我国主要矿区典型煤层槽波赋存发育特征研究

苏晓云

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤层中地质构造，如断层、陷落柱等引发的水害、瓦斯突出、顶板事故等安全问题层出不穷，槽波地震探测因不受煤矿井下铁磁物质的影响，具有传播距离大、探测精度高等特点，已经成为超长超宽大型工作面内地质条件探测的首选手段。但由于槽波的形成有一定条件，而我国从早古生代的腐泥煤到第四纪的泥炭，共有14个聚煤期，且各个成煤期的成煤环境和成煤条件也不相同，造成不同地区各个含煤建造在岩相、构造、含煤性及煤质均有差异，因此不同地区、不同煤层中煤层槽波赋存状况不同[1-6]。

我国主要矿区煤层槽波赋存发育特征已经有一定的研究基础，王文德[7]曾在20世纪90年代研究了不同地区、不同煤层中煤层槽波赋存状况。近年来，随着槽波探测工作在各矿区的相继开展，对各个矿区槽波发育特征也有了一定的认识，如王一[8]对山西阳煤某矿的槽波发育特征研究发现，槽波速度为1100m/s；王季[9]研究得出山西朔州大恒煤业煤层槽波速度为1250m/s，频率集中在150Hz；李俊堂等[10]研究得出山西太原组15号煤层槽波的主频为130Hz，速度为1000m/s。张强等[11]对宁夏金家渠煤矿的槽波发育特征研究发现槽波主频为80～160Hz，速度为950m/s，红柳煤矿槽波主频为80～160Hz，速度为700m/s；王继来[12]等对黄陵一号煤矿2号煤层研究发现槽波速度为950m/s；乐勇[13]对徐州义安煤矿研究发现槽波主频为125Hz，速度范围为800～2300m/s。王季等[14]对淮北青东煤业的槽波发育特征研究发现槽波速度为800～900m/s，白永利[15]对涡北煤矿研究发现槽波速度为1000m/s，槽波主频为200Hz。

前人多只针对单个矿区的研究成果进行论述，但同一矿区槽波赋存发育特征是否类似，不同矿区槽波赋存发育特征有无共同之处，值得进一步探究。为此，本文拟对我国主要矿区不同的煤层赋存特征建立模型，进行波场模拟研究，并结合实际数据对比分析，研究我国主要矿区典型煤层槽波赋存发育特征，为槽波实际资料的解释、分析提供参考依据。

我国重点建设的14个亿吨级大型煤炭基地中，多数已经开展过槽波探测，槽波的赋存发育可能与煤层厚度、顶底板条件、成煤时期、煤层埋深等有关。成煤时期和煤层埋深在地震波数值模拟中较难实现，且影响较小；而煤层的槽导水平，在很大程度上取决于煤层的厚度和煤层与上下围岩波速的差异大小，因此槽波赋存发育的研究主要应当针对不同煤层厚度和不同围岩类型两方面进行正演模拟。

1 不同煤层厚度模型的正演模拟

我国各个区域均有厚煤层和薄煤层发育，正演模拟选择主要矿区涵盖的不同煤层厚度数据建立模型，以研究不同煤层厚度下槽波发育的特征。

建立包含巷道的三维层状模型，模型大小为500m×200m，顶底围岩厚度各10m，中间为煤层，选取2m、5m、9m、15m、27m五种不同厚度，设计上巷及下巷两条巷道，x方向长度500m，y方向长度200m，空间剖分网格间距1m×1m，采样时间间隔dt=0.25ms，震源为涨缩震源，采用主频120Hz的雷克子波，同时激发纵波和横波。模型介质为各向同性弹性介质。三维层状模型、巷道位置、震源及接收序列位置如图1所示，图1中圆圈为激发点，三角形为接收点。单炮记录及槽波频散分析结果如图2所示。

图1 槽波传播特性的数值模型(煤厚5m为例)

图2 不同煤层厚度数值模型单炮及频散分析

根据图2中5种不同模型的槽波单炮发现：随着煤层厚度增加，单炮中槽波发育由集中向分散发展，发育程度以5m和9m的煤层厚度槽波发育最好。频散曲线对比发现：随着煤层厚度增加，多阶槽波越发育(由5m煤厚的2阶到27m煤厚的约4阶槽波)，槽波频散曲线越向低频移动，埃里相频率范围越宽，速度范围更广。

2 不同围岩模型的正演模拟

高速围岩一般为灰岩、砂岩的顶底板围岩，中速围岩为砂岩顶泥岩底或泥岩顶砂岩底，低速围岩一般为全泥岩顶底板。根据各个矿区含煤建造特点及槽波实际探测情况，我国主要矿区按照煤层围岩情况大致可划分为三个区域：宁陕蒙区域，山西区域，中原—华东区域，分别对应高速围岩、中速围岩、低速围岩。但同一矿区内不同煤层的顶底板亦有不同，某一区域(如山西区域)可能同时存在高速和低速围岩，因此区域的划分存在一定的局限性，但本文仅针对大区域内槽波发育情况为研究对象，因此仍以上述三个区域为大区域的划分。

煤系地层的岩石物性参数见表1，依此建立不同区域对应的不同围岩速度的三维数值模型进行正演模拟，高、中、低三种速度的不同围岩模型参数见表2[16-18]。模型大小为500m×200m，煤层厚度5m，围岩厚度10m，空间剖分网格间距1m×1m，采样时间间隔dt=0.25ms，震源为涨缩震源，采用主频120Hz的雷克子波，同时激发纵波和横波。模型介质为各向同性弹性介质。单炮记录及槽波频散分析结果如图3所示。

表1 煤系地层中岩石物性参数表

表2 不同围岩模型参数表

图3 不同围岩数值模型单炮及频散分析

对比分析图3中3种围岩模型的槽波单炮及频散曲线，可得槽波埃里相如下特征：①高速、中速围岩模型中，槽波发育较好，低速围岩模型中槽波发育较弱；②高速围岩模型中槽波埃里相更为明显，频散最为强烈，中、低速围岩模型中槽波频散程度依次减弱，且会受其它震波的影响；③高速围岩模型中槽波埃里相频率最低，中、低速围岩模型中槽波埃里相频率依次增高。

将3种围岩模型的频散曲线组合(图4)后可以看出：围岩速度越高，埃里相频率范围越窄，速度越低，槽波群速度范围越大；围岩速度越低，埃里相频率范围越宽，速度越高，槽波群速度范围越小。

图4 不同围岩数值模型频散分析对比

3 主要矿区槽波赋存发育特征

收集了我国主要矿区的37个煤矿近60个工作面实际项目资料，见表3(数据来源为内部项目成果)，对槽波的埃里相速度和频率、顶底板岩性、煤层赋存地层、构造复杂程度进行统计分析，可以发现我国主要矿区槽波赋存发育的以下规律。

3.1 槽波发育与煤层厚度的关系

由表3煤层厚度与槽波发育情况可见：宁陕蒙地区及山西北部煤层厚度一般在6m以上，槽波发育良好；其余区域煤厚一般小于6m，槽波发育为中等及较差。煤厚小于3m的矿区包括山西区域的碾沟矿、曙光矿，富家凹矿，中原-华东区域的朱庄矿、袁庄矿、薛湖矿、新桥等矿，这些区域槽波发育较差。这一结果与数值模拟中煤层厚度5m以下槽波能量较弱，5m以上槽波发育好、频散特征更明显一致。

3.2 地域性和地层特征

通过表3可以看出，按照大区域划分，在同一大区域内邻近研究区的槽波埃里相速度及槽波埃里相频率相近。

表3 我国主要矿区煤层槽波赋存发育特征

中原—华东区域中，淮北矿区8座煤矿，所采煤层主要是二叠纪石盒子组和山西组，槽波波速950～1050m/s，埃里相频率也在100～200Hz附近。渭北区域的铜川、彬长、黄陵矿区，所采煤层大多为侏罗纪延安组，槽波波速集中在900～1000m/s，埃里相频率也在100～200Hz范围内。

山西区域中平朔地区的大恒煤矿、东坡矿、井工一矿等槽波波速集中在1100～1200m/s，埃里相频率范围较宽，在100～300Hz范围内。而太原附近的碾沟煤矿、龙泉煤矿、曙光煤矿槽波波速在1300～1500m/s范围内，阳泉矿区槽波波速在900～1000m/s范围内。

宁夏宁东矿区和陕西神府矿区煤层赋存都为侏罗纪延安组地层，槽波波速都较低，分布在700～1000m/s范围内。

由此也可以看出在同一大区域的相同含煤地层中，槽波波速和埃里相频率变化不大，但同时，不同煤层槽波波速略有不同。

淮北矿区邹庄、涡北、朱仙庄三个矿，采集槽波数据的工作面所采煤层为石盒子组，槽波波速集中在1000～1050m/s。其余孙疃等矿所采煤层为山西组，槽波波速集中在950～975m/s。但埃里相频率没有显著区别。

全国范围内，本次收集到的主采煤层赋存为侏罗纪延安组的有10个煤矿，煤层中发育的槽波波速都在1000m/s以下，而石炭二叠纪煤层中发育的槽波波速相对较高，一般大于1000m/s，但石炭纪和二叠纪地层没有显著区别。

因此槽波发育特征具有明显的地域性，这主要是因为同一区域的地层特征较一致。

3.3 槽波波速与顶底板岩性的关系

将表3中的顶底板岩性情况进行统计得表4，以分析槽波波速与顶底板岩性的关系。由于灰岩与煤层物理性质差异相较砂岩更大，故分析时将灰岩与砂岩归为高速围岩的同一类进行统计。因此主要按照砂岩和泥岩顶底板情况对槽波波速进行分类，砂岩中另外分为砂岩顶、砂岩底、全砂岩3种。

表4 不同顶底板槽波波速统计

由表4可以看出：当顶底板全为砂岩时，槽波波速小于1000m/s的占75%；当顶板或底板其中一类为砂岩时，槽波波速小于1000m/s的也为75%，当顶底板全为泥岩时，槽波波速小于1000m/s的占40%。表明顶板岩性为砂岩或含砂岩时，槽波速度一般都小于1000m/s，但顶底板为泥岩时，槽波速度一般都大于1000m/s，这与正演模拟结果的围岩速度越高，槽波埃里相速度越低是相符的。这可能是由于不同顶底板的物性特征造成槽波槽导性不同，高速围岩与煤层物性差异更大，使得高速围岩槽导性较好，这种条件下发育的槽波更接近于槽波本身的低速高频特征。

3.4 槽波发育与地质构造发育程度的关系

按表3中不同矿区的地质构造复杂程度分类来分析槽波赋存发育程度与地质构造发育程度的关系。

根据采集到的实际资料，槽波发育程度宁陕蒙区域最好，山西区域次之，中原—华东区域较差。山西平朔及宁夏宁东、陕西神府等矿区是槽波发育最好的区域，这些区域地质构造发育相对简单，而安徽淮北、河南永城矿区地质构造发育较为复杂，槽波发育程度较差。

地质构造发育程度对槽波赋存发育的影响，可能亦是槽波槽导性受构造发育的影响。构造发育较简单时，槽波发育所需的顶底板和煤层槽导条件保存完好，槽波发育较好；构造发育较复杂时，槽波发育所需的顶底板和煤层槽导条件破坏较为严重，槽波发育较差。

4 结 论

槽波的赋存发育与煤层厚度有关，煤层厚度范围为5～9m时，槽波发育最好；高速、中速围岩模型中，槽波发育较好，频散最为强烈，埃里相频率低、速度低，群速度范围较宽。低速围岩模型中槽波发育较弱，频散程度较弱，埃里相频率高、速度高，群速度范围较窄。我国不同矿区的槽波发育特征呈现如下特点：①在同一大区域内邻近研究区由于地层相近的特点，槽波埃里相速度及频率相近；②槽波波速与围岩波速呈反相关，围岩速度越高，槽波埃里相速度越低；③矿区构造发育与煤层槽导条件有关，构造相对简单的矿区槽波发育较好。