model with observing system
模擬槽波信號(hào)接收選用z分量檢波器,即接收垂直底板方向的槽波信號(hào),采用交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分法進(jìn)行彈性波數(shù)值模擬[24-27]??v波(P 波)與橫波(S 波)是勒夫(Love)型槽波的基本類型,它是SH 波干涉形成的,它的質(zhì)點(diǎn)是在平行于煤層的平面、垂直于傳播方向的平面內(nèi)作線性極化振動(dòng),是一種純SH 波。當(dāng)其傳播過(guò)程中遇到彈性分界面或非均勻體時(shí),將產(chǎn)生反射波、透射波、折射波,在特殊條件下還可以產(chǎn)生回轉(zhuǎn)波、繞射波等[28]。當(dāng)縱、橫波(P 波、S 波)在低速夾層中傳播時(shí),由于其干涉,形成槽波。槽波數(shù)據(jù)中包含的波場(chǎng)非常復(fù)雜,需要對(duì)其進(jìn)行分析,分辨出不同類型的波場(chǎng)[29-31]。
以S3 炮為例,對(duì)z分量地震記錄(圖2)進(jìn)行分析,最先到達(dá)的是來(lái)自圍巖的折射縱波(vp=4 000 m/s),其次是折射橫波(vs=2 300 m/s),最后到達(dá)的較強(qiáng)能量團(tuán)是煤層中傳播的槽波(v=1 150 m/s)。槽波是典型的頻散波,即槽波的速度隨頻率的改變而變化。地震記錄中縱、橫波振幅相對(duì)集中且能量較強(qiáng),沒(méi)有明顯的突變點(diǎn)繞射成像,但存在多次波等波形,可通過(guò)濾波進(jìn)行處理。
圖2 S3 炮地震記錄Fig.2 Channel wave recording of S3
通過(guò)S3 炮z分量模型數(shù)據(jù)頻散分析[32-37](圖3),5 m 煤厚的槽波頻散曲線能量主要集中在180~210 Hz,低頻槽波100~210 Hz、高頻槽波210~300 Hz,埃里相群速度為1 000~1 200 m/s。
圖3 S3 炮頻散曲線Fig.3 Dispersion curve of S3
對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行150~180~210~250 Hz 的帶通濾波,采用多次濾波計(jì)算群速度的方法拾取槽波振幅,對(duì)z分量進(jìn)行振幅衰減系數(shù)CT 成像[38-39](圖4),整個(gè)成像區(qū)域內(nèi)槽波振幅沒(méi)有衰減,與理論模型相一致,說(shuō)明了方法的有效性。
圖4 不含地質(zhì)異常體的三維層狀模型槽波振幅衰減系數(shù)CT 成像Fig.4 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram without geological anomaly
為了研究工作面內(nèi)多種地質(zhì)異常體的槽波探測(cè)識(shí)別方法,一個(gè)工作面設(shè)定包含4 種地質(zhì)異常體進(jìn)行三維數(shù)值模擬,不同的地質(zhì)異常體設(shè)定一種代表性的地質(zhì)參數(shù)(產(chǎn)狀、薄厚、尺寸大小、褶幅程度),從單炮特征、頻散特征、CT 成像等結(jié)果入手,在同一個(gè)工作面內(nèi)進(jìn)行識(shí)別研究[40]。模型參數(shù)見表2,三維數(shù)值模型俯視如圖5a 所示,工作面內(nèi)斷層、陷落柱、薄煤帶與撓曲的主視如圖5b 所示。
表2 數(shù)值模型參數(shù)Table 2 Numerical model parameter
圖5 工作面內(nèi)多種地質(zhì)異常體的三維數(shù)值模型Fig.5 Three-dimensional numerical model of various geological anomalies in the working face
對(duì)三維數(shù)值模型進(jìn)行正演模擬,從S9 炮槽波記錄(圖6)可以直觀看出,斷層引起槽波記錄的錯(cuò)斷、陷落柱影響槽波記錄的缺失、薄煤帶顯示槽波記錄分散、撓曲表現(xiàn)為槽波減弱并分散。
圖6 4 種地質(zhì)異常體在槽波記錄上的顯示Fig.6 The display of four kinds of geological anomalies on channel wave records
從S9 炮槽波記錄頻散分析(圖7)可知,槽波振幅主要集中在100~180 Hz,埃里相群速度900~1 000 m/s,與不含地質(zhì)異常體相比較,埃里相群速度與頻率均降低。
圖7 S9 炮頻散曲線Fig.7 Dispersion curve of S9
對(duì)數(shù)值模擬正演的數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅衰減系數(shù)CT成像(圖8),同一個(gè)工作面內(nèi),4 個(gè)地質(zhì)異常體的成像結(jié)果都比較直觀,斷層表現(xiàn)為明顯的條帶性異常,陷落柱表現(xiàn)為不規(guī)則閉合區(qū)域,薄煤帶表現(xiàn)出明顯的寬條帶異常,撓曲表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則的異常區(qū)域。實(shí)際工程應(yīng)用中,通過(guò)對(duì)整個(gè)工作面的槽波數(shù)據(jù)反演很難有效地進(jìn)行槽波異常的定性識(shí)別,因此需要進(jìn)行相應(yīng)的槽波異常特征分析(單炮、頻譜、頻散、速度、槽波CT、橫波CT、縱波CT),建立多屬性的大數(shù)據(jù)融合,從而實(shí)現(xiàn)槽波異常的定性與定量識(shí)別解釋[41]。
圖8 4 種地質(zhì)異常的三維層狀模型槽波振幅衰減系數(shù)CT 成像Fig.8 CT imaging of channel wave amplitude attenuation coefficient of three-dimensional layered model of four geological anomalies
同一個(gè)工作面內(nèi)不同地質(zhì)異常體的CT 反演成像結(jié)果都比較直觀,在地質(zhì)條件復(fù)雜的探測(cè)區(qū)域,由于受多個(gè)異常體的相互影響,僅依據(jù)直觀的槽波振幅異常無(wú)法對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行準(zhǔn)確定性識(shí)別。因此,在保證煤層條件基本一致的前提下,從單炮特征及屬性角度出發(fā),對(duì)不同地質(zhì)異常體進(jìn)行定性識(shí)別。識(shí)別方法中,主要對(duì)不同地質(zhì)異常體的單炮特征及多個(gè)屬性進(jìn)行對(duì)比分析,包括以下5 個(gè)方面:?jiǎn)闻?、頻譜、頻散、速度、CT 成像。
不同地質(zhì)異常體單炮特征(圖9)對(duì)比分析可以得出以下結(jié)論:①地質(zhì)異常體發(fā)育區(qū)域內(nèi)地震記錄中的槽波振幅均會(huì)發(fā)生突變;②斷層、陷落柱、薄煤帶發(fā)育區(qū)域,槽波振幅均減弱,縱波及橫波振幅有所增強(qiáng);而撓曲發(fā)育區(qū)域槽波振幅有所增強(qiáng)。
圖9 4 種地質(zhì)異常體的波場(chǎng)特征識(shí)別Fig.9 Recognition of wave field characteristics of four geological anomalies
不同地質(zhì)異常體頻譜特征對(duì)比分析(圖10 藍(lán)色曲線為窗口全道、紅色曲線為窗口中某一單道)可以得出以下結(jié)論:①數(shù)值模擬頻譜特征中,正常煤層的振幅值為最大;斷層、陷落柱、正常煤層激發(fā)薄煤帶接收的振幅值均降低;薄煤帶激發(fā)并接收振幅值差異不大,能量有所減弱;撓曲振幅值為增強(qiáng),振幅增強(qiáng)可作為識(shí)別撓曲異常的一個(gè)必要條件。②薄煤帶發(fā)育區(qū)域內(nèi),可分析是否存在正常煤層激發(fā),穿透薄煤帶后正常煤層接收的槽波振幅多次衰減特征,頻譜中是否存在振幅值多次降低,作為識(shí)別薄煤帶異常的一個(gè)必要條件。
圖10 4 種地質(zhì)異常體的頻譜特征識(shí)別Fig.10 Frequency spectrum feature recognition of four kinds of geological anomalies
不同地質(zhì)異常體頻散、速度特征(圖11)對(duì)比分析可以得出以下結(jié)論:①模型數(shù)值模擬正常煤層主頻為200 Hz、速度1 000 m/s;斷層主頻為200 Hz、速度1 000 m/s,低頻速度有略微升高;陷落柱主頻為180 Hz、低階速度900 m/s,高階速度1 200 m/s;正常煤層激發(fā)薄煤帶接收主頻為220 Hz、速度700 m/s;薄煤帶激發(fā)接收主頻為220 Hz,速度600 m/s;撓曲低階主頻為180 Hz,速度600 m/s,高階主頻為220 Hz,速度1 100 m/s。②斷層與正常煤層的主頻及速度近似,但低頻速度略微升高,其它地質(zhì)異常體的主頻及速度均與正常煤層差異較大,作為識(shí)別斷層的一個(gè)必要條件。③陷落柱會(huì)降低槽波的主頻及速度,且低階和高階主頻相同、速度差異大,作為識(shí)別陷落柱的一個(gè)必要條件。④薄煤帶槽波主頻基本不變,速度降低是其最明顯的特征,且低階、高階的速度差異不大,作為識(shí)別薄煤帶的一個(gè)必要條件。⑤撓曲會(huì)降低槽波低階的主頻,高階主頻基本不變,低階和高階速度差異大,作為識(shí)別撓曲的一個(gè)必要條件。
圖11 4 種地質(zhì)異常體的頻散、速度特征Fig.11 Frequency dispersion and velocity characteristics of four geological anomalies
數(shù)值模擬中,數(shù)據(jù)體中最先接收到的是來(lái)自頂?shù)装宓恼凵淇v波,隨后是折射橫波,最后到達(dá)的是煤層中傳播的槽波。CT 反演成像中選取振幅、速度2個(gè)屬性進(jìn)行成像,由于槽波是頻散波,具有多階模態(tài),因此又將槽波分為低頻與高頻兩大屬性分別進(jìn)行成像。
通過(guò)對(duì)斷層、陷落柱、薄煤帶、撓曲4 種地質(zhì)異常體進(jìn)行相應(yīng)的縱波振幅、縱波速度、橫波振幅、橫波速度、高頻槽波振幅、高頻槽波速度、低頻槽波振幅、低頻槽波速度8 種類型的CT 成像,從不同的成像方法對(duì)地質(zhì)異常體的響應(yīng)特征進(jìn)行識(shí)別。
2.4.1 4 種地質(zhì)異常體的CT 成像
1)斷層的槽波數(shù)值模擬結(jié)果:斷層會(huì)表現(xiàn)出明顯的條帶性;橫波振幅、高頻槽波振幅、低頻槽波振幅反應(yīng)顯著;橫波速度、高頻槽波速度、低頻槽波速度反應(yīng)較顯著;縱波振幅、速度成像反應(yīng)不顯著(圖12)。
2)陷落柱的槽波數(shù)值模擬結(jié)果:陷落柱地質(zhì)異常體會(huì)表現(xiàn)出明顯的不規(guī)則面狀異常;橫波振幅、高頻槽波振幅、低頻槽波振幅反應(yīng)顯著;橫波速度、高頻槽波速度反應(yīng)較顯著;縱波振幅、速度成像、低頻槽波速度成像反應(yīng)不顯著;橫波振幅成像反應(yīng)為邊界異常,陷落柱中心為正常區(qū)域的不規(guī)則環(huán)狀異常(圖13)。
圖13 陷落柱的多種屬性CT 成像響應(yīng)特征Fig.13 CT imaging response characteristics of multiple attributes of collapse column
3)薄煤帶的槽波數(shù)值模擬結(jié)果:薄煤帶地質(zhì)異常體會(huì)表現(xiàn)出明顯的寬帶狀異常;高低頻槽波速度、振幅成像均對(duì)薄煤帶反射均顯著,但低頻速度成像的條帶性更好,邊界明顯;縱波速度、橫波振幅成像反應(yīng)較顯著;縱波振幅、橫波速度成像反應(yīng)不顯著(圖14)。
圖14 薄煤帶的多種屬性CT 成像響應(yīng)特征Fig.14 CT imaging response characteristics of multiple attributes of thin coal belt
4)撓曲的槽波數(shù)值模擬結(jié)果:僅有高低頻槽波振幅對(duì)撓曲異常有一定的反應(yīng),且僅對(duì)撓曲褶軸有相應(yīng)的反應(yīng)(圖15)。
圖15 撓曲的多種屬性CT 成像響應(yīng)特征Fig.15 CT imaging response characteristics of multiple attributes of flex
2.4.2 地質(zhì)異常體CT 成像識(shí)別
縱波、橫波、槽波的CT 反演方法對(duì)不同地質(zhì)異常體反映不同,聯(lián)合多種成像方法可以對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行識(shí)別(表3)。
表3 不同地質(zhì)異常體多種類型CT 成像響應(yīng)特征Table 3 Response characteristics of various types of CT imaging of different geological anomalies
1)結(jié)合CT 成像結(jié)果,橫波、高頻槽波、低頻槽波振幅成像可以作為斷層識(shí)別的一個(gè)必要條件,成像特征顯著。
2)橫波、高頻槽波、低頻槽波振幅成像可以作為陷落柱識(shí)別的一個(gè)必要條件,成像特征顯著。
3)高、低頻槽波振幅、速度成像可以作為薄煤帶識(shí)別的一個(gè)必要條件,成像特征顯著。
4)高、低頻槽波振幅成像可以作為撓曲識(shí)別的一個(gè)必要條件,成像特征較顯著。
陽(yáng)泉礦區(qū)某工作面為一次性采全高綜采面,探測(cè)區(qū)域內(nèi)煤層總體呈東北高西南低的單斜構(gòu)造,探測(cè)走向長(zhǎng)度800 m,傾向?qū)挾?00 m,鉆孔揭露煤層厚度4.91 m。根據(jù)探測(cè)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有地質(zhì)資料,斷層、陷落柱、薄煤帶、撓曲均比較發(fā)育。頂板為砂巖或泥質(zhì)砂巖,局部為中、細(xì)粒砂巖;底板為砂巖,局部為粉砂巖或細(xì)粒砂巖。
本次槽波試驗(yàn)結(jié)合正演模擬確定測(cè)線沿進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)幫布置,如圖16 所示。
圖16 施工布置Fig.16 Construction layout
1)接收點(diǎn)布置 道距10 m,共設(shè)計(jì)接收點(diǎn)142 個(gè)。
2)激發(fā)點(diǎn)布置 炮距20 m,共設(shè)計(jì)激發(fā)物理點(diǎn)72 個(gè),孔深3 m,孔徑42 mm,單孔藥量為300 g。
對(duì)槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括數(shù)據(jù)編輯、建立觀測(cè)系統(tǒng)、振幅擴(kuò)散補(bǔ)償?shù)?,分別從單炮、頻譜、頻散速度、CT 成像特征,列舉針對(duì)性的槽波記錄對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行識(shí)別解釋。
3.2.1 斷層
從S20 炮槽波記錄(圖17a)可以看出斷層引起了槽波振幅的減弱及缺失,縱橫波振幅增強(qiáng);頻譜振幅降低(圖17b);結(jié)合正演模擬,主頻與速度跟無(wú)構(gòu)造異常煤層基本一致(圖17c)。
圖17 槽波屬性斷層識(shí)別Fig.17 Fault recognition of channel wave attribute
3.2.2 陷落柱
從S30 炮槽波記錄(圖18a)可以看出陷落柱引起了槽波振幅的缺失、折射波振幅增強(qiáng);頻譜中,槽波通過(guò)陷落柱異常后振幅減弱(圖18b);頻散速度分析中埃里相變化明顯,主要特征為低階主頻降低,高階增強(qiáng)(圖18c)。
圖18 槽波屬性陷落柱識(shí)別Fig.18 Collapse column recognition of channel wave attribute
3.2.3 薄煤帶
從S10 炮槽波記錄(圖19a)可以看出薄煤帶引起了槽波振幅的部分衰減;頻譜特征中,高頻成分衰減比低頻成分衰減要明顯,正常煤層激發(fā),穿透薄煤帶后正常煤層接收,振幅減弱最大(圖19b);頻散特征中,正常煤層激發(fā),遇到薄煤帶后,主頻增加(圖19c)。
圖19 槽波屬性薄煤帶識(shí)別Fig.19 Thin coal belt column recognition of channel wave attribute
3.2.4 撓曲
從S50 炮槽波記錄(圖20a)可以看出撓曲對(duì)槽波振幅影響較小,振幅反而有一定增強(qiáng)(圖20b);頻散速度分析中高階主頻基本不變,低階和高階速度差異大(圖20c)。
圖20 槽波屬性撓曲識(shí)別Fig.20 Flex recognition of channel wave attribute
結(jié)合多種地質(zhì)異常體數(shù)值模擬總結(jié)的識(shí)別方法,通過(guò)單炮、頻譜、頻散特征對(duì)實(shí)際資料的綜合分析,選擇對(duì)斷層、陷落柱、薄煤帶均能顯著識(shí)別、撓曲較顯著識(shí)別的低頻、高頻槽波振幅進(jìn)行CT 成像,最后形成綜合的槽波解釋成果(圖21)。
圖21 槽波探測(cè)解釋成果對(duì)比Fig.21 Comparison of channel wave detection and interpretation results
根據(jù)工作面回采寫實(shí),槽波解釋的斷層(CF1)、陷落柱(CX1、CX2)、撓曲(NQ1、NQ2、NQ3)與薄煤帶范圍(YC1)均與實(shí)際揭露吻合較高。
1)單炮特征:斷層、陷落柱、薄煤帶導(dǎo)致槽波振幅均有明顯減弱且縱波、橫波振幅有所增強(qiáng),撓曲引起了槽波振幅的增強(qiáng)。
2)頻譜特征:斷層及陷落柱對(duì)槽波振幅的衰減是一次性且衰減明顯,薄煤帶對(duì)槽波振幅的衰減具有多次性,撓曲因煤層連續(xù)性未經(jīng)破壞,振幅衰減變化不明顯。
3)頻散特征:斷層與正常煤層的主頻及速度相近,陷落柱會(huì)降低槽波的主頻及速度,且低階和高階主頻相同、速度差異大,薄煤帶主頻基本不變,速度降低且低階、高階的速度差異小;撓曲會(huì)降低槽波低階主頻,高階主頻基本不變,低階和高階速度差異大。
4)波場(chǎng)CT 成像:橫波、高頻槽波、低頻槽波振幅成像對(duì)斷層反映顯著,斷層表現(xiàn)出明顯的條帶性;橫波、高頻槽波、低頻槽波振幅成像對(duì)陷落柱反映顯著,陷落柱表現(xiàn)出明顯的不規(guī)則面狀異常;高低頻槽波振幅、速度成像對(duì)薄煤帶反映顯著,薄煤帶表現(xiàn)出明顯的寬帶狀異常;高低頻槽波振幅成像對(duì)撓曲反應(yīng)較顯著,撓曲表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則的異常區(qū)域。