金 丹

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綜采工作面隨采地震的采煤機(jī)震源模擬

金 丹

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了分析以采煤機(jī)作為震源接收到的隨采地震數(shù)據(jù)的波場(chǎng)特征，從正演模擬的角度出發(fā)，通過將采煤機(jī)截割方式及滾筒的受力情況轉(zhuǎn)換為震源力函數(shù)的形式，以不同時(shí)間不同位置的荷載分布作為震源對(duì)波動(dòng)方程進(jìn)行加載，采用高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法對(duì)波動(dòng)方程進(jìn)行求解，得到正演單炮數(shù)據(jù)。最終，數(shù)值模擬得到的隨采地震數(shù)據(jù)顯示出，采煤機(jī)震源激發(fā)的波場(chǎng)中，橫波能量占據(jù)主導(dǎo)地位，縱波能量較小，且在高頻數(shù)據(jù)中，分量上有明顯的槽波存在，其極化特征顯示出該槽波為L(zhǎng)ove型槽波。最終，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際采集的分量數(shù)據(jù)對(duì)比表明，二者在波場(chǎng)成分及分布方面具有較高的相似性。

隨采地震；正演模擬；采煤機(jī)；截割荷載；交錯(cuò)網(wǎng)格

井下地震勘探相比地面地震勘探，能夠近距離的對(duì)異常構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，避免了地面三維地震因較長(zhǎng)傳播距離導(dǎo)致的高頻衰減，因而，對(duì)工作面前方以及巷道周圍的隱伏構(gòu)造有更高的勘探精度，目前，在井下異常構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用越來越廣泛。近年來，槽波地震勘探為礦井地質(zhì)構(gòu)造的探明提供了有效手段，得到比較好的應(yīng)用效果，它具有探測(cè)距離大、精度高、抗干擾性強(qiáng)，波形特征明顯等特點(diǎn)，為煤層內(nèi)的陷落柱、斷層及煤層尖滅等異常地質(zhì)情況的解釋給予可靠依據(jù)，成為煤礦安全生產(chǎn)的有力保障[1-2]。井下槽波地震勘探在探測(cè)采煤工作面前方異常構(gòu)造時(shí)，通常需要中斷采煤作業(yè)，且在推廣應(yīng)用時(shí)受限于它的震源形式，難以普及使用。為此，借鑒隨鉆地震勘探的思路，人們提出了以采煤機(jī)作為震源、利用地震干涉的方式對(duì)工作面前方進(jìn)行實(shí)時(shí)成像的隨采地震探測(cè)技術(shù)[3-9]。

以采煤機(jī)截割煤層時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)作為震源時(shí)，與常規(guī)地震勘探所使用的爆炸震源存在較大差異。爆炸震源一般為各向同性的震源成分，它是一個(gè)脹縮源，相當(dāng)于在震源點(diǎn)瞬間產(chǎn)生一個(gè)徑向壓力，壓力的傳播方向由源點(diǎn)指向周圍介質(zhì)。在壓力傳播過程中，便產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的擾動(dòng)，其振動(dòng)方向與壓力傳播方向一致，激發(fā)出P波。采煤機(jī)截割煤層時(shí)由于井下環(huán)境惡劣、煤層結(jié)構(gòu)隨機(jī)性大、截齒截割的不連續(xù)性，同時(shí)煤巖脆性崩落也并無規(guī)律，這些使得采煤機(jī)在截割過程中滾筒載荷復(fù)雜多變，由載荷引起的壓力傳播也隨之變化。當(dāng)以采煤機(jī)作為震源時(shí)，由于其震源情況較為復(fù)雜，如果直接以處理常規(guī)井下地震數(shù)據(jù)的方式來處理隨采數(shù)據(jù)，則會(huì)由波場(chǎng)識(shí)別錯(cuò)誤導(dǎo)致的成像不準(zhǔn)。為此，隨采地震的正演模擬較為必要，通過對(duì)隨采數(shù)據(jù)的模擬，分析其波場(chǎng)，為后續(xù)處理及解釋提供指導(dǎo)作用。筆者首先對(duì)采煤機(jī)截割方式及滾筒的受力情況進(jìn)行分析，進(jìn)而以震源力函數(shù)的形式，將不同時(shí)間不同位置的荷載分布作為震源對(duì)波動(dòng)方程進(jìn)行加載，通過高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法對(duì)波動(dòng)方程進(jìn)行求解，得到正演單炮數(shù)據(jù)。最終，對(duì)正演隨采地震數(shù)據(jù)進(jìn)行波場(chǎng)分析與對(duì)比，分析采煤機(jī)震源激發(fā)的波場(chǎng)特征，便于指導(dǎo)實(shí)際隨采數(shù)據(jù)采集以及波場(chǎng)識(shí)別。

1 采煤機(jī)截割方式

采煤機(jī)滾筒及其截割煤巖過程如圖1所示，采煤機(jī)滾筒上安裝有若干個(gè)截齒，這些截齒與煤體直接接觸；割煤時(shí)采煤機(jī)的牽引運(yùn)動(dòng)和滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成了截齒的運(yùn)動(dòng)，從而完成截齒割煤任務(wù)。

圖1 采煤機(jī)滾筒及其割煤過程示意圖

割煤?jiǎn)?dòng)階段，截齒會(huì)對(duì)煤體瞬間施加一個(gè)較大的沖擊力，沖擊力超過煤體的承受力時(shí)，煤體破碎垮落，同時(shí)煤體所受的力迅速降低至近似于0；由于牽引力作用，截齒會(huì)前移并再次接觸前方煤壁，旋轉(zhuǎn)力的推進(jìn)使得煤體承受的力越來越大，再次超過其承受力時(shí)便會(huì)垮落，受力又減??；如此周而復(fù)始的進(jìn)入作用力增大、煤體垮落、作用力減小的循環(huán)，完成采煤機(jī)的采煤過程。

2 采煤機(jī)受力分析

地震波數(shù)值模擬需要知道的是煤體的受力分析，而煤體的受力和采煤機(jī)的受力是作用力與反作用力的關(guān)系，因此，分析采煤機(jī)的受力便可得到煤體的受力。

采煤機(jī)通過滾筒上的截齒來截割煤巖，滾筒割煤時(shí)截齒隨滾筒旋轉(zhuǎn)以及采煤機(jī)沿工作面移動(dòng)對(duì)煤壁施以壓力，第個(gè)截齒上受到的力包括截割阻力Z，牽引阻力Y和側(cè)向阻力X。由力的分解法可以得到3個(gè)方向的分力a、b、c，將所有參與截割截齒(n個(gè))的分力疊加求和即可得到滾筒的三向荷載[10-11]：

式中為滾筒上的圓周角。

給定煤機(jī)滾筒參數(shù)及煤巖參數(shù)，依據(jù)截割阻力Z，牽引阻力Y和側(cè)向阻力X的定義對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，并由此計(jì)算R、R、R。圖2為R、R、R分別隨角度(0°~360°)的變化曲線，可以看出，R與R幅值較大，且呈現(xiàn)出類似正弦曲線規(guī)律的周期性，周期大約為120°。R幅值較小，且無規(guī)律，呈現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性[12]。

根據(jù)滾筒的轉(zhuǎn)速，將橫坐標(biāo)角度轉(zhuǎn)換為時(shí)間，并由采煤機(jī)的起始位置及沿工作面移動(dòng)的速度得到不同時(shí)刻采煤機(jī)對(duì)應(yīng)的位置(,,)。最終，由(,,,)確定網(wǎng)格坐標(biāo)，以滾筒的三向荷載作為震源進(jìn)行加載，為時(shí)間層和遞推提供能量，得到數(shù)值模擬結(jié)果。

3 采煤機(jī)震源加載方法

采煤機(jī)上與煤體直接作用的截齒數(shù)量較多，距離比數(shù)值模擬網(wǎng)格大，因此，難以真實(shí)對(duì)采煤機(jī)的截齒進(jìn)行描述。但不失一般性，考慮前兩節(jié)中的分析，本文以圖3的方式對(duì)滾筒割煤進(jìn)行簡(jiǎn)化：滾動(dòng)的半徑通常與數(shù)值模擬時(shí)網(wǎng)格剖面尺度相當(dāng)，因此，滾筒上的截齒按上下左右4個(gè)分布在滾筒(滾筒中心為震源位置)四周，除最右側(cè)的截齒不受力外(與煤體無接觸)，其他3個(gè)截齒均受到向左方向(采煤機(jī)移動(dòng)方向)的牽引力和逆時(shí)針方向的截割力(方向與截齒和滾筒中心連線垂直)。

圖2 滾筒載荷模擬曲線

圖3 采煤機(jī)震源加載示意圖

根據(jù)以上分析，假設(shè)為牽引力，為截割力，4個(gè)截齒點(diǎn)位置從上按逆時(shí)針順序排列，則震源加載格式為：

式中牽引力給定常數(shù)，截割力根據(jù)第2節(jié)在一諧波分量基礎(chǔ)上加入隨機(jī)噪聲。

由應(yīng)力表示的三維彈性波波動(dòng)方程如下式：

式中、、分別為、、軸方向上的位移分量；為時(shí)間；為介質(zhì)密度；F、F、F分別為體力在軸、軸和軸上的投影；σ、σ、σ分別為軸、軸和軸方向上的法向應(yīng)力；τ、τ、τ分別為、、平面內(nèi)的剪切應(yīng)力[13-14]。

將式(1)中滾筒的三向荷載作為體力代入式(3)，得

根據(jù)高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法，以差分代替微分，對(duì)波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬[15-16]，將二階位移分量(,,)轉(zhuǎn)為一階速度分量(V,V,V)，再將速度分量定義在離散時(shí)間+1/2和-1/2上，、表示、方向的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，用、、、、、、、分別表示V、V、V、σ、σ、σ、σ、σ對(duì)應(yīng)的差分形式如下：

速度–應(yīng)力交錯(cuò)網(wǎng)格下的離散剖分，計(jì)算精度比規(guī)則網(wǎng)格高，模擬過程采用這樣的剖分形式進(jìn)行計(jì)算。在波場(chǎng)的數(shù)值正演中，模型的邊界采用PML吸收邊界條件，來吸收衰減人工邊界產(chǎn)生的反射。最終，基于移動(dòng)的采煤機(jī)作為震源信號(hào)，模擬接收到的地震數(shù)據(jù)，并以此進(jìn)行分析對(duì)比。

4 隨采地震波場(chǎng)分析與對(duì)比

設(shè)計(jì)尺寸為500 m×226 m×48 m的層狀地質(zhì)模型，層數(shù)為三層，中間為煤層，各層的介質(zhì)參數(shù)如表1所示。網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m，工作面寬200 m，接收點(diǎn)沿方向展布，且在巷道兩側(cè)均等間隔布設(shè)24道，接收道距為15 m，時(shí)間采樣間隔為0.25 ms。正演觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為與實(shí)際采集相一致的采集參數(shù)，以采煤機(jī)作為震源，模擬采煤機(jī)震動(dòng)產(chǎn)生的地震信號(hào)，由布置在巷道的檢波器接收信號(hào)。

表1 介質(zhì)參數(shù)各層分布表

數(shù)值模擬得到的三分量數(shù)據(jù)記錄如圖4所示。從圖4可以看出，3個(gè)分量中縱波能量較弱，橫波為波場(chǎng)的主要成分，這在分量中表現(xiàn)尤為明顯。通過記錄的頻譜掃描，在130~170 Hz的高頻分量中(圖4d—圖4f)，有明顯的槽波存在。槽波主要由煤層中傳播的縱波、橫波等波場(chǎng)之間相互干涉形成，在煤層中的槽波具有強(qiáng)頻散特征，通常頻率較高，且頻率的高低主要受煤厚影響。對(duì)其進(jìn)行極化分析(圖5)，極化特性具有線性特征，且垂直于傳播方向。由此表明，隨采數(shù)據(jù)中，Love型槽波更加發(fā)育，而分量中并沒有明顯的Rayleigh型槽波存在。這些波場(chǎng)特征歸因于采煤機(jī)震源特定的截割方式，這種方式使得震源主要為旋轉(zhuǎn)切割力，因而震源中包含的橫波成分更強(qiáng)，導(dǎo)致隨采信號(hào)中橫波明顯占優(yōu)，同時(shí)Love型槽波(主要由SH橫波之間干涉產(chǎn)生)也更加發(fā)育。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果及其濾波結(jié)果

圖5 模擬y分量極化特征

在貴州某礦采集的實(shí)際隨采地震數(shù)據(jù)如圖6所示，受限于采集設(shè)備數(shù)量，本次試驗(yàn)只采集了48道分量的數(shù)據(jù)。將其與模擬數(shù)據(jù)中的分量(圖4b)對(duì)比，二者在波場(chǎng)成分及波場(chǎng)分布上具有較好的相似性，即分量中的波場(chǎng)中，橫波能量明顯占優(yōu)，這種特征利于避免在后續(xù)進(jìn)行的地震干涉過程中波場(chǎng)串?dāng)_帶來的信噪比降低問題。

圖6 隨采實(shí)際數(shù)據(jù)y分量

5 結(jié)論

通過對(duì)采煤機(jī)滾筒割煤過程及其受力情況進(jìn)行分析，同時(shí)經(jīng)過簡(jiǎn)化給出了波動(dòng)方程有限差分形式下采煤機(jī)震源的加載方式，由三分量數(shù)值模擬結(jié)果得出以下結(jié)論：

a.采煤機(jī)震源激發(fā)的波場(chǎng)中，橫波能量占據(jù)主導(dǎo)地位，縱波能量很??；三分量數(shù)據(jù)中，分量相對(duì)干凈，幾乎只有橫波成分。

b.在高頻數(shù)據(jù)中，分量上有明顯的槽波存在，經(jīng)過頻散分析和極化分析，該槽波為L(zhǎng)ove型槽波，表明隨采震源波場(chǎng)中，Love型槽波更加發(fā)育。

c.模擬結(jié)果與實(shí)際采集的分量數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明，實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果較為一致。

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Simulation of seismic-while-mining with shearer as source of fully mechanized mining face

JIN Dan

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to analyze the wave field characteristics of seismic-while-mining data excited by coal cutter as seismic source, forward simulation was used to calculate seismic data. We transform the cutting mode of spiral drum and the stress of drum into the force function of seismic source, which is added to the wave equation in the form of load distribution at different time and location. Wave equation is solved by high-order staggered-style finite difference method. Finally, the seismic data obtained by numerical simulation show that shear wave energy is very strong and press wave energy is very weak in the wave field excited by spiral drum. There are obvious in-seam waves- incomponent with high frequency, and its polarization characteristics show that in-seam wave is mainly of Love-type. Finally, the comparison between the simulated data and the actual-component data shows that they have high similarity in wave field composition and distribution.

seismic-while-mining; forward simulation; coal cutter; cutting load; staggered grid

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804); Guizhou Science and Technology Major Projects([2018]3003-1)；Science and Technology Innovation Venture Capital Special Project of Tian Di Science & Technology CO., LTD(2018-TD-QN054)

金丹，1987年生，女，陜西洋縣人，博士，從事地震數(shù)據(jù)處理方法研究. E-mail：jd.h@163.com

金丹. 綜采工作面隨采地震的采煤機(jī)震源模擬[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：15–19.

JIN Dan. Simulation of seismic-while-mining with shearer as source of fully mechanized mining face[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：15–19.

1001-1986(2019)03-0015-05

P631.8

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.003

2019-01-02

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2018YFC0807804)；貴州省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目([2018]3003-1)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項(xiàng)項(xiàng)目(2018-TD-QN054)

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)