薄互煤層中透射槽波探測斷層的正演模擬

馬彥龍

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

透射槽波地震勘探技術應用于工作面回采前探查內部及隱伏構造，可以準確探查直徑15 m以上的陷落柱、落差大于1/2煤厚的斷層、煤層變薄區(qū)范圍等[1-3]。目前，槽波地震勘探技術已經(jīng)成為煤礦井下超長、超寬工作面構造探測以及采區(qū)、盤區(qū)等長距離、高精度構造探測的首選技術[4-6]。

西南礦井地質條件復雜，各種災害問題突出，薄互煤層、斷層構造極為發(fā)育，煤層結構大多為多夾矸復雜結構煤層[7-8]。以攀枝花煤業(yè)集團某礦為例，開采三疊系大蕎地組第八段(T3d8)14號煤層，其中夾矸多達6層，一般為3層，且變化較大，結構復雜，單層夾矸厚度0.01～0.53 m，一般小于0.20 m。夾矸對槽波探測及其他物探方法有較大影響?？飩サ萚9]通過對夾矸厚度、位置等變量的模擬，研究了含夾矸煤層的Love型槽波頻散特征；榮曉偉[10]對含夾矸煤層槽波頻散特性及影響因素進行了分析。前人對含夾矸煤層槽波特征研究的主要對象為北方礦區(qū)各個礦井，而對于西南地區(qū)的薄互煤層的槽波研究較少[11-13]。究其原因，一方面是煤層較薄，不利于槽波的產(chǎn)生和傳播；另一方面是夾矸多，含多層夾矸煤層的槽波傳播特征從理論上尚不成熟。筆者擬從槽波的正演模擬入手，依據(jù)西南礦區(qū)典型地質條件，建立薄互煤層數(shù)值模型，通過三維彈性波正演模擬分析槽波的波場特征和頻散特征，應用振幅衰減系數(shù)成像研究在薄互煤層中槽波探測斷層發(fā)育位置及延展方向的有效性，并結合實際井下地震數(shù)據(jù)研究夾矸對探測精度的影響，從而為槽波探測技術在西南地區(qū)的應用提供借鑒。

1 薄互煤層正演模擬

1.1 物性參數(shù)設計與模型建立

為了研究薄互煤層的井下地震響應特征，選擇西南地區(qū)的攀枝花煤業(yè)集團某礦進行研究，該礦開采14號煤層，可采范圍內以中厚煤層為主，厚度變化不大，規(guī)律性明顯，可采區(qū)內全為焦煤，煤類單一，總體仍屬較穩(wěn)定型煤層。夾矸一般為3層，巖性為深灰色薄層泥巖、炭質泥巖，頂?shù)装逡陨罨疑≈泻駥訝罘凵皫r和粉砂質泥巖為主。在分析其典型煤系地質特征及巖石彈性特征的基礎上，根據(jù)夾矸的空間分布特點及物性特征，結合巷道柱狀圖及煤層、圍巖、斷層等情況，建立了具有多層夾矸的三維地震地質模型[14]。煤層、圍巖及夾矸的主要物性參數(shù)見表1。

表1 正演模擬物性參數(shù)Table 1 Forward simulation property parameters

為分析夾矸與斷層對薄互煤層槽波造成的影響。分別建立了不含夾矸、含夾矸、含夾矸和斷層的3個模型，并分別采用三維彈性波模擬技術開展了正演模擬。對模型進行網(wǎng)格化，大小為0.1 m×0.1 m×0.1 m，時間采樣間隔0.05 ms，測線在煤層中央，炮間距20 m，道間距10 m，主頻150 Hz的雷克子波，炮點、檢波點布置如圖1所示。

圖1 炮點和檢波點布置Fig.1 Layout of shot points and detection points

圖2為煤(巖)層厚度4 m三維層狀模型空間示意圖，模型(x、y、z)尺寸600 m×180 m×18 m，下部圍巖z方向0～4 m為粉砂巖，5～6 m為泥質粉砂巖，煤層z方向為7～11 m，上部圍巖z方向12～14 m為泥質粉砂巖，巷道z方向15～18 m為粉砂巖。巷道截面y、z方向1 m×1 m，z方向中心點位于煤層中部，圖3為不含構造的三維層狀模型速度俯視圖、圖4為含構造的三維層狀模型速度立體圖，斷層落差大于1/2煤厚小于煤厚，該模型不含其他異常地質構造。

圖2 三維層狀模型Fig.2 Three-dimensional layered model

圖3 不含斷層的三維層狀模型速度俯視圖Fig.3 3D layered model without fault

圖4 含斷層的三維層狀模型速度立體圖Fig.4 Three-dimensional layered model velocity stereogram with fault

1.2 波形響應特征分析

本次研究模擬槽波信號接收選用z分量檢波器，即接收垂直底板方向的槽波信號?？v波(P波)與橫波(S波)是地震波的基本類型，當其傳播過程中遇到彈性分界面或非均勻體時，將產(chǎn)生反射波、透射波、折射波，在特殊條件下還可以產(chǎn)生回轉波、繞射波等。當體波(P、S)在低速夾層中傳播時，由于體波干涉，形成槽波。數(shù)據(jù)中包含的波場非常復雜，需要對其進行分析，分辨出不同類型的波場[15]。

對不含夾矸薄煤層模型z分量單炮記錄及頻散曲線進行分析(圖5)，最先到達的是來自圍巖的折射縱波(vP=3 170 m/s)，隨后是來自圍巖的折射橫波(vS=1 585 m/s)，后面較強的能量團是槽波(vS=1 250 m/s)。2 m煤厚(不含夾矸)的槽波頻散曲線能量主要集中在250～350 Hz，相速度1 300～1 400 m/s，對模型數(shù)據(jù)采用(250～280)～(330～350) Hz的帶通濾波，1 200～1 300 m/s的速度范圍內拾取槽波能量團，對槽波振幅衰減系數(shù)進行CT成像[16]，z分量成像在整個成像區(qū)域內沒有異常顯示(圖6)，與理論模型相一致，說明方法的有效性。

圖5 不含夾矸煤厚2 m槽波記錄及頻散曲線Fig.5 Channel wave record and dispersion curve of 2 m thick without partings

圖6 不含夾矸的三維層狀模型槽波振幅衰減系數(shù)CT成像Fig.6 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram without partings

對含夾矸模型數(shù)據(jù)進行分析(圖7)，4 m煤厚(含夾矸)的槽波頻散曲線能量主要集中在150～300 Hz，相速度1 100～1 200 m/s，槽波記錄體波能量相對集中且能量較強，對模型數(shù)據(jù)采用(150～180)～(280～300) Hz的帶通濾波，在1 100～1 200 m/s的速度范圍內拾取槽波能量團，對槽波振幅衰減系數(shù)進行CT成像(圖8)，整個成像區(qū)域內槽波振幅衰減沒有明顯的異常區(qū)域(藍色表示槽波能量強)，與理論模型成像相一致，說明含夾矸層狀模型相比不含夾矸層狀模型的槽波主頻低，基于實際煤層結構的理論模型，夾矸對槽波的發(fā)育和能量成像影響不大。

圖7 含夾矸的三維層狀模型槽波記錄及頻散曲線Fig.7 Channel wave record and dispersion curve of a three-dimensional layered model with partings

圖8 含夾矸的三維層狀模型槽波振幅衰減系數(shù)CT成像Fig.8 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram with partings

同樣，若含夾矸三維層狀模型工作面發(fā)育一條落差大于1/2煤厚小于煤厚的斷層，對其進行解釋分析，圖9是含構造的三維層狀模型槽波記錄及頻散曲線，對其進行振幅衰減系數(shù)CT成像(圖10)，整個成像區(qū)域在無斷層處槽波能量衰減小，根據(jù)圖4模型、圖9槽波記錄和圖10槽波CT成像顯示，可以清楚刻畫斷層位置及走向，在多夾矸復雜結構煤層中存在斷層，則斷層在成像中占據(jù)主導因素，槽波振幅衰減系數(shù)成像方法適用于該煤礦煤層的薄互層結構[17-21]。

2 應用實例

探測區(qū)煤層沉積環(huán)境為陸相沉積，斷層構造極為發(fā)育，含煤地層煤層厚度變化一般，結構復雜。煤(巖)層與圍巖的物性(密度、速度)差異較大，但是煤(巖)層結構復雜，含有多層夾矸，煤層賦存較穩(wěn)定、厚度變化不大，故煤層與圍巖的波阻抗差異明顯，煤層結構占據(jù)主導因素，呈現(xiàn)較好的地震波反射面，夾矸雖對槽波在煤層中傳播有一定的影響，不過工作面寬度在槽波可傳播的最大距離之內，總體槽波能量可能會衰減較大。

圖9 含夾矸、斷層的三維層狀模型槽波記錄及頻散曲線Fig.9 Three-dimensional layered model channel wave record and dispersion curve with fault

圖10 含夾矸、斷層的三維層狀模型槽波振幅衰減系數(shù)CT成像Fig.10 Three-dimensional layered model channel wave CT imaging diagram with partings and fault

本次槽波試驗結合正演模擬確定測線沿回風巷、切眼和運輸巷內側幫布置，從巷道上部、中部、下部對接收位置進行了試驗，結合正演模擬的槽波發(fā)育特征及頻散進行分析，發(fā)現(xiàn)中部接收槽波發(fā)育最好，炮點也布置在煤層中部，孔深3 m，施工布置如圖11所示。

①接收點布置：道距10 m，共設計接收點138個。

②激發(fā)點布置：炮距20 m，共設計激發(fā)物理點66個，每個激發(fā)點藥量為300 g。

采集結束后，進行槽波數(shù)據(jù)預處理，包括數(shù)據(jù)編輯、建立觀測系統(tǒng)、能量擴散補償及頻散分析，舉其中一個記錄進行說明。

圖11 施工布置圖Fig.11 Construction layout

結合正演結果的理論頻散特征，通過軟件計算出的Love型槽波的實際頻散特征(圖12)，整個14號煤(巖)層厚4.0 m的大部分能量集中在180～ 250 Hz附近，而實際數(shù)據(jù)中包含各種頻率的噪聲，但其噪聲頻率與速度均大于槽波速度(1 150 m/s)，通過寬頻濾波與帶通濾波以后，對本次數(shù)據(jù)處理影響不大，運用槽波振幅衰減系數(shù)CT成像方法進行解釋(圖13)。

圖12 實際槽波記錄及頻散曲線Fig.12 Actual channel wave record and dispersion curve

圖13 振幅衰減系數(shù)CT成像Fig.13 CT image of amplitude attenuation coefficient

由圖13可知，斷層CF2由切眼一直向工作面內部延伸，走向NE，傾向SE，長度為605 m。

根據(jù)工作面回采揭露，解釋的斷層與已揭露斷層吻合較高，其他異常區(qū)為小斷層。

3 結論

a.由薄互煤層中透射槽波探測斷層的正演模擬分析可知：在煤厚相同的情況下，含夾矸層狀模型比不含夾矸層狀模型的槽波主頻低；基于實際煤層結構的理論模型，0.5 m以下夾矸對槽波的發(fā)育和能量成像影響不大；斷層對槽波能量成像占主導因素，槽波振幅衰減系數(shù)成像方法適用于薄互層結構的煤層。

b.根據(jù)攀枝花煤業(yè)集團某礦煤層的實際驗證，透射槽波探測適用于西南地區(qū)薄互煤層的斷層探測，可為西南地區(qū)礦井解決構造問題提供新的手段。