蘇曉云

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層中地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、陷落柱等引發(fā)的水害、瓦斯突出、頂板事故等安全問題層出不窮，槽波地震探測因不受煤礦井下鐵磁物質(zhì)的影響，具有傳播距離大、探測精度高等特點，已經(jīng)成為超長超寬大型工作面內(nèi)地質(zhì)條件探測的首選手段。但由于槽波的形成有一定條件，而我國從早古生代的腐泥煤到第四紀的泥炭，共有14個聚煤期，且各個成煤期的成煤環(huán)境和成煤條件也不相同，造成不同地區(qū)各個含煤建造在巖相、構(gòu)造、含煤性及煤質(zhì)均有差異，因此不同地區(qū)、不同煤層中煤層槽波賦存狀況不同[1-6]。

我國主要礦區(qū)煤層槽波賦存發(fā)育特征已經(jīng)有一定的研究基礎，王文德[7]曾在20世紀90年代研究了不同地區(qū)、不同煤層中煤層槽波賦存狀況。近年來，隨著槽波探測工作在各礦區(qū)的相繼開展，對各個礦區(qū)槽波發(fā)育特征也有了一定的認識，如王一[8]對山西陽煤某礦的槽波發(fā)育特征研究發(fā)現(xiàn)，槽波速度為1100m/s；王季[9]研究得出山西朔州大恒煤業(yè)煤層槽波速度為1250m/s，頻率集中在150Hz；李俊堂等[10]研究得出山西太原組15號煤層槽波的主頻為130Hz，速度為1000m/s。張強等[11]對寧夏金家渠煤礦的槽波發(fā)育特征研究發(fā)現(xiàn)槽波主頻為80～160Hz，速度為950m/s，紅柳煤礦槽波主頻為80～160Hz，速度為700m/s；王繼來[12]等對黃陵一號煤礦2號煤層研究發(fā)現(xiàn)槽波速度為950m/s；樂勇[13]對徐州義安煤礦研究發(fā)現(xiàn)槽波主頻為125Hz，速度范圍為800～2300m/s。王季等[14]對淮北青東煤業(yè)的槽波發(fā)育特征研究發(fā)現(xiàn)槽波速度為800～900m/s，白永利[15]對渦北煤礦研究發(fā)現(xiàn)槽波速度為1000m/s，槽波主頻為200Hz。

前人多只針對單個礦區(qū)的研究成果進行論述，但同一礦區(qū)槽波賦存發(fā)育特征是否類似，不同礦區(qū)槽波賦存發(fā)育特征有無共同之處，值得進一步探究。為此，本文擬對我國主要礦區(qū)不同的煤層賦存特征建立模型，進行波場模擬研究，并結(jié)合實際數(shù)據(jù)對比分析，研究我國主要礦區(qū)典型煤層槽波賦存發(fā)育特征，為槽波實際資料的解釋、分析提供參考依據(jù)。

我國重點建設的14個億噸級大型煤炭基地中，多數(shù)已經(jīng)開展過槽波探測，槽波的賦存發(fā)育可能與煤層厚度、頂?shù)装鍡l件、成煤時期、煤層埋深等有關。成煤時期和煤層埋深在地震波數(shù)值模擬中較難實現(xiàn)，且影響較?。欢簩拥牟蹖?，在很大程度上取決于煤層的厚度和煤層與上下圍巖波速的差異大小，因此槽波賦存發(fā)育的研究主要應當針對不同煤層厚度和不同圍巖類型兩方面進行正演模擬。

1 不同煤層厚度模型的正演模擬

我國各個區(qū)域均有厚煤層和薄煤層發(fā)育，正演模擬選擇主要礦區(qū)涵蓋的不同煤層厚度數(shù)據(jù)建立模型，以研究不同煤層厚度下槽波發(fā)育的特征。

建立包含巷道的三維層狀模型，模型大小為500m×200m，頂?shù)讎鷰r厚度各10m，中間為煤層，選取2m、5m、9m、15m、27m五種不同厚度，設計上巷及下巷兩條巷道，x方向長度500m，y方向長度200m，空間剖分網(wǎng)格間距1m×1m，采樣時間間隔dt=0.25ms，震源為漲縮震源，采用主頻120Hz的雷克子波，同時激發(fā)縱波和橫波。模型介質(zhì)為各向同性彈性介質(zhì)。三維層狀模型、巷道位置、震源及接收序列位置如圖1所示，圖1中圓圈為激發(fā)點，三角形為接收點。單炮記錄及槽波頻散分析結(jié)果如圖2所示。

圖1 槽波傳播特性的數(shù)值模型(煤厚5m為例)

圖2 不同煤層厚度數(shù)值模型單炮及頻散分析

根據(jù)圖2中5種不同模型的槽波單炮發(fā)現(xiàn)：隨著煤層厚度增加，單炮中槽波發(fā)育由集中向分散發(fā)展，發(fā)育程度以5m和9m的煤層厚度槽波發(fā)育最好。頻散曲線對比發(fā)現(xiàn)：隨著煤層厚度增加，多階槽波越發(fā)育(由5m煤厚的2階到27m煤厚的約4階槽波)，槽波頻散曲線越向低頻移動，埃里相頻率范圍越寬，速度范圍更廣。

2 不同圍巖模型的正演模擬

高速圍巖一般為灰?guī)r、砂巖的頂?shù)装鍑鷰r，中速圍巖為砂巖頂泥巖底或泥巖頂砂巖底，低速圍巖一般為全泥巖頂?shù)装濉８鶕?jù)各個礦區(qū)含煤建造特點及槽波實際探測情況，我國主要礦區(qū)按照煤層圍巖情況大致可劃分為三個區(qū)域：寧陜蒙區(qū)域，山西區(qū)域，中原—華東區(qū)域，分別對應高速圍巖、中速圍巖、低速圍巖。但同一礦區(qū)內(nèi)不同煤層的頂?shù)装逡嘤胁煌?，某一區(qū)域(如山西區(qū)域)可能同時存在高速和低速圍巖，因此區(qū)域的劃分存在一定的局限性，但本文僅針對大區(qū)域內(nèi)槽波發(fā)育情況為研究對象，因此仍以上述三個區(qū)域為大區(qū)域的劃分。

煤系地層的巖石物性參數(shù)見表1，依此建立不同區(qū)域?qū)牟煌瑖鷰r速度的三維數(shù)值模型進行正演模擬，高、中、低三種速度的不同圍巖模型參數(shù)見表2[16-18]。模型大小為500m×200m，煤層厚度5m，圍巖厚度10m，空間剖分網(wǎng)格間距1m×1m，采樣時間間隔dt=0.25ms，震源為漲縮震源，采用主頻120Hz的雷克子波，同時激發(fā)縱波和橫波。模型介質(zhì)為各向同性彈性介質(zhì)。單炮記錄及槽波頻散分析結(jié)果如圖3所示。

表1 煤系地層中巖石物性參數(shù)表

表2 不同圍巖模型參數(shù)表

圖3 不同圍巖數(shù)值模型單炮及頻散分析

對比分析圖3中3種圍巖模型的槽波單炮及頻散曲線，可得槽波埃里相如下特征：①高速、中速圍巖模型中，槽波發(fā)育較好，低速圍巖模型中槽波發(fā)育較弱；②高速圍巖模型中槽波埃里相更為明顯，頻散最為強烈，中、低速圍巖模型中槽波頻散程度依次減弱，且會受其它震波的影響；③高速圍巖模型中槽波埃里相頻率最低，中、低速圍巖模型中槽波埃里相頻率依次增高。

將3種圍巖模型的頻散曲線組合(圖4)后可以看出：圍巖速度越高，埃里相頻率范圍越窄，速度越低，槽波群速度范圍越大；圍巖速度越低，埃里相頻率范圍越寬，速度越高，槽波群速度范圍越小。

圖4 不同圍巖數(shù)值模型頻散分析對比

3 主要礦區(qū)槽波賦存發(fā)育特征

收集了我國主要礦區(qū)的37個煤礦近60個工作面實際項目資料，見表3(數(shù)據(jù)來源為內(nèi)部項目成果)，對槽波的埃里相速度和頻率、頂?shù)装鍘r性、煤層賦存地層、構(gòu)造復雜程度進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)我國主要礦區(qū)槽波賦存發(fā)育的以下規(guī)律。

3.1 槽波發(fā)育與煤層厚度的關系

由表3煤層厚度與槽波發(fā)育情況可見：寧陜蒙地區(qū)及山西北部煤層厚度一般在6m以上，槽波發(fā)育良好；其余區(qū)域煤厚一般小于6m，槽波發(fā)育為中等及較差。煤厚小于3m的礦區(qū)包括山西區(qū)域的碾溝礦、曙光礦，富家凹礦，中原-華東區(qū)域的朱莊礦、袁莊礦、薛湖礦、新橋等礦，這些區(qū)域槽波發(fā)育較差。這一結(jié)果與數(shù)值模擬中煤層厚度5m以下槽波能量較弱，5m以上槽波發(fā)育好、頻散特征更明顯一致。

3.2 地域性和地層特征

通過表3可以看出，按照大區(qū)域劃分，在同一大區(qū)域內(nèi)鄰近研究區(qū)的槽波埃里相速度及槽波埃里相頻率相近。

表3 我國主要礦區(qū)煤層槽波賦存發(fā)育特征

中原—華東區(qū)域中，淮北礦區(qū)8座煤礦，所采煤層主要是二疊紀石盒子組和山西組，槽波波速950～1050m/s，埃里相頻率也在100～200Hz附近。渭北區(qū)域的銅川、彬長、黃陵礦區(qū)，所采煤層大多為侏羅紀延安組，槽波波速集中在900～1000m/s，埃里相頻率也在100～200Hz范圍內(nèi)。

山西區(qū)域中平朔地區(qū)的大恒煤礦、東坡礦、井工一礦等槽波波速集中在1100～1200m/s，埃里相頻率范圍較寬，在100～300Hz范圍內(nèi)。而太原附近的碾溝煤礦、龍泉煤礦、曙光煤礦槽波波速在1300～1500m/s范圍內(nèi)，陽泉礦區(qū)槽波波速在900～1000m/s范圍內(nèi)。

寧夏寧東礦區(qū)和陜西神府礦區(qū)煤層賦存都為侏羅紀延安組地層，槽波波速都較低，分布在700～1000m/s范圍內(nèi)。

由此也可以看出在同一大區(qū)域的相同含煤地層中，槽波波速和埃里相頻率變化不大，但同時，不同煤層槽波波速略有不同。

淮北礦區(qū)鄒莊、渦北、朱仙莊三個礦，采集槽波數(shù)據(jù)的工作面所采煤層為石盒子組，槽波波速集中在1000～1050m/s。其余孫疃等礦所采煤層為山西組，槽波波速集中在950～975m/s。但埃里相頻率沒有顯著區(qū)別。

全國范圍內(nèi)，本次收集到的主采煤層賦存為侏羅紀延安組的有10個煤礦，煤層中發(fā)育的槽波波速都在1000m/s以下，而石炭二疊紀煤層中發(fā)育的槽波波速相對較高，一般大于1000m/s，但石炭紀和二疊紀地層沒有顯著區(qū)別。

因此槽波發(fā)育特征具有明顯的地域性，這主要是因為同一區(qū)域的地層特征較一致。

3.3 槽波波速與頂?shù)装鍘r性的關系

將表3中的頂?shù)装鍘r性情況進行統(tǒng)計得表4，以分析槽波波速與頂?shù)装鍘r性的關系。由于灰?guī)r與煤層物理性質(zhì)差異相較砂巖更大，故分析時將灰?guī)r與砂巖歸為高速圍巖的同一類進行統(tǒng)計。因此主要按照砂巖和泥巖頂?shù)装迩闆r對槽波波速進行分類，砂巖中另外分為砂巖頂、砂巖底、全砂巖3種。

表4 不同頂?shù)装宀鄄úㄋ俳y(tǒng)計

由表4可以看出：當頂?shù)装迦珵樯皫r時，槽波波速小于1000m/s的占75%；當頂板或底板其中一類為砂巖時，槽波波速小于1000m/s的也為75%，當頂?shù)装迦珵槟鄮r時，槽波波速小于1000m/s的占40%。表明頂板巖性為砂巖或含砂巖時，槽波速度一般都小于1000m/s，但頂?shù)装鍨槟鄮r時，槽波速度一般都大于1000m/s，這與正演模擬結(jié)果的圍巖速度越高，槽波埃里相速度越低是相符的。這可能是由于不同頂?shù)装宓奈镄蕴卣髟斐刹鄄ú蹖圆煌?，高速圍巖與煤層物性差異更大，使得高速圍巖槽導性較好，這種條件下發(fā)育的槽波更接近于槽波本身的低速高頻特征。

3.4 槽波發(fā)育與地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度的關系

按表3中不同礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復雜程度分類來分析槽波賦存發(fā)育程度與地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度的關系。

根據(jù)采集到的實際資料，槽波發(fā)育程度寧陜蒙區(qū)域最好，山西區(qū)域次之，中原—華東區(qū)域較差。山西平朔及寧夏寧東、陜西神府等礦區(qū)是槽波發(fā)育最好的區(qū)域，這些區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育相對簡單，而安徽淮北、河南永城礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較為復雜，槽波發(fā)育程度較差。

地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度對槽波賦存發(fā)育的影響，可能亦是槽波槽導性受構(gòu)造發(fā)育的影響。構(gòu)造發(fā)育較簡單時，槽波發(fā)育所需的頂?shù)装搴兔簩硬蹖l件保存完好，槽波發(fā)育較好；構(gòu)造發(fā)育較復雜時，槽波發(fā)育所需的頂?shù)装搴兔簩硬蹖l件破壞較為嚴重，槽波發(fā)育較差。

4 結(jié) 論

槽波的賦存發(fā)育與煤層厚度有關，煤層厚度范圍為5～9m時，槽波發(fā)育最好；高速、中速圍巖模型中，槽波發(fā)育較好，頻散最為強烈，埃里相頻率低、速度低，群速度范圍較寬。低速圍巖模型中槽波發(fā)育較弱，頻散程度較弱，埃里相頻率高、速度高，群速度范圍較窄。我國不同礦區(qū)的槽波發(fā)育特征呈現(xiàn)如下特點：①在同一大區(qū)域內(nèi)鄰近研究區(qū)由于地層相近的特點，槽波埃里相速度及頻率相近；②槽波波速與圍巖波速呈反相關，圍巖速度越高，槽波埃里相速度越低；③礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育與煤層槽導條件有關，構(gòu)造相對簡單的礦區(qū)槽波發(fā)育較好。