反射槽波探測陷落柱正演模擬及應(yīng)用研究

2021-06-03 10:17馬彥龍

能源與環(huán)保 2021年5期

馬彥龍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

陷落柱的存在對煤礦的安全高效生產(chǎn)影響巨大，一方面，破壞了煤層及圍巖的穩(wěn)定性，妨礙機(jī)械化采煤；另一方面，陷落柱可能與奧灰水或含水構(gòu)造導(dǎo)通，引起突水等災(zāi)害[1]。因此，在工作面布置形成之前，利用現(xiàn)有一條巷道探明將要工作面一側(cè)隱伏的陷落柱位置及范圍，對保障煤礦安全高效生產(chǎn)具有重大意義[2-3]。

基于反射槽波地震探測，如何在井下采集到質(zhì)量較高的數(shù)據(jù)，在較短的時間內(nèi)出色地完成槽波數(shù)據(jù)處理及解釋工作，就需要根據(jù)實(shí)際煤層及陷落柱分布情況，對反射槽波探測陷落柱數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性的數(shù)值模擬研究[4-6]。反射槽波法主要利用在煤層中傳播的槽波遇到構(gòu)造后產(chǎn)生的反射槽波來探測側(cè)方異常構(gòu)造的發(fā)育情況，激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)均在巷道側(cè)幫布置，激發(fā)產(chǎn)生槽波后將沿煤層傳播，當(dāng)在傳播路徑上遇到斷層、陷落柱等具有波阻差異的地質(zhì)異常體時，部分槽波會發(fā)生反射，從而被與激發(fā)點(diǎn)在同一側(cè)巷道內(nèi)的檢波器接收。實(shí)際探測資料結(jié)合正演模擬研究，既可以提高槽波的探測、解釋精度，也能很好地指導(dǎo)生產(chǎn)工作(觀測方式、覆蓋密度)，最終探測出準(zhǔn)確的陷落柱大小及位置[7-8]。

1 槽波頻散分析與繞射波偏移成像算法

1.1 槽波頻散分析

槽波速度是頻率的函數(shù)，此稱為槽波的頻散。在波導(dǎo)層內(nèi)，干涉振動波前的傳播速度決定于層厚及震源激發(fā)的頻率。較長波長的振動要在波導(dǎo)層內(nèi)產(chǎn)生相長干涉，必須以較陡的射線來回反射，所以它沿波導(dǎo)傳播的速度比較短波長振動的速度高。于是，震源信號不同頻率的分量有不同的速度傳播，從而產(chǎn)生頻散。激發(fā)的短促脈沖，由于頻散隨著傳播距離的增大而“散開”，逐漸形成變頻的長波列[9]。

通過頻散分析，不僅可以證實(shí)槽波的存在，而且可以利用槽波頻散的特性進(jìn)行工作面煤層結(jié)構(gòu)及異常(斷層、陷落柱)探測。頻散分析實(shí)質(zhì)上就是從實(shí)測的槽波記錄中提取群速度和相速度[10]。

1.2 繞射波偏移成像算法

槽波的波動方程比較復(fù)雜，目前僅有Hu等[11]開展了將逆時偏移技術(shù)應(yīng)用于槽波的嘗試。除此以外，尚沒有基于波動方程的偏移方法被提出或使用。目前的反射槽波偏移成像方法仍是基于射線理論的，以繞射偏移法為主。

由于槽波僅在煤層中傳播，因此槽波的繞射偏移成像一般在煤層所近似的平面內(nèi)完成。設(shè)P(x，y)為平面內(nèi)一點(diǎn)，則該點(diǎn)上的疊加振幅為：

(1)

式中，N為總炮數(shù)；M為檢波器數(shù)；A(tij)為第i個炮集中第j道信號在tij時刻的瞬時振幅；vg為槽波群速度；rij為P(x，y)點(diǎn)到第i個震源點(diǎn)和第j個接收點(diǎn)的距離和。

瞬時振幅可由Hilbert變換求出。對于某道數(shù)據(jù)d(t)，其瞬時振幅A(t)為：

A(t)=[d2(t)+c2(t)]1/2

(2)

(3)

在成像的過程中，可以根據(jù)探測目標(biāo)預(yù)先分析對式(1)中的瞬時振幅加權(quán)。如果分析知道斷層的大致走向或者陷落柱的大致位置，則可通過成像點(diǎn)、激發(fā)點(diǎn)、檢波點(diǎn)的三角關(guān)系求出反射面的方位角，由反射面方位角與預(yù)期斷層方位角的差構(gòu)成權(quán)系數(shù)，在式(1)中對瞬時振幅加權(quán)求和。通過這種方法能夠減少其他波場與噪聲的影響，提高特定異常構(gòu)造的成像效果[12-13]。

2 反射槽波陷落柱正演模擬

2.1 模型設(shè)計(jì)

本文模擬方法使用的是3D3C彈性波正演模擬軟件，采用多GPU計(jì)算平臺。采用交錯網(wǎng)格高階有限差分技術(shù)，采用PML算法作為邊界條件，它對地震波的邊界吸收效果好，模擬精度高；用多GPU并行計(jì)算，將三維地震數(shù)值模擬計(jì)算的計(jì)算效率提高了60多倍[14-16]。

建立包含巷道的三維地質(zhì)模型，模型空間(x、y方向)大小為1 000 m×400 m，z方向大小選取77 m；中間為煤層，煤厚5 m；頂?shù)装搴穸纫恢?。設(shè)計(jì)單條巷道，長度為1 000 m；巷道截面寬度及高度均為3 m，模型的z方向網(wǎng)格大小為1.0 m×1.0 m×0.5 m，采樣間隔0.5 ms，時長1 s。模型巖層介質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 模型巖層介質(zhì)參數(shù)Tab.1 Medium parameters of model strata

震源采用的是縱波震源，頻率依據(jù)5 m煤厚埃里相而定，位于巷道內(nèi)側(cè)幫煤層中部[17]。觀測系統(tǒng)道距設(shè)計(jì)為2組：5、10 m與10、20 m。震源間距分別為10、20 m，采用全排列接收方式，接收位于1/2煤層處，每個點(diǎn)z分量接收。震源及接收序列位置如圖1所示。

圖1 震源及接收序列位置Fig.1 Source and receiving sequence position

2.2 陷落柱模型的反射槽波波場模擬及特征分析

設(shè)計(jì)模型中煤厚5 m，陷落柱為圓形，直徑大小分別為10、20、30、50 m，陷落柱與巷道的垂直距離分別為50、100、200、300 m，震源間距分別為10、20 m，接收點(diǎn)間距分別為5、10 m。模型具體信息見表2，建立的陷落柱模型如圖2所示。

表2 模型信息Tab.2 Model information

圖2 含4個陷落柱的三維模型Fig.2 3D model with 4 collapse columns

模型①：由圖3(a)單炮記錄可以看到較弱的反射槽波，模型中陷落柱直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱反射槽波相對較弱；圖3(b)頻散譜中反射槽波能量主要集中在110 Hz附近；圖3(c)槽波CDM成像結(jié)果中對陷落柱反應(yīng)均不明顯。

圖3 模型①槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CDM成像Fig.3 Model 1 channel wave single shot record and dispersion curve and channel wave CDM imaging

模型②：由圖4(a)單炮記錄可以看到較強(qiáng)的反射槽波，模型中陷落柱直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱反射槽波相對較強(qiáng)；圖4(b)頻散譜中反射槽波能量主要集中在120 Hz附近；圖4(c)成像結(jié)果中對直徑為10～30 m的陷落柱反應(yīng)均不明顯，50 m的陷落柱反應(yīng)較好。

圖4 模型②槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CDM成像Fig.4 Model 2 channel wave single shot record and dispersion curve and channel wave CDM imaging

模型③：圖5(a)單炮記錄無反射槽波，模型中陷落柱直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱反射槽波不明顯；圖5(b)頻散譜中反射槽波能量主要集中在120 Hz附近；圖5(c)成像結(jié)果中對陷落柱反應(yīng)均不明顯。

圖5 模型③槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CDM成像Fig.5 Model 3 channel wave single shot record and dispersion curve and channel wave CDM imaging

模型④：圖6(a)單炮記錄無反射槽波，模型中陷落柱直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱反射槽波不明顯；圖6(b)頻散譜中反射槽波能量不集中；圖6(c)成像結(jié)果中對陷落柱反應(yīng)均不明顯。

圖6 模型④槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CDM成像Fig.6 Model 4 channel wave single shot record and dispersion curve and channel wave CDM imaging

從模型①—模型④對比分析可知：煤厚為5 m，觀測系統(tǒng)震源間距20 m，接收點(diǎn)間距為10 m，陷落柱為圓形，直徑大小為50 m，陷落柱與巷道的垂直距離為100 m，陷落柱反射槽波較發(fā)育，根據(jù)槽波CDM成像結(jié)果較明顯，位置和大小較準(zhǔn)確。

模型⑤：由圖7(a)單炮記錄可以看到較弱的反射槽波，模型中陷落柱直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱反射槽波相對較弱；圖7(b)頻散譜中反射槽波能量主要集中在120 Hz附近；圖7(c)成像結(jié)果中對直徑10 m陷落柱反應(yīng)不明顯，對直徑20、30、50 m的陷落柱反應(yīng)依次變好。

圖7 模型⑤槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CDM成像Fig.7 Model 5 channel wave single shot record and dispersion curve and channel wave CDM imaging

模型⑥：由圖8(a)單炮記錄可以看到較弱的反射槽波，模型中陷落柱直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱反射槽波相對較弱；圖8(b)頻散譜中反射槽波能量主要集中在120 Hz附近；圖8(c)成像結(jié)果中對直徑10、20、30、50 m的陷落柱反應(yīng)依次變好。

圖8 模型⑥槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CDM成像Fig.8 Model 6 channel wave single shot record and dispersion curve and channel wave CDM imaging

模型⑦：由圖9(a)單炮記錄可以看到較弱的反射槽波，模型中陷落柱直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱反射槽波相對較弱；圖9(b)頻散譜中反射槽波能量主要集中在120 Hz附近；圖9(c)成像結(jié)果中對直徑為10、20、30 m的陷落柱反應(yīng)較弱，對直徑50 m的陷落柱反應(yīng)較好。

圖9 模型⑦槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CDM成像Fig.9 Model 7 channel wave single shot record and dispersion curve and channel wave CDM imaging

模型⑧：由圖10(a)單炮記錄可以看到較弱的反射槽波，模型中陷落柱直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱反射槽波相對較弱；圖10(b)頻散譜中反射槽波能量主要集中在120 Hz附近；圖10(c)成像結(jié)果中對直徑為10、20、30、50 m的陷落柱反應(yīng)均不明顯。

圖10 模型⑧槽波單炮記錄、頻散曲線及槽波CDM成像Fig.10 Model 8 channel wave single shot record and dispersion curve and channel wave CDM imaging

從模型⑤—模型⑧模型對比分析可知：煤厚為5 m，觀測系統(tǒng)震源間距10 m，接收點(diǎn)間距為5 m，陷落柱為圓形，直徑分別為20、30、50 m，陷落柱與巷道的垂直距離為50 m；直徑分別為10、20、30、50 m，陷落柱與巷道的垂直距離為100 m；直徑分別為20、30、50 m，陷落柱與巷道的垂直距離為200 m，陷落柱反射槽波均較發(fā)育，根據(jù)槽波CDM成像結(jié)果較明顯，位置和大小較準(zhǔn)確。

綜上，對于5 m煤厚單條巷道一側(cè)陷落柱模型反射槽波三維波場模擬及特征分析可知，加密道間距、炮間距，與巷道得距離可在200 m范圍內(nèi)，能探測陷落柱的直徑可以達(dá)到10 m以上。

3 探測實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文正演模擬的成果，指導(dǎo)探測實(shí)際陷落柱的準(zhǔn)確性，選擇在陽煤某礦進(jìn)行反射探測陷落柱實(shí)驗(yàn)。

施工布置情況如圖11所示。15202工作面寬400 m，走向長1 000 m，煤層起伏平緩，平均煤厚5 m，沿煤層底板掘進(jìn)。探測施工時，采用橫波檢波器安裝在回風(fēng)巷側(cè)幫上，道間距5 m，接收點(diǎn)200道(圖11中三角形)。震源由200 g乳化炸藥激發(fā)，炮間距為10 m，炮孔深度2 m，安裝炸藥后孔口用炮泥封堵，共100炮(圖11中圓形)。檢波點(diǎn)與炮點(diǎn)盡量布置在煤層中間。地震儀選用YTZ3型礦井防爆地震儀，采樣周期0.5 ms[18-22]。