淮南矿区潘二煤矿A组煤槽波透射法探测试验研究
2020-07-15马济国
赵 伟,马济国,匡 伟
(1.淮南矿业(集团)有限责任公司,安徽 淮南 232001;2.常州泽南软件科技有限公司,江苏 常州 213200)
随着淮南矿区A组煤的开采,灰岩承压水水压不断增加,突水的潜在危险性也随之加大,底板水害的防治工作已迫在眉睫。煤层底板突水是一个复杂的煤矿动力灾害,其发生主要与水压、矿压、底板隔水层、地质构造等诸多因素有关,煤矿底板突水大多数受煤层底板的构造如断层、裂隙及陷落柱的控制,特别是特大型底板突水灾害几乎都与导水构造有关,因此利用高精度探测技术查明隐伏构造对于煤矿底板防治水工作具有十分重要的意义。
槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的导波探查煤层不连续性的一种地球物理方法[1],可有效的解决工作面构造问题。槽波地震勘探技术起源于德国,在上个世纪六、七十年代便在世界各地得到了广泛的应用,当初的联邦德国、英国、澳大利亚、匈牙利等国家都曾大力开展有关工作,并逐渐用于生产[1]。进入本世纪以来槽波地震勘探技术又有了长足的发展,近年来国内相继引进了了十余套德国产的槽波地震仪,同时也自行开发了多道轻便槽波采集系统,使制约槽波在国内应用和发展的最重要的瓶颈得到了有效的解决,目前国内已有近十余个矿业集团在开展相关工作,取得了明显的成效,通过众多的实际工程验证槽波地震勘探技术可以较为有效的解决如下矿井构造问题[2-3]。
1 槽波勘探原理
1.1 槽波的形成
煤系地层中,煤层是一个低速地震槽。煤层与其顶底板围岩相比具有低速度低密度、波阻抗低的特点,煤层与围岩间的界面,一般呈现良好的反射面。在煤层中激发地震波,所激发的纵波(P波)和横波(S波)以震源为中心,以球面体波向四周传播,而以不同的角度入射到顶底板界面,如图1,当入射角小于临界角时,除部分能量反射回煤层中,大部分能量将透射到围岩之中,返回到煤层中的能量,在煤层中来回多次反射,多次透射而迅速衰减 ( 漏失模式 ) 。当入射角大于等于 临界角时,则入射到顶底板界面的地震波能量将全反射回到煤层,并在煤层中多次反射,禁锢在煤层之中 ( 正常模式 ),在煤层这个低速槽内向外扩散传播。其中,上行、下行波在煤层中相互干涉迭加,多数谐波成分相互抵消削弱,而逐渐消失,只有满足一定条件的各种谐波,相对增强,在槽内相长干涉而形成垂直于煤层面的驻波,在煤层内不断向前传播形成槽波。
图1 槽波的形成原理示意图
1.2 槽波透射法探测
槽波透射法所用的有效波是从震源透过煤层传至接收点的透射槽波信号,透射槽波在煤层中传播遇到构造遮挡、煤层厚度变化、顶底板异常等传播通道异常情况时,其波形、频率、速度等参数均随之改变。如图2所示,炮点与检波点(接收点)布置在工作面不同巷道内,在断层遮挡区域的检波器接收的槽波将会产生异常,可根据槽波的波形有无、能量强弱、频率变化等参数来判断在相应的透射射线遮挡区内构造情况;此外,通过对正常透射槽波数据的分析,为反射法数据处理提供速度等必要的参数[1]。
2 潘二煤矿槽波探测应用
图2 槽波透射法勘探示意图
2.1 槽波探测条件
潘二煤矿11123工作面位于潘二本井一水平东一采区,主采1煤、3煤,工作面内3煤厚度1.6~13.8 m,平均5.5 m,工作面煤层赋存较稳定,1煤位于3煤层下方,1煤层厚度0.8~5.8 m,平均3.5 m,1、3煤层之间间隔一层夹矸,夹矸平均厚度1.5 m。根据现有的资料综合分析,工作面煤层与围岩的物性(密度、速度)差异较大,煤层与围岩的波阻抗差异较明显,煤层与围岩间的界面,呈现为良好的地震波反射面,有利于槽波在煤层中传播,且工作面宽度在槽波可传播的最大距离之内,这也保证了槽波能量衰减较小。
2.2 槽波探测数据采集试验
淮南矿区近年来逐步开展槽波地震探测应用研究,为了选取合理的观测系统,合理的激发、接收参数,开展了针对观测系统设计、炮点位置、炮点药量、检波点分量等参数的试验研究,试验在运输顺槽内设计了三条接收测线,并针对检波器的三个分量的选取做了对比。观测系统试验中,炮点间距选择了10 m,检波器间距选取了5 m和10 m两种,并且检波器测线的布置设计了三种方案,分别布设在巷道内侧帮、底板内侧和底板外侧。
通过试验数据分析认为:
(1)在轨道顺槽的内侧帮布设的三分量检波器试验表明,x、y、z各分量均能接收到良好的槽波和S波信号,但对于槽波波,x分量具有最佳的效果(图3),因此试验确定x分量检波器为合适的接收检波器;
(2)将炮点布设在距离底板1 m处的煤层中试验表明,距离底板较近可以获取更好的底板信息,利于分析底板中的隐伏构造,而药量则选用了经验值,为350 g。
(3)试验选用了较小的炮点间距和接收点间距,且等间距布置,小炮点间距和接收点间距利于提高对小构造的分辨率,均匀的炮检射线分布也利于后期的资料处理和成像效果。
图3 试验接收的三分量槽波透射数据注:1~20道为x分量数据,21~40道为y分量数据,41~60道为z分量数据
2.3 潘二煤矿11123工作面应用实例
(1)数据采集设计
本次槽波地震探测在11123工作面上顺槽、下顺槽展开,炮点位于上顺槽内,共激发41个炮点,下顺槽内布设检波点,共布设72个检波点。施工参数为炮点间距:15 m;检波点间距10 m;药量0.2 kg;孔深:3 m,由3煤底板垂直往下方打3 m,在1煤层中激发;炮泥封孔长度:2.0 m。
(2)数据处理分析
由于矿井内施工空间小,工频电干扰大,槽波地震数据受到较大的干扰,需要进行剔除噪声等预处理。预处理包括建立观测系统、初至校正、剔除坏道、滤波、几何扩散矫正、吸收衰减矫正等基本步骤。
槽波能量对比分析是构造分析的有效手段,槽波的能量变化直接反应煤层中构造发育及煤层的破碎情况,当槽波传播遇到陷落柱或断层时,其能量将急剧降低,利用这一个特征,结合透射法成像可准确的定位断层、陷落柱等构造的位置、规模。基于槽波能量的CT成像技术利用这一原理,利用每条槽波射线的能量差异,反演出工作面内煤层的构造变化。借鉴在医学中得到成功应用的联合代数重建技术(SIRT)对工作面中的煤层进行成像。
槽波能量成像处理主要经过以下几步:
①对数据进行滤波、能量均衡和补偿等预处理,消除各炮能量不均匀以及检波器安置的影响;
②计算槽波能量;
③对槽波数据进行按炮检距影响因素的能量矫正;
④CT成像处理。
本次数据处理采用的流程如图4所示。
图4 基于槽波能量的CT成像数据处理流程图
工作面首先按照工作面施工范围大小建立一个沿着x方向和y方向分布的模型,网格大小约为5 m×5 m。按照CT成像的原理,把能量分配到各个网格,并进行迭代求解,最终得到此模型上每个网格点的能量分布数据,最后将网格数据绘制成等值区图,如图5所示。
图5 11123工作面试验段槽波能量CT成像结果图
(3)地质解释与对比分析
图7中左侧异常区1区域断层发育,上顺槽在该处揭露多条小断层。在单炮记录中,多个单炮数据在该处出现能量异常,图6所示为S28单炮记录,S28位于异常区域1的右侧,单炮记录中第1~10道槽波能量小,为显著的地震道能量异常,通过射线追踪对比,与异常区域1位置吻合。
图6 S28单炮记录
图7 S28炮射线追踪与异常区1对应关系图
图8所示为S40单炮记录,S40位于异常区1的左侧,单炮记录中大约第28道以后各道槽波能量小,为显著的地震道能量异常,通过射线追踪对比,与异常区1位置吻合。
依据巷道揭露资料,异常区1处断层发育,异常区1最终解释为断层断裂带。
图8 S40单炮记录
图9 S40炮射线追踪与异常区1对应关系图
(4)槽波探测地质成果
本次工作面槽波地震探测应用共激发41个炮点,72道接收。和以往槽波探测相比,本次探测做了较大的创新,在数据采集中使用了针对探测煤层的施工方法,在数据处理中采用了噪音去除的一系列措施、使用了高精度的槽波能量CT成像方法。在地质解释时,以地震探测结果为主要依据,并参考了地质采矿资料。探测成果经矿方验证认为,槽波探测主要构造与实际情况吻合。
3 结 论
通过在潘二煤矿开展槽波探测试验与应用,经应用效果分析认为:
(1)槽波透射法探测拥有良好的构造探测效果,具有探测精度高、探测距离远等优点,但开展槽波探测之前应确认合理的观测系统、激发与接收等参数。
(2)本次试验初步形成了一套适合本矿区的槽波数据采集、处理与解释方法,为下一步的槽波探测应用奠定了基础。