張澤奇,高級,劉梁,查華勝,張海江

(1.中煤華晉集團晉城能源有限公司 里必煤礦,山西 晉城 048200;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230026;4.江西省地質(zhì)局 第五地質(zhì)大隊,江西 新余 338000)

0 引言

查明煤礦區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常體,如斷層、陷落柱及采空區(qū)等構(gòu)造或采掘活動造成的連續(xù)地層破壞,對煤礦采區(qū)工作面設(shè)計和安全回采均具有重要意義。煤礦地層及異常構(gòu)造探測主要采用三維人工反射地震[1-3]、瞬變電磁法[4]、微動法[5]、VSP[6]、高密度電法[7-8]等不同地球物理探測方法。針對埋深較大的煤礦地層、陷落柱、采空區(qū)的探測,主要采用三維地震勘探和瞬變電磁探測法[9]。三維地震勘探因施工條件(炸藥震源環(huán)境污染、地層穩(wěn)定性差)、工礦人文環(huán)境干擾等因素,探測效果受到影響;瞬變電磁方法對與圍巖電性差異小的地質(zhì)異常體(未充水的陷落柱或采空區(qū))也難以探測[5]。背景噪聲成像方法利用環(huán)境震動噪聲獲取地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu),適用于工礦人文環(huán)境噪聲干擾區(qū)域,近年來在不同尺度地下結(jié)構(gòu)探測中得到了廣泛應(yīng)用及發(fā)展[10]。

背景噪聲源頻率以1 Hz為界,小于1 Hz的噪聲源主要來自自然現(xiàn)象,如海浪、潮汐等[11],大于1 Hz的噪聲源主要由人類活動產(chǎn)生,如機器運轉(zhuǎn)、車輛等。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)不同頻段噪聲在范圍分布、強度及不同研究區(qū)域均具有較大的不同。進行大尺度構(gòu)造成像研究主要使用低頻噪聲源,該頻段噪聲源分布相對穩(wěn)定,采用雙臺互相關(guān)干涉成像方法[12-15]。高頻噪聲源在時間、空間分布上均具有較大變化,使得兩道數(shù)據(jù)互相關(guān)難以提取有效頻散,因此,主要采用多道分析的方法獲得頻散數(shù)據(jù)。對5～10 Hz及以上噪聲源分布不均的問題,不同學(xué)者分別研究了不同臺陣提取頻散的有效性[16-18]。

針對煤礦大多數(shù)為幾百米至1 km的探測深度,主要采用大于1 Hz的高頻背景噪聲面波。目前,針對煤礦尺度深部結(jié)構(gòu)探測背景噪聲成像的研究相對較少,尤其缺乏較為系統(tǒng)地考慮較高頻噪聲源時空變化以及不同類型臺陣對成像影響的研究。為此,本文以中煤華晉里必煤礦為例,通過研究臺陣識別噪聲頻段能力、噪聲源分布和采集時間等關(guān)鍵參數(shù),確定數(shù)據(jù)采集臺陣優(yōu)化布設(shè)方式,進而利用優(yōu)化臺陣得出的面波頻散曲線反演出臺陣下方的一維速度結(jié)構(gòu),經(jīng)與臺陣附近鉆孔柱狀圖對比,二者吻合較好。本次研究表明,通過布設(shè)合適的線性臺陣,可以得出目標煤層及以上地層可靠的速度結(jié)構(gòu)。該成果為后續(xù)研究1 km以淺煤礦背景噪聲成像的適用性提供了依據(jù)。

1 背景噪聲多道面波分析方法

高頻背景噪聲多道分析面波成像方法主要包括:空間自相關(guān)法(SPAC)[19]、頻率波數(shù)法(FK)[20]、多道互相關(guān)方法(MAPS)[21]、頻率貝塞爾方法(FJ)[22-23]。傳統(tǒng)SPAC方法要求臺陣布置成相對規(guī)則的形狀,但在實際數(shù)據(jù)采集中,因場地空間及探測深度等因素限制,難以滿足SPAC規(guī)則臺陣的要求。本次研究采用擴展空間自相關(guān)方法(ESPAC)[24]計算不同臺陣的頻散譜。

在一個臺陣中,任意兩點A、B之間的ESPAC互相干系數(shù)為

CohAB(rAB,ω)=

(1)

式中:M為臺站對AB觀測數(shù)據(jù)的分段數(shù);CohAB(rAB,ω)為臺站A和臺站B的互相干系數(shù);SA,m和SB,m分別為臺站A、B第m段數(shù)據(jù)的傅里葉譜;*為共軛計算。

將所有臺站對的互相干系數(shù)疊加,可得到臺陣的平均互相干系數(shù)譜ρ(ω,r):

(2)

式中:ri為第i個臺站對的臺間距;N為臺站對個數(shù)。再利用ESPAC方法獲得觀測臺陣平均互相干系數(shù),通過遍歷相速度ck及頻率fi,求互相干系數(shù)與貝塞爾函數(shù)的擬合差Misfit(fi,ck):

(3)

即可以得該觀測臺陣的面波頻散能量譜。式(3)中:fi、ck分別為遍歷的頻率和相速度;J0為第一類零階貝塞爾函數(shù)。

通過上述步驟得到面波頻散后,就可以反演出臺陣下方的一維橫波速度模型。

其次，培訓(xùn)校本教材的使用方法和要求。通過研討會等形式向教師說明校本教材的教學(xué)進度安排，組織示范課和公開課，共同研討如何在教學(xué)中滲透PISA理念。如王春芳老師設(shè)計的《文字類非連續(xù)性文本—關(guān)注文本形式，探求行文規(guī)律》一課，在講授“說明書”這種非連續(xù)性文本時，就把閱讀放到生活情境中，讓學(xué)生關(guān)注所需要的信息，自己總結(jié)“說明書”這種文本的共同特征及閱讀說明書的一般方法。以往的教學(xué)中只是讓學(xué)生掌握教材中這一篇說明書的說明內(nèi)容和寫法，學(xué)生遇到其他的說明書還是不會閱讀，而王老師在教學(xué)時，除了讓學(xué)生探究“說明書”這種文體的行文規(guī)律外，還指導(dǎo)學(xué)生通過實踐活動，提高解決實際問題的能力。

2 研究區(qū)地質(zhì)及地層概況

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

里必煤礦位于中條山東北部,沁河中游,太行、太岳、中條三大山系銜接處(圖1)。該區(qū)域溝谷發(fā)育,地形切割強烈。地勢總體為北高南低,最高處在礦區(qū)北部白金凹林場南300 m,海拔標高1179.0 m,最低處在礦區(qū)東部渠里村以北沁水河河灘,海拔標高為701.5 m,最大高差477.5 m,屬中山區(qū)。

圖1 研究區(qū)(里必煤礦)位置

2.2 井田地質(zhì)及含煤地層

里必井田內(nèi)大面積出露三疊系劉家溝組、和尚溝組,二疊系石千峰組及上石盒子組,石炭系—二疊系地層埋藏較深。總體構(gòu)造形態(tài)為向北傾斜的單斜,在此基礎(chǔ)上發(fā)育次級的寬緩褶曲,地層傾角5°～10°。據(jù)地質(zhì)填圖及三維地震資料,區(qū)內(nèi)共發(fā)育大小斷層10條,陷落柱6個,無巖漿巖侵入,構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡單類型。

井田內(nèi)可采煤層為3號、15號,為全井田穩(wěn)定可采煤層。其中3號煤層為本井田主要可采煤層,賦存于山西組的下部,層位穩(wěn)定;煤層厚2.50～6.74 m,平均5.25 m,含夾矸0～3層,結(jié)構(gòu)簡單—復(fù)雜,上距K8砂巖22.57～48.02 m,平均36.35 m,頂、底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖,全井田穩(wěn)定可采。15號煤層位于太原組下部,煤層厚1.05～6.11 m,平均3.18 m,含夾矸0～4層,煤層結(jié)構(gòu)簡單—復(fù)雜,上距3號煤層78.10 m左右,距K2灰?guī)r0～0.60 m;直接頂板為泥巖或石灰?guī)r,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖,老頂為K2石灰?guī)r,全井田穩(wěn)定可采。

3號煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖或泥巖,開采后易產(chǎn)生塌落,頂板穩(wěn)定性相對較差;直接頂板為中細砂巖,開采后頂板穩(wěn)定性好。15號煤層直接頂板為K2灰?guī)r,開采后頂板穩(wěn)定性較好;偽頂板為炭質(zhì)泥巖或者泥巖,開采后極易塌落,頂板穩(wěn)定性差。

3 臺陣及采集參數(shù)選取

本次研究選擇在已知勘探孔ZK101附近布設(shè)試驗臺陣。根據(jù)ZK101測井及取心結(jié)果,主采3號煤層埋深約700 m。為了達到目標探測深度及確定研究區(qū)噪聲源頻段分布及方向,布置了3種不同的臺陣方式(圖2):北東方向線性臺陣(NE line)、北西方向線性臺陣(NW line)和三角形臺陣(triangle array)。其中, NE line包含51個測點,測點間距30 m;NW line包含23個測點,測點間距50 m;triangle array包含25個測點,為5重圓三角形臺陣,不同圓半徑分別為25、50、100、200、400 m,此外,在不同圓周上又增加了9個測點。選用儀器為Smartsolo IGU-16HR-1C,主頻5 Hz。

圖2 實驗臺陣節(jié)點地震儀分布

3.1 臺陣響應(yīng)

因為三角形臺陣的臺站對連線具有不同方向的覆蓋,因此可以用來分析臺陣對噪聲源不同頻段的識別能力。圖3給出了三角形臺陣在不同頻率下的臺陣響應(yīng)[25]。從圖中可以看出:當噪聲信號頻率為0.5 Hz時,因其對應(yīng)的波長較長,臺陣的FK響應(yīng)能量難以聚焦;當噪聲頻率為1 Hz時,FK響應(yīng)能量對不同方向和速度噪聲信號開始聚焦,說明該臺陣孔徑對大于1 Hz的噪聲能量開始具有識別能力;隨著頻率升高至13～15 Hz,臺陣FK響應(yīng)函數(shù)能量出現(xiàn)旁瓣(圖3h、i中非圓心處能量),聚焦能力下降,說明該三角形臺陣識別高于13 Hz以上噪聲信號的能力減弱。

圖3 三角形臺陣在不同頻率下的臺陣響應(yīng)

3.2 噪聲源不同頻段能量分布

圖4為三角形臺陣在試驗采集時間段內(nèi)不同頻段的噪聲能量分布,采集時間為2021-12-21日10時至2021-12-22日10時,共計24 h數(shù)據(jù)。從圖4可以看出:2 Hz以下能量相對較弱,噪聲源能量主要分布在2～14 Hz;頻率大于10 Hz時噪聲源能量逐漸減弱。在觀測的24 h內(nèi),不同頻段能量隨時間有一定的變化:21日10時至18時,4～10 Hz能量大于2～4 Hz能量(能量圖在不同時間段分別單獨歸一化),說明白天人文活動相對強烈,產(chǎn)生的高頻噪聲能量占主導(dǎo);21日18時至次日6時,2～4 Hz能量相對較強,說明晚上低頻噪聲占主導(dǎo),因此若目標探測深度較大,可以盡量使用晚上采集的數(shù)據(jù);22日6時至10時時間段,能量同樣具有此規(guī)律,即大于4 Hz能量占相對主導(dǎo)。

圖4 不同頻率下噪聲源的能量分布

3.3 噪聲源方位分析

圖5 不同頻率噪聲源的傳播速度及方位

3.4 頻散譜計算

在計算頻散譜之前,首先采用Bensen 等[27]的處理流程對單臺連續(xù)波形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,包括重采樣、去均值、Onebit、譜白化等;其次,因多重圓三角形臺陣及線性臺陣具有不同的臺站對間距,可以采用ESPAC計算不同臺陣的頻散譜。為了方便對比,圖6分別展示了3個試驗臺陣的測點分布、4 Hz噪聲源分布及頻散譜。在進行頻散計算時,三角形臺陣采用所有25個測點,NE方向線性臺陣采用24個測點,NW方向線性臺陣采用21個測點。從圖中可以看出,4 Hz噪聲源位于SE方向,與NW方向線性臺陣具有一致的方向。NE方向線性臺陣因其方向近乎垂直于噪聲源方位,導(dǎo)致圖6c中頻散譜相速度具有偏大的視速度;三角形臺陣具有不同方位的臺站對方位覆蓋,可以減小噪聲源分布不均的影響,獲得相對較好的頻散譜(圖6d),但因NE方向線性臺站的影響,頻散譜相速度能量圖出現(xiàn)起伏;從圖6e中可以看出,NW方向線性臺陣與噪聲源方向一致,可以獲得正確的瑞雷波傳播的相速度,頻散能量譜連續(xù)光滑穩(wěn)定。在利用多道進行面波數(shù)據(jù)采集時,可以采集到的面波最高頻率與最小臺間距滿足空間采樣定理,即最小臺間距為最高頻率面波信號波長的一半,NW方向臺間距為50 m,得到的最高面波頻率約為10 Hz;此外,因研究區(qū)第四系覆蓋層較淺,部分基巖出露,面波相速度相對較高(10 Hz相速度為1 400 m/s)。因此,通過不同臺陣試驗及噪聲源方位調(diào)查,確定后續(xù)數(shù)據(jù)采集采用NW方向線性臺陣,可以在保證頻散計算可靠性基礎(chǔ)上提高數(shù)據(jù)采集效率。

圖6 不同臺陣頻散圖

3.5 采集時間對比

在根據(jù)噪聲源分布確定觀測臺陣的基礎(chǔ)上,為了獲得穩(wěn)定的頻散數(shù)據(jù),同時提高數(shù)據(jù)采集效率,需要對比不同采集時間的頻散譜,用以確定合理的數(shù)據(jù)采集時間。圖7為不同采集時間NW方向線性臺陣的頻散譜圖。可以看出,隨著時間的增加,頻散譜能量起伏減小并趨于穩(wěn)定。圖7a數(shù)據(jù)采集時間較短(10 min),頻散能量在7 Hz出現(xiàn)跳動;隨著采集時間延長,圖7b-d高頻頻散能量趨于連續(xù),但在3 Hz位置出現(xiàn)相速度增大現(xiàn)象;當采集時間大于3 h時,頻散能量譜開始穩(wěn)定,變化相對較小。為了保證頻散譜可靠,計劃在里必煤礦后續(xù)的數(shù)據(jù)采集時間均大于10 h。

圖7 NW線性臺陣不同采集時間的頻散圖

4 一維速度反演

4.1 初始速度模型建立

為了減小頻散數(shù)據(jù)反演結(jié)果模型的多解性,需要給定合理的初始速度模型。首先,計算不同周期對應(yīng)的半波長深度;然后,根據(jù)

(4)

計算出不同周期相速度對應(yīng)的視橫波速度,將從頻散譜中得到的頻率瑞雷波相速度(f-v)轉(zhuǎn)換為頻率視橫波速度(f-vs)。式(4)中:vr為瑞雷波相速度;ti為周期;i為周期序號。

該視橫波對應(yīng)深度取半波長[28],得到視深度(z)與視橫波速度關(guān)系(z-vs),并將其作為反演的初始速度模型,以減小頻散反演的多解性。

4.2 速度反演

圖8為利用CPS程序包[29]對圖6e中NW方向線陣頻散反演得到的速度結(jié)果,反演參數(shù)為迭代500次、阻尼系數(shù)1。可以看出,反演得到的頻散數(shù)據(jù)很好地擬合了觀測數(shù)據(jù)。

圖8 NW方向線陣頻散數(shù)據(jù)反演結(jié)果

4.3 敏感度分析

為評估研究區(qū)面波頻散數(shù)據(jù)在不同深度對橫波速度的約束能力,基于圖8b中的一維速度模型,計算了不同深度橫波速度模型擾動情況下不同頻率頻散相速度的變化量(dlnC/dlnvs,C為相速度,vs為橫波速度),得到了基階瑞雷面波相速度敏感分布(圖9)。圖9a中的藍色折線為圖8b中反演得到的速度模型,紅色折線為根據(jù)Brocher公式[30]計算得到的縱波(vp)速度;圖9b為頻率范圍1～10 Hz面波相速度對圖9a模型的敏感度。從圖中可以看出:在頻率為1 Hz時,相速度對1 km深度地下橫波速度具有較好的敏感度;隨著頻率增大,對應(yīng)的敏感深度降低,10 Hz時對100 m以淺橫波速度有較高的敏感度。本研究區(qū)的目標探測煤層(3號煤)埋深約700 m,試驗裝置可以滿足探測要求。

圖9 速度模型及對應(yīng)的不同頻率面波相速度深度敏感度分布

5 地質(zhì)解釋

圖10為Z101鉆孔(圖2)巖性柱狀圖及NW向線性臺陣反演得到的vs速度結(jié)構(gòu)。鉆孔Z101鉆至石炭系的太原組,上覆地層為二疊系。二疊系從下至上分別為山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組,其中山西組為井田主要含煤地層,包括1、2和3號煤。3煤為全區(qū)可采煤層,也是本次試驗的目標層,埋深約700 m。從NW方向線性臺陣vs速度模型可以看出,100 m以淺速度相對較低,對應(yīng)于石千峰組一段的泥巖、頁巖層;100～300 m速度增大,對應(yīng)于上石盒子組三段,該段地層以泥巖、砂巖為主,速度相對較高;300～450 m,出現(xiàn)一個明顯的低速特征,該低速對應(yīng)于上石盒子組二段,二段地層包含泥巖和粉砂巖,上部以泥巖為主,速度較低;450 m以深速度逐漸增大,對應(yīng)地層包括下石盒子組石英砂巖、山西組砂巖及太原組灰?guī)r。可以看出,速度結(jié)構(gòu)與鉆孔巖性柱狀圖整體上有較好的對應(yīng)關(guān)系,說明利用優(yōu)化的線形臺陣背景噪聲成像可以得到煤礦尺度1 km以淺可靠的速度結(jié)構(gòu)。

圖10 Z101鉆孔柱狀圖及vs速度結(jié)構(gòu)

6 結(jié)論

1)高頻背景噪聲信號(1～10 Hz)具有較強的時空變化特征,在數(shù)據(jù)采集之前需要利用三角形臺陣或面狀臺陣進行噪聲源調(diào)查,確定不同頻率噪聲源的方位和能量分布,進而布設(shè)合理的測線方向。

2)在提取可靠頻散數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,面波頻散反演獲得的速度結(jié)構(gòu)可以反映地下介質(zhì)地層變化特征,但因頻散數(shù)據(jù)是地下介質(zhì)速度變化的綜合反映,存在隨著探測深度增大成像分辨率降低的局限性。

3)目前,利用面波數(shù)據(jù)反演獲得的速度結(jié)構(gòu)還難以精確刻畫煤層分層、煤層起伏和小尺度斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)。為提高背景噪聲面波方法在煤礦精細結(jié)構(gòu)探測方面的適應(yīng)性,后續(xù)可以考慮充分利用礦井采掘活動產(chǎn)生的震動信號,從背景噪聲數(shù)據(jù)中提取體波數(shù)據(jù),并利用地震勘探處理技術(shù)獲得煤層的反射波信號,進而提高煤層起伏、斷層等構(gòu)造探測的能力。