基于三维数值模拟的复杂构造地区槽波精细探测研究

陈 超，曹路通

(1.内蒙古平庄能源股份有限公司 六家煤矿，内蒙古 赤峰 024000； 2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013)

我国大多数含煤盆地历史上经过多期次构造运动作用，致使原始状态下煤层的非均质性强烈、构造特征复杂，严重制约着我国煤炭的安全高效开采[1-2]。煤层内部小型地质构造通常伴生于区域大型地质构造背景下，构造异常的空间展布特征往往难以精细揭示，这给工作面的安全回采带来巨大阻碍[3-5]。因此，如何对煤矿微小构造特征进行精确探测，确保生产安全，预防事故发生，一直是煤炭地质专家研究的重点和难点[6-7]。

目前的煤田构造探查多基于地面物探和矿井物探2类方法，其中地面物探多为二维、三维地震勘探，地面地震探测受区域地形、煤层赋存条件限制，其探测结果只能揭示区域较大构造的分布，小型断层、陷落柱难以精确辨识，导致构造解释结果与开采需求存在一定的差距[8]。矿井物探因其更加接近目标体，对于井下微小构造异常现象具有更好的探测效果，常用的有矿井无线电波坑透、地质雷达、槽波地震探测等[7-9]。矿井无线电波坑透方法是探测工作面内部构造常用的方法，但是其探测精度无法满足回采工作面构造精细探测需求，且其对工作面外帮难以实施，对后续工作面布设无法起到指导作用[10]。地质雷达等因仪器发射功率、工作面施工条件等限制，其探测距离与精度有限，难以满足矿井安全生产需求[11]。槽波地震探测是目前煤矿井下构造探查最有效的方法之一，其在微小断层、不规则陷落柱、煤厚变化情况、采空现象、废弃巷道等地质异常可以实现精细探测和定量化揭示，经过多年的发展，在探测精度、探测距离、井下复杂环境情况下抗干扰能力等方面具有明显的优势，其理论和技术日趋成熟[9-10，12]。

内蒙古平庄能源股份有限公司六家煤矿所在的平庄煤田处于大兴安岭新华夏系构造与阴山纬向构造交合区域，为一典型的半断陷型聚煤盆地，区内断裂十分发育，地层产状变化显著，构造特征较为复杂，这对煤层的安全高效开采形成了较大威胁。为了查明矿井地质构造、煤层变化等地质问题，确保煤矿安全、高效生产，多年来六家煤矿开展了诸多钻探、物探工作，并取得了一些成效，但由于受到探测技术和井下巷道空间限制，对断层的探测精度有限。特别对于工作面内部其异常地质构造(如断层、破碎带等)探测的准确性不高。为此，本文基于井田地质资料建立了多岩层断裂条件下的三维地质模型，通过正演分析，揭示了构造模型槽波能量、波场和频散等特征，并通过CT成像证明了槽波探测的可行性。在三维数值模拟的基础上，通过透射槽波探测技术对E1N46-7工作面进行精细探测，揭示了工作面内部及其周边微小构造展布特征，并分析了工作面煤厚变化情况，且与巷道掘进及工作面回采过程揭露断层特征进行了对比，验证了本次探测成果的有效性及其精细程度，为工作面的顺利回采奠定了坚实基础。

1 地质背景

内蒙古平庄能源股份有限公司六家煤矿位于平庄煤田东北部。井田构造特征总体上呈北北东向展布，倾向北西，呈单斜构造，在此基础上井田内发育有大小不等的30多条断层，均属北东向走向或斜交正断层。井田内地层受断裂构造的影响，地层产状变化较大，全区平均倾角为16°～23°。

E1N46-7综放工作面埋深为420.2～484.0 m，走向长876.8 m、倾斜长156.0 m。该工作面煤层为6-7煤层，上部为6-6煤层，下部为6-8煤层，煤层距离较近。6-7煤层为复合煤层，结构复杂，走向为N38°E～N30°W，倾向NW，倾角3°～18°。煤层最大厚度6.05 m，最小厚度3.60 m，平均厚4.89 m，含夹矸层厚度0～0.73 m，顶、底板均以泥岩、砂质泥岩为主。

2 多岩层断裂条件下的三维波场模拟

为了揭示工作面多岩层断裂时的三维波场特征及探测效果，这里设计了包含巷道的槽波地震地质三维层状模型，通过交错网格有限差分GPU并行算法提高计算效率，实施三维波场数值模拟，并分析探测效果和精度，为在该区的应用及后期奠定基础[9，13]。

2.1 多岩层断裂条件下的三维层状模型

建立包含巷道的三维层状模型(图1)，模型空间(x、y方向)大小为1 000 m×300 m，z方向大小选取50 m；共有8层，自上而下依次为砂岩(厚10 m)、6-5煤层采空区(厚5 m)、泥岩(厚0.5 m)、6-6煤层(厚7.5 m)、夹矸(厚2.5 m)、6-7煤层(厚5 m)、粉砂岩(厚6 m)、6-8煤层(厚2.5 m)、砂岩(厚11 m)。设计运输巷、轨道巷长度均为800 m，巷道宽4.5 m，高5 m，模型的x和y方向网格大小为1 m，z方向网格大小为0.5 m，采样间隔0.5 ms，时长1 s。各岩层物性参数见表1。

图1 三维层状模型Fig.1 Three-dimensional layered model

表1 三维模型岩层介质参数Tab.1 Medium parameters of 3D model strata

震源加载方式为纯纵波震源，依据目标煤层6-7煤的煤厚埃里相确定频率，布设于工作面侧帮中部。观测系统设计为：震源序列的间距为20 m，采用了一条接收线，全巷道观测方式，接收点位于工作面侧帮中部，所有接收点的间距为2 m。共布设接收点800个，每个点三分量接收，激发点80个。模型巷道位置、震源及接收序列位置如图2所示。

图2 震源及接收序列分布Fig.2 Source and receiving sequence distribution

2.2 多岩层断裂模型的透射槽波波场模拟及特征分析

设计模型中目标煤层厚度为5 m，断层的夹角与倾角均为45°，落差为3 m，断层贯穿模型多岩层(图2)。模拟槽波信号接收采用三分量接收，即x、y和z分量分别接收平行工作面走向、平行切眼方向和垂直底板方向的槽波信号，采用交错网格有限差分GPU并行法对多岩层断裂模型实施弹性波数值模拟。

根据数值模拟结果，选取S19炮进行分析。基于三维模型x、y、和z三分量接收的模拟结果如图3—图5所示。从三分量的单炮记录上可以看出，槽波能量连续性好，在遇到断层之前透射槽波清晰明显，在传播到断层后，槽波能量衰减明显甚至消失。槽波单炮记录表明基于工作面顶、底板岩性特征情况下落差3 m左右的断层可以引起槽波能量的变化，具备可探测可识别性。

图3 模型基于x分量的槽波单炮记录、频散曲线及槽波CT成像Fig.3 Single shot recording，dispersion curve and CT imaging of seismic trough wave based on x component

图5 模型基于z分量的槽波单炮记录、频散曲线及槽波CT成像Fig.5 Single shot recording，dispersion curve and CT imaging of seismic trough wave based on z component

槽波属于较为典型的频散波，井下槽波速度的变化与频率有直接关系[14]。通过槽波的频散特征可以看出，煤厚5 m的埃里相在110 Hz附近，埃里相速度在1 100～1 300 m/s，可见大部分的槽波能量均集中在埃里相附近。

CT成像图中暗蓝色背景区域表明槽波穿透性良好，呈青色至红黄色的条带状区域为槽波能量衰减区。通过对比分析表明，CT成像中条带状槽波能量衰减区域即为三维模型中断层的区域响应特征。

综合表明多岩层断裂情况下，透射槽波CT成像信号反映强烈，效果显著。基于本区6-7煤层围岩特征实施透射槽波探测，可以有效揭示落差近一半工作面煤厚的微小隐伏断层。

3 探测实例

六家煤矿区内地层产状变化较大，断裂发育，为较为典型的构造复杂矿井，存在突出的井下微小断裂不明、局部煤厚变化不甚清晰的问题。此次探测实例在多岩层断裂条件下三维波场模拟的基础上，采用全排列采集方案开展E1N46-7工作面6-7煤层的透射槽波探测研究，以期最大限度地接收有效数据，对工作面微小构造空间分布及煤厚变化进行精细揭示。

3.1 工作面布设

此次E1N46-7工作面透射槽波探测研究的目标煤层为6-7煤层，采用运输巷和轨道巷依次激发的“全息采集”方式实施工作面数据采集，其中接收点间距为10 m，炮间距为20 m，激发点孔深3.0 m，孔径42 mm，分布在工作面侧帮煤壁中部，距巷道底部1.5 m，药量0.3 kg/孔，接收点平行布设在激发点两侧。使用存储式无缆遥测地震仪(YTZ-3)进行数据采集，采样间隔为0.25 ms，记录长度2 s。具体布置情况见表2。

表2 E1N46-7工作面槽波探测测点布设Tab.2 Layout of seismic trough wave detection system in E1N46-7 working face

3.2 数据处理及分析

E1N46-7工作面S39炮滤波前后的单炮记录如图6所示。原始单炮记录中可见3种波形，基于检波器接收到波阻信号的先后顺序依次为：折射纵波(速度为4 125 m/s)、折射横波(速度为1 950 m/s)和能量较强的槽波(速度为900 m/s)[15-16]。图6(a)中可见能量较弱的折射纵波和横波，而透射槽波能量最强。由于数据质量受背景噪声的影响，信噪比相对较低，这里基于频谱分析确定噪声成分的范围，对槽波数据实施带通滤波处理。处理后可见槽波能量显著增强，信噪比提高，波形特征明显。图6(b)中可见槽波对异常构造区域具有明显的响应，煤层正常区段槽波信号连续性好，能量强，振幅高，在构造发育区域存在明显的槽波缺失或能量减弱现象。这里基于滤波处理后的槽波数据实施成像等处理解释[17-19]。

图6 S39炮滤波前后单炮记录对比Fig.6 Comparison of single shot records before and after S39 shot point filtering

3.3 频散分析

基于目标煤层及其围岩的纵、横波速度等参数，可通过槽波频散方程获取本区目标煤层的频散曲线[20-21]，揭示各频率段上槽波的速度。槽波频散曲线如图7所示，E1N46-7工作面6-7煤层埃里相的频段约为50 Hz，埃里相速度在800～900 m/s，槽波在本工作面发育较好，大部分能量分布在50～250 Hz。

图7 透射槽波频散分析Fig.7 Dispersion analysis of transmitted trough wave

3.4 槽波成像与成果分析

E1N46-7工作面能量CT成像结果如图8所示。图8中，工作面中部至东一运输上山部分的深色区域代表槽波能量正常穿透区，该区域槽波能量相对较强，衰减系数较小，表明工作面内部无明显异常构造；而工作面中部至切眼部分的渐变色代表槽波能量穿透异常区，该区域槽波能量相对较弱，表明工作面内部可能有隐伏构造的存在。图8中CT成像结果表明，工作面中部向切眼一侧存在诸多槽波异常区域。结合工作面透射槽波CT成像结果、单炮记录及相关地质资料分析认为，E1N46-7工作面存在3处断层和1处煤厚变薄区，共4处地质异常，分别为CF1至CF4。

图8 E1N46-7工作面CT成像结果Fig.8 CT imaging results of E1N46-7 working face

CF1异常分布在工作面中部，为区内新发现断层，走向N34°E，落差在1.0～2.5 m，在工作面内延伸长度约280 m。CT成像结果清晰，在单炮记录上有明显的反射槽波。同样地，CF2异常为新发现断层，走向N22°E，落差为3～5 m，分布在工作面中部并向切眼方向延伸455 m，该异常在CT成像中反映明显。CF3异常为修正的正断层异常反映，断层走向N25°W，落差为3～5 m，从工作面中部向轨道巷方向延伸长度为170 m。该断层在工作面轨道巷掘进过程中揭露，此前其向工作面内部延伸情况不清，此次探测揭示了其真实延伸信息，在CT成像中有明显的反映。CF4异常为煤厚变薄区，位于工作面靠近切眼方向，分布在运输巷附近，长约340 m，宽约66 m，面积约14 950 m2。基于CT成像显示，该处异常内槽波信号衰减严重，槽波异常明显。根据反演结果，异常区内煤层厚度在2.5～3.5 m。

截至目前工作面回采揭露显示，工作面回采揭露实际情况与此次槽波探测结果吻合良好，验证了此次透射槽波在构造复杂区域针对隐伏断层的良好探测效果。甚至此次探测揭示了落差小于1/2煤层厚度的断层，修正了早期断层的空间方位信息，证明了透射槽波探测的精细程度。

4 结论

(1)基于实际地质资料建立多岩层断裂条件下的三维地质模型，通过三维波场数值模拟正演，揭示了构造模型中槽波发育特性及频散特征，并通过CT成像证明了构造条件下实施槽波探测的可行性。

(2)通过“全息采集”方式可最大限度地接收有效信号，实现对工作面微小构造的空间分布及煤厚变化情况的精细探测。

(3)结合工作面透射槽波CT成像结果、单炮记录及相关地质资料分析认为，E1N46-7工作面存在3处断层和1处煤厚变薄区，共4处地质异常。工作面回采揭露实际情况与此次槽波探测结果吻合良好，为矿井安全回采提供了坚实的技术支撑。