成庄矿15#煤层槽波能量衰减系数CT成像技术的应用研究

李梓毓,焦 阳

(山西晋煤集团 技术研究院有限责任公司,山西 晋城 048006)

现今煤矿地质条件日趋复杂,其中陷落柱和断层是煤矿的主要地质构造,对煤矿的安全生产构成严重威胁。目前,大型机械化模式采煤工艺日趋成熟,已被我国各大型煤矿采用,并作为了主要的采煤方法,但随着现今工作面的倾向宽度变大,很多工作面的宽度已经超过了300 m。工作面的变宽使得现今常用的无线电坑透等探测方法已经不能满足对地质构造探测日益精细的要求。

槽波传播过程中受到断层和陷落柱等构造的影响,槽波能量衰减剧烈,而此种情况能量衰减幅度远大于震源、 检波器耦合等因素的影响,就可进行槽波衰减系数成像[1-2]。

以往槽波地震勘探中通过利用槽波频散的特征,在合适的频率中拾取槽波的旅行时,实现速度反演CT成图,利用槽波的高低速异常来对工作面内地质构造进行分析;以往多次的槽波透射探测过程中逐渐发现,在客观条件上存在诸多因素会影响到利用槽波速度CT成像分析工作面构造的探测的准确程度,例如不同煤层的物理力学性质、煤层夹矸、煤层顶底板岩性的差异以及不同段位雷管的延迟对数据处理的影响等,这些都会使槽波的速度分析准确性降低。然而通过利用槽波能量衰减系数CT成像技术,则可以较好地避免这些客观因素的影响,提高工作面槽波透射探测的准确性。

1 槽波透射法原理

在地质剖面中,煤层是一个典型的低速夹层,其顶底板岩层构成了高波阻抗界面,因此,在物理上构成一个“波导”。当煤层中激发体波的部分能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层中,不向围岩辐射,在煤层中相互叠加、相长干涉,形成一个强的干涉扰动,即为槽波(如图1所示)。槽波的传播距离远,能量强,波形特征易于识别,具有明显的频散特征,利用此特点,通过对获得的槽波记录进行频散分析,不但可以证实煤层中槽波的存在与否,还能用来对煤层中的地质构造及异常现象进行探测。

α-入射波入射角;β-透射波透射角;i0-临界角;V1、V2-介质波速图1 槽波形成示意图Fig.1 Formation of in-seam waves

通过利用槽波地震对工作面展开透射法探测时,一般利用工作面的两条顺槽巷道分别布置检波器和炮孔,并要注意检波器与炮孔都应布置在煤层中部位置。在工作面现场布置完毕后,依次利用每个炮孔装填炸药并引爆,从而利用检波器来接收振动波的数据,不同的振动波速度不同,最先到达的是沿煤层及其顶底板传播纵波与横波,之后到达的才是沿煤层传播的槽波。槽波传播路径中如果遇到断层、陷落柱等地质构造时,其形成槽波的条件发生改变,使得槽波的能量减弱, 槽波透射探测见图2[3-4]。

图2 工作面槽波透射探测示意图Fig.2 Exploration with in-seam wave transmission in working faces

2 能量衰减系数成像理论

槽波透射传播过程中遇到断层和陷落柱等构造产生明显的能量衰减,因此通过槽波能量的衰减系数CT成像能够判定异常区域的位置。

以第j炮第i条射线为例,网格化模型,射线经过网格介质衰减系数为α1、α2、…、αi、αn,设震源激发的槽波包络振幅为aoj,检波器i接收槽波包络振幅为ai,经过网格的射线路径长度为Lij,则:

aoje-(Li1α1+Li2α2+…+Linαn)=αi.

(1)

两边都除以aoj然后取对数:

(2)

令:

=[α11α21…αi1],

作出方程矩阵:

Aα=b.

(3)

通过振幅比值进行计算,无需对振幅进行计算。

显然αi≥0,bj≥0。当bj=0,所有α=0,当任意:α=∞,bj=∞。

其中:∞≤b,α≤0。

设模型离散网格数为n,即方程求解数为n,射线条数为m,设A为射线路径矩阵,作出的求解矩阵为:

Am×nαn×1=bm×1.

(4)

约束条件为αi≥0,衰减系数矩阵方程解法可采用多种算法进行计算,如ART、SART、SIRT等算法,所得衰减系数结果反映了构造存在情况,衰减系数大的区域代表地质构造异常影响,衰减系数小的区域代表煤层正常[5-8]。

3 成庄矿15#煤层某工作面探测实例

3.1 探测区概况

该工作面煤层顶板为K2石灰岩,煤层底板为铝土岩,平均煤厚为4.11 m,煤层中有两层夹矸,上层夹矸距离煤层顶板0.8 m左右,下层夹矸距离煤层底板1 m左右;工作面走向长度1 600 m,宽度200 m,煤层倾角1°～5°,近水平。为了解清楚工作面内构造范围情况进行了此次槽波透射勘探。工作面两侧顺槽巷道揭露了陷落柱及断层构造,本次探测目的为探测出工作面内部主要陷落柱。

3.2 观测系统布置

此次槽波勘探在15#煤1307工作面进行透射探测,总测线长度为1 600 m,测线宽度为200 m;检波器布置在13073巷,共81个,道间距为20 m;炮点布置在切眼与13072巷,其中切眼4炮,炮间距40 m,13072巷81炮,炮间距20 m,每炮的炸药量为200 g。观测系统布置见图3。

图3 1307工作面观测系统布置图Fig.3 Layout of observation systems in No.1307 working face

3.3 数据分析

本次槽波勘探原始数据以SG2格式保存,根据本次槽波的原始单炮记录观察,发现成庄XV1307工作面槽波速度普遍较高(接近1 150 m/s),与横波(即S波)速度较为相近,以致在原始数据很难明显区分槽波与横波,分析原因可能为15#煤质较硬,顶底板岩性差异较大,且检波器所在巷道煤层中存在两层夹矸所致,因此,槽波时频分析中对旅行时的拾取误差可能对探测成果产生一定的影响。如图4为工作面内透射第17炮的原始单炮记录,图中红色区域为速度最快的纵波(即P波),速度约5 340 m/s。

图4 1307工作面第17炮单炮记录数据Fig.4 Data of No.17 shot on No.1307 working face

3.4 探测成果分析

由图5和图6可以看出,由于受到数据分析中所提到的各种因素影响,速度分析CT成图可靠程度比较低,难以作为主要结论成图,只作为参考;而能量衰减系数CT成图由于抗干扰程度较高,分析结果与实际现场揭露情况较为吻合,故作为本次探测的最终成果图。本次探测结果共探测出8处槽波能量衰减异常区域,结合实际工作面地质资料综合分析,最终圈定两处陷落柱、三处断层以及三处煤层破碎带及应力集中区域。

图5 1307工作面能量衰减系数CT成图Fig.5 CT Imaging with energy attenuation coefficient in No.1307 working face

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

4 结论

1)成庄矿15#煤层槽波波速普遍较高,与S波速度相近,在后期数据处理时的拾取偏差较大,使得最终速度CT成像准确率降低。

2)通过对槽波振幅进行拾取,而后进行反演计算,最终成图,这种利用槽波能量衰减系数CT成像方法,不会受到槽波与S波走时相近较难区分的影响,且对陷落柱和断层等构造影响区域反应较为明显,探测结果与实际现场揭露情况也较为吻合[9-14]。

3)由于检波器数量的限制,在观测系统的设计上,射线密度还有所欠缺,若增加检波器数量,增大射线密度,不仅可以使数据量增大,还能够提高最终能量衰减系数CT成图的分辨率,对异常区域位置反应更精确。

4)透射能量衰减系数CT成图探测方法对于不同走向的断层的探测分辨率可能有所差别,本次所探测断层走向均与观测系统测线方向近90°,可能此种观测系统对于与其测线方向角度近平行的断层分辨率较低。

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