成莊礦15#煤層槽波能量衰減系數(shù)CT成像技術(shù)的應(yīng)用研究

李梓毓,焦 陽(yáng)

(山西晉煤集團(tuán) 技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

現(xiàn)今煤礦地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,其中陷落柱和斷層是煤礦的主要地質(zhì)構(gòu)造,對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前,大型機(jī)械化模式采煤工藝日趨成熟,已被我國(guó)各大型煤礦采用,并作為了主要的采煤方法,但隨著現(xiàn)今工作面的傾向?qū)挾茸兇?很多工作面的寬度已經(jīng)超過(guò)了300 m。工作面的變寬使得現(xiàn)今常用的無(wú)線(xiàn)電坑透等探測(cè)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足對(duì)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)日益精細(xì)的要求。

槽波傳播過(guò)程中受到斷層和陷落柱等構(gòu)造的影響,槽波能量衰減劇烈,而此種情況能量衰減幅度遠(yuǎn)大于震源、 檢波器耦合等因素的影響,就可進(jìn)行槽波衰減系數(shù)成像[1-2]。

以往槽波地震勘探中通過(guò)利用槽波頻散的特征,在合適的頻率中拾取槽波的旅行時(shí),實(shí)現(xiàn)速度反演CT成圖,利用槽波的高低速異常來(lái)對(duì)工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析;以往多次的槽波透射探測(cè)過(guò)程中逐漸發(fā)現(xiàn),在客觀(guān)條件上存在諸多因素會(huì)影響到利用槽波速度CT成像分析工作面構(gòu)造的探測(cè)的準(zhǔn)確程度,例如不同煤層的物理力學(xué)性質(zhì)、煤層夾矸、煤層頂?shù)装鍘r性的差異以及不同段位雷管的延遲對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響等,這些都會(huì)使槽波的速度分析準(zhǔn)確性降低。然而通過(guò)利用槽波能量衰減系數(shù)CT成像技術(shù),則可以較好地避免這些客觀(guān)因素的影響,提高工作面槽波透射探測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 槽波透射法原理

在地質(zhì)剖面中,煤層是一個(gè)典型的低速夾層,其頂?shù)装鍘r層構(gòu)成了高波阻抗界面,因此,在物理上構(gòu)成一個(gè)“波導(dǎo)”。當(dāng)煤層中激發(fā)體波的部分能量由于頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層中,不向圍巖輻射,在煤層中相互疊加、相長(zhǎng)干涉,形成一個(gè)強(qiáng)的干涉擾動(dòng),即為槽波(如圖1所示)。槽波的傳播距離遠(yuǎn),能量強(qiáng),波形特征易于識(shí)別,具有明顯的頻散特征,利用此特點(diǎn),通過(guò)對(duì)獲得的槽波記錄進(jìn)行頻散分析,不但可以證實(shí)煤層中槽波的存在與否,還能用來(lái)對(duì)煤層中的地質(zhì)構(gòu)造及異?，F(xiàn)象進(jìn)行探測(cè)。

α-入射波入射角;β-透射波透射角;i0-臨界角;V1、V2-介質(zhì)波速圖1 槽波形成示意圖Fig.1 Formation of in-seam waves

通過(guò)利用槽波地震對(duì)工作面展開(kāi)透射法探測(cè)時(shí),一般利用工作面的兩條順槽巷道分別布置檢波器和炮孔,并要注意檢波器與炮孔都應(yīng)布置在煤層中部位置。在工作面現(xiàn)場(chǎng)布置完畢后,依次利用每個(gè)炮孔裝填炸藥并引爆,從而利用檢波器來(lái)接收振動(dòng)波的數(shù)據(jù),不同的振動(dòng)波速度不同,最先到達(dá)的是沿煤層及其頂?shù)装鍌鞑タv波與橫波,之后到達(dá)的才是沿煤層傳播的槽波。槽波傳播路徑中如果遇到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí),其形成槽波的條件發(fā)生改變,使得槽波的能量減弱, 槽波透射探測(cè)見(jiàn)圖2[3-4]。

圖2 工作面槽波透射探測(cè)示意圖Fig.2 Exploration with in-seam wave transmission in working faces

2 能量衰減系數(shù)成像理論

槽波透射傳播過(guò)程中遇到斷層和陷落柱等構(gòu)造產(chǎn)生明顯的能量衰減,因此通過(guò)槽波能量的衰減系數(shù)CT成像能夠判定異常區(qū)域的位置。

以第j炮第i條射線(xiàn)為例,網(wǎng)格化模型,射線(xiàn)經(jīng)過(guò)網(wǎng)格介質(zhì)衰減系數(shù)為α1、α2、…、αi、αn,設(shè)震源激發(fā)的槽波包絡(luò)振幅為aoj,檢波器i接收槽波包絡(luò)振幅為ai,經(jīng)過(guò)網(wǎng)格的射線(xiàn)路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)ij,則:

aoje-(Li1α1+Li2α2+…+Linαn)=αi.

(1)

兩邊都除以aoj然后取對(duì)數(shù):

(2)

令:

=[α11α21…αi1],

作出方程矩陣:

Aα=b.

(3)

通過(guò)振幅比值進(jìn)行計(jì)算,無(wú)需對(duì)振幅進(jìn)行計(jì)算。

顯然αi≥0,bj≥0。當(dāng)bj=0,所有α=0,當(dāng)任意:α=∞,bj=∞。

其中:∞≤b,α≤0。

設(shè)模型離散網(wǎng)格數(shù)為n,即方程求解數(shù)為n,射線(xiàn)條數(shù)為m,設(shè)A為射線(xiàn)路徑矩陣,作出的求解矩陣為:

Am×nαn×1=bm×1.

(4)

約束條件為αi≥0,衰減系數(shù)矩陣方程解法可采用多種算法進(jìn)行計(jì)算,如ART、SART、SIRT等算法,所得衰減系數(shù)結(jié)果反映了構(gòu)造存在情況,衰減系數(shù)大的區(qū)域代表地質(zhì)構(gòu)造異常影響,衰減系數(shù)小的區(qū)域代表煤層正常[5-8]。

3 成莊礦15#煤層某工作面探測(cè)實(shí)例

3.1 探測(cè)區(qū)概況

該工作面煤層頂板為K2石灰?guī)r,煤層底板為鋁土巖,平均煤厚為4.11 m,煤層中有兩層夾矸,上層夾矸距離煤層頂板0.8 m左右,下層夾矸距離煤層底板1 m左右;工作面走向長(zhǎng)度1 600 m,寬度200 m,煤層傾角1°～5°,近水平。為了解清楚工作面內(nèi)構(gòu)造范圍情況進(jìn)行了此次槽波透射勘探。工作面兩側(cè)順槽巷道揭露了陷落柱及斷層構(gòu)造,本次探測(cè)目的為探測(cè)出工作面內(nèi)部主要陷落柱。

3.2 觀(guān)測(cè)系統(tǒng)布置

此次槽波勘探在15#煤1307工作面進(jìn)行透射探測(cè),總測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度為1 600 m,測(cè)線(xiàn)寬度為200 m;檢波器布置在13073巷,共81個(gè),道間距為20 m;炮點(diǎn)布置在切眼與13072巷,其中切眼4炮,炮間距40 m,13072巷81炮,炮間距20 m,每炮的炸藥量為200 g。觀(guān)測(cè)系統(tǒng)布置見(jiàn)圖3。

圖3 1307工作面觀(guān)測(cè)系統(tǒng)布置圖Fig.3 Layout of observation systems in No.1307 working face

3.3 數(shù)據(jù)分析

本次槽波勘探原始數(shù)據(jù)以SG2格式保存,根據(jù)本次槽波的原始單炮記錄觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)成莊XV1307工作面槽波速度普遍較高(接近1 150 m/s),與橫波(即S波)速度較為相近,以致在原始數(shù)據(jù)很難明顯區(qū)分槽波與橫波,分析原因可能為15#煤質(zhì)較硬,頂?shù)装鍘r性差異較大,且檢波器所在巷道煤層中存在兩層夾矸所致,因此,槽波時(shí)頻分析中對(duì)旅行時(shí)的拾取誤差可能對(duì)探測(cè)成果產(chǎn)生一定的影響。如圖4為工作面內(nèi)透射第17炮的原始單炮記錄,圖中紅色區(qū)域?yàn)樗俣茸羁斓目v波(即P波),速度約5 340 m/s。

圖4 1307工作面第17炮單炮記錄數(shù)據(jù)Fig.4 Data of No.17 shot on No.1307 working face

3.4 探測(cè)成果分析

由圖5和圖6可以看出,由于受到數(shù)據(jù)分析中所提到的各種因素影響,速度分析CT成圖可靠程度比較低,難以作為主要結(jié)論成圖,只作為參考;而能量衰減系數(shù)CT成圖由于抗干擾程度較高,分析結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)揭露情況較為吻合,故作為本次探測(cè)的最終成果圖。本次探測(cè)結(jié)果共探測(cè)出8處槽波能量衰減異常區(qū)域,結(jié)合實(shí)際工作面地質(zhì)資料綜合分析,最終圈定兩處陷落柱、三處斷層以及三處煤層破碎帶及應(yīng)力集中區(qū)域。

圖5 1307工作面能量衰減系數(shù)CT成圖Fig.5 CT Imaging with energy attenuation coefficient in No.1307 working face

圖6 1307工作面速度分析CT成圖Fig.6 CT Imaging with speed analysis in No.1307 working face

4 結(jié)論

1)成莊礦15#煤層槽波波速普遍較高,與S波速度相近,在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)的拾取偏差較大,使得最終速度CT成像準(zhǔn)確率降低。

2)通過(guò)對(duì)槽波振幅進(jìn)行拾取,而后進(jìn)行反演計(jì)算,最終成圖,這種利用槽波能量衰減系數(shù)CT成像方法,不會(huì)受到槽波與S波走時(shí)相近較難區(qū)分的影響,且對(duì)陷落柱和斷層等構(gòu)造影響區(qū)域反應(yīng)較為明顯,探測(cè)結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)揭露情況也較為吻合[9-14]。

3)由于檢波器數(shù)量的限制,在觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,射線(xiàn)密度還有所欠缺,若增加檢波器數(shù)量,增大射線(xiàn)密度,不僅可以使數(shù)據(jù)量增大,還能夠提高最終能量衰減系數(shù)CT成圖的分辨率,對(duì)異常區(qū)域位置反應(yīng)更精確。

4)透射能量衰減系數(shù)CT成圖探測(cè)方法對(duì)于不同走向的斷層的探測(cè)分辨率可能有所差別,本次所探測(cè)斷層走向均與觀(guān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)線(xiàn)方向近90°,可能此種觀(guān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于與其測(cè)線(xiàn)方向角度近平行的斷層分辨率較低。

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