董占元,吳國慶
(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,西安 710077)
在煤炭開采作業(yè)中,工作面的推進(jìn)會(huì)受到陷落柱的影響,同時(shí),回采工作面在遇到陷落柱發(fā)育區(qū)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)常規(guī)化布置,綜采效率也會(huì)由此大幅降低[1]。因此,在煤田井下勘探領(lǐng)域亟需發(fā)展一種高效快捷的陷落柱探測手段[2]。由于煤層中槽波的能量受到頂、底板的束縛,導(dǎo)致槽波具有能量強(qiáng)和衰減慢的特點(diǎn)。相比于其它煤田勘探方法而言,槽波具有探測距離遠(yuǎn)和信噪比高這兩個(gè)顯著的優(yōu)勢[3-5]。近年來,槽波在煤田地質(zhì)構(gòu)造探測領(lǐng)域的應(yīng)用快速增多,技術(shù)日趨完善。目前,槽波衰減CT成像技術(shù)已廣泛用于煤田中斷層、煤厚和陷落柱等地質(zhì)異常體的探測[6-7]。然而,能引起槽波衰減異常的因素很多, 對于陷落柱的探測,需要開發(fā)一種對陷落柱具有針對性的探測技術(shù),再結(jié)合槽波衰減CT成像結(jié)果進(jìn)行綜合解釋。姬廣忠等[8]研究發(fā)現(xiàn)煤層槽波的頻散與地質(zhì)異常體的類型有關(guān)。此外,由于陷落柱的幾何結(jié)構(gòu)與小斷層、煤層分叉及變薄區(qū)等小區(qū)域構(gòu)造異常存在巨大差異,也不像采空區(qū)和廢棄的巷道等大區(qū)域地質(zhì)異常具有很大的幾何結(jié)構(gòu)。因此,陷落柱應(yīng)具有特定的槽波頻散特征。為了進(jìn)一步研究陷落柱的空間幾何特征與煤層槽波頻散特征的關(guān)系,本文利用FK方法計(jì)算槽波單炮記錄的頻散,同時(shí)對比了不同規(guī)模陷落柱的頻散特征,并對槽波頻散特征與陷落柱的幾何特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。
在煤層的地震波速度要比頂?shù)装鍑鷰r低得多的條件下,地震波在煤層中被激發(fā)后,由此產(chǎn)生的彈性波向外傳播,煤層與頂、底板之間具有良好的反射界面,彈性波將以各個(gè)角度入射到頂?shù)装鍑鷰r[9-10]。在這些入射波中,有一部分的入射角大于臨界角時(shí),這些入射波的能量大部分將以全反射的形式回到煤層中,只有少部分透射到頂、底板。經(jīng)過一次全反射返回到煤層中的反射波,又會(huì)經(jīng)煤層以入射角大于臨界角的條件繼續(xù)入射到圍巖中,這樣就會(huì)在煤層中形成多次全反射,其中經(jīng)底板反射向上的波與經(jīng)頂板反射朝下傳播的波在煤層中會(huì)發(fā)生疊加和相互干涉。其中一些諧波成分被相互抵消,而其中一些滿足一定條件的諧波會(huì)在煤層槽內(nèi)相長干涉,能量就會(huì)被禁錮在煤層之中形成槽波[10-12]。在利用槽波進(jìn)行地質(zhì)勘探的過程中,檢波器一般布置在煤層中或錨桿上,如圖1所示。
圖1 槽波形成示意圖Figure 1 A schematic diagram of channel wave formation
槽波的頻散計(jì)算采用的是多通道分析方式,可由槽波的頻散曲線對覆蓋區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)異常體進(jìn)行估計(jì)。對散射波相速度計(jì)算的方法有多種,但是從實(shí)際效果來看,S變換的性質(zhì)讓這樣的計(jì)算變得更為直接。
信號h(t)的S變換可表示為
(1)
假設(shè)有兩個(gè)井下檢波器接收到的信號h1(t)和h2(t),那么信號h2(t)的S變換可由信號h1(t)的S變換進(jìn)行表達(dá)為
S[h2(t)](τ,f)=e-i2π f k(f)lS[h1(t)](τ-k′(f)l,f)
(2)
式中k(f)為槽波波數(shù),λ(f)是與頻率有關(guān)的衰減參數(shù),l是兩個(gè)接收點(diǎn)的距離。那么,可用下式進(jìn)行計(jì)算兩個(gè)檢波器系統(tǒng)的相速度
(3)
對于槽波的一個(gè)單炮記錄,由一系列的波數(shù)kj(f),j=0,1, …。對單炮記錄g(x,t)應(yīng)用S變換。對于每一個(gè)頻率值,可得到一系列關(guān)于時(shí)間和空間的二維復(fù)數(shù)矩陣函數(shù):
gf(x,τ)=S[g(x,τ)](τ,f,x)
(4)
假設(shè)震源的激發(fā)時(shí)刻和偏移距都為零,那么可引入S變換非平穩(wěn)槽波模型
(5)
(6)
可以通過下式將信號從f-x域轉(zhuǎn)換到f-k域
(7)
其中,
(8)
(9)
最后根據(jù)(3)式可得到槽波的速度頻散曲線。
為了研究不同幾何尺度陷落柱在槽波頻散的響應(yīng)特征,從大量已揭露的槽波勘探記錄里選擇了三個(gè)具有代表性的單炮記錄作為分析數(shù)據(jù)。這三炮單炮記錄代表了三種不同尺度的陷落柱的槽波勘探數(shù)據(jù)。這三個(gè)陷落柱是從眾多已揭露陷落柱中精選出來的,分別代表了小型陷落柱,中型陷落柱,大型陷落柱。它們的直徑尺寸分別為:10m,25m和40m。為了更為系統(tǒng)地研究陷落柱的頻散特征,我們還增加了一炮沒有經(jīng)過陷落柱的槽波單炮記錄,圖2為所收集的四炮單炮記錄。
根據(jù)FK頻散計(jì)算方法,對上述四種具有代表性的槽波單炮記錄進(jìn)行頻散分析,結(jié)果如圖3所示。陷落柱的存在會(huì)對槽波的傳播產(chǎn)生影響,即槽波的傳播遇到異常體,槽波頻散曲線的范圍向高頻方向擴(kuò)展。只有足夠低頻的槽波能完好無損的透過陷落柱,而其它頻率成分則在遇到陷落柱時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換。此外,由于在陷落柱與煤層之間的界面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,當(dāng)槽波傳到此處會(huì)形成復(fù)雜的散射,能量會(huì)被吸收,速度頻散的頻率范圍向高頻擴(kuò)大,頻散現(xiàn)象明顯。
(a)沒有陷落柱槽波單炮記錄
(b)直徑10m陷落柱槽波單炮記錄
(c)直徑25m陷落柱槽波單炮記錄
(d)直徑40m陷落柱槽波單炮記錄
圖3 槽波頻散特征Figure 3 Channel wave dispersion features
本次結(jié)合槽波CT成像與頻散的綜合解釋的工作面是一個(gè)陷落柱發(fā)育礦區(qū),因此對陷落柱的識別精度要求較高。
采用沿巷道和切眼側(cè)幫依次布置觀測系統(tǒng)的方式,總共布置了45個(gè)炮點(diǎn),1 390個(gè)檢波點(diǎn),檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)分別用藍(lán)色三角和紅色的圓圈表示,如圖4所示。槽波CT成像結(jié)果顯示共有8處槽波異常區(qū)域,通過與陷落柱的頻散特性綜合分析,解釋了CX1、CX2、CX3和CX4為4個(gè)陷落柱, 異常CYC1、
圖4 工作面基于FK頻散與衰減的陷落柱綜合解釋結(jié)果Figure 4 Comprehensive interpretation result of subsided column based on FK dispersion and decay in a working face
CYC2、CYC3和CYC4為非陷落柱,為煤層厚度或煤層頂板巖性變化區(qū)。同時(shí)確定了CX1為4個(gè)中幾何尺度最大的陷落柱,屬于大型陷落柱;其它3個(gè)陷落柱的幾何尺度相當(dāng),屬于中型陷落柱,解釋結(jié)果如圖4所示。經(jīng)與揭露地質(zhì)情況對比,吻合較好。
槽波地震方法可用于煤層內(nèi)陷落柱的探測。本文分析了不同幾何尺度陷落柱的槽波頻散特征。在槽波CT成像結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用陷落柱特有的槽波頻散特征進(jìn)一步對槽波異常區(qū)域是否是陷落柱進(jìn)行甄別,并在山西某工作面展開了陷落柱綜合識別的應(yīng)用,根據(jù)應(yīng)用效果可得出下列認(rèn)識:
(1)通過對透射槽波的規(guī)律分析,研究不同幾何尺度陷落柱的槽波頻散特征;
(2) FK槽波頻散分析能有效快捷地提取地震槽波記錄的響應(yīng)特征,通過對本工作面內(nèi)構(gòu)造情況與工作面槽波能量成像圖的對比分析,槽波能量成像結(jié)果對本工作面內(nèi)地質(zhì)異常反映比較明顯;
(3)通過槽波CT成像與槽波FK頻散特征的綜合應(yīng)用效果來看,槽波頻散特征有效地提高了陷落柱識別的準(zhǔn)確度,為煤炭的高效開采起到了重要的指導(dǎo)作用。