王 勃，劉盛東，孫華超，邢世雨，章 俊，丁 昕，龔 震

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

綠色煤炭資源豐富的中西部地區(qū)地表存在黃土覆蓋、基巖裸露以及復(fù)雜地形地貌等客觀因素，增加了地面三維地震勘探施工難度，同時(shí)在多煤層地區(qū)，隨著淺部上組煤的開采和多層采空區(qū)的影響，三維地震勘探精度受到了限制。礦井地震勘探具有不受地面條件影響、距離目標(biāo)體近、地震波能量和高頻成分衰減少、地震波傳播路徑干擾少等特點(diǎn)，進(jìn)而被運(yùn)用于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)；當(dāng)前，槽波勘探已是井下構(gòu)造精細(xì)勘探的首選方法。震源是地震記錄的源頭，是礦井地震勘探的關(guān)鍵部分，直接影響地震信號(hào)質(zhì)量，因此，開展礦井地震勘探的震源研究具有重要意義。

礦井震源有炸藥震源、錘擊震源、雷管震源、夯擊震源、帶式輸送機(jī)震源、掘進(jìn)機(jī)震源、采煤機(jī)震源等。目前，礦井震源以炸藥震源為主，然而受到高瓦斯礦井的限制，以及存在審批程序繁瑣和安全性等問(wèn)題，甚至一些綜采綜掘全部機(jī)械化礦井沒(méi)有炸藥，直接影響了地震勘探的施工。錘擊、夯擊等震源相對(duì)操作簡(jiǎn)單，但其能量弱，探測(cè)距離較短。為了滿足高效采掘的需求，掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)震源逐漸成為研究熱點(diǎn)，該震源在煤礦井下隨掘隨采地震勘探中具有優(yōu)勢(shì)，但尚處于試驗(yàn)研究階段，因此，亟需研究適合于煤礦井下實(shí)際勘探條件的新型震源。

2018年，筆者團(tuán)隊(duì)等發(fā)現(xiàn)液態(tài)CO相變致裂技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行增透過(guò)程中，CO氣體瞬間釋放的能量引起圍巖振動(dòng)能夠產(chǎn)生地震波，因此，提出了一種基于CO震源的地震超前探測(cè)方法。CO相變致裂技術(shù)由CardoxTube系統(tǒng)演變而來(lái)，由英國(guó)的CARDOX公司提出并研發(fā)，由于相變致裂過(guò)程中不產(chǎn)生高溫和火花，不會(huì)引起瓦斯及煤塵爆炸，在山西陽(yáng)泉、潞安及河南平頂山等大型礦區(qū)廣泛應(yīng)用并作為煤層增透常規(guī)手段。2019年，李海軍等證明了CO震源可用于陸地地震勘探，分析了高、低頻反射信號(hào)特征并介紹了該震源的應(yīng)用前景。2020年，李穩(wěn)等開展了CO相變技術(shù)激發(fā)地震波的地面人工震源激發(fā)-接收實(shí)驗(yàn)，并指出CO震源具有綠色、環(huán)保及安全等優(yōu)點(diǎn)。然而，在煤礦井下暫未見CO震源勘探試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道。

基于此，筆者針對(duì)突出礦井實(shí)際條件，在采煤工作面進(jìn)行CO震源槽波勘探研究，開展異巷激發(fā)-接收透射勘探及同巷激發(fā)-接收透射勘探實(shí)驗(yàn)，揭示地震信號(hào)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特征，探究CO震源在煤層深孔激發(fā)特性，并對(duì)其在礦井地震勘探的應(yīng)用前景進(jìn)行討論。

1 CO2震源激發(fā)原理及等效能量計(jì)算

CO震源爆破工作過(guò)程為：將液態(tài)CO放置于儲(chǔ)液管內(nèi)，在啟爆器接通引爆電流后，加熱棒迅速釋放大量熱量，管內(nèi)液態(tài)CO轉(zhuǎn)換為高壓氣體，氣體體積膨脹超過(guò)600倍(在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下)，致使管內(nèi)氣壓急速升高，氣體壓力在達(dá)到剪切片控制壓力閾值時(shí)，剪切片被擊穿，通過(guò)泄壓頭從出氣孔噴出，從而釋放爆破力，產(chǎn)生地震波，CO震源系統(tǒng)如圖1所示。由于爆破過(guò)程中不產(chǎn)生高溫和火花，不會(huì)引起瓦斯及煤塵爆炸，符合煤礦本質(zhì)安全要求。

圖1 CO2震源示意

當(dāng)CO震源系統(tǒng)的儲(chǔ)液管發(fā)生物理爆炸時(shí)，能量向外釋放的形式有3種：碎片能量、容器殘余變形能量、釋放的高能氣體沖擊能量。其中，碎片能量為剪切片擊穿時(shí)消耗的能量，同時(shí)由于儲(chǔ)液管材質(zhì)堅(jiān)硬，爆破過(guò)程中變形量微小，因此碎片、容器殘余變形能量少，能量釋放主要表現(xiàn)為高能CO的爆破力。對(duì)于CO震源爆破能量計(jì)算，采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破模型，TNT當(dāng)量計(jì)算公式為

(1)

式中，為激發(fā)能量，kJ；為剪切片極限壓力，通常取值為100～270 MPa；為儲(chǔ)液管的容積，m；為CO的絕熱指數(shù)，取1.295。

常溫條件下，一根儲(chǔ)液管內(nèi)充填了2 kg的液態(tài)CO，120～270 MPa剪切片極限壓力條件下CO震源激發(fā)產(chǎn)生的能量為596～1 341 kJ，能量相當(dāng)于140～315 g的TNT當(dāng)量。目前煤礦井下炸藥通常為乳化炸藥，作為井下地震勘探震源的乳化炸藥質(zhì)量一般為80～300 g，乳化炸藥TNT當(dāng)量系數(shù)為0.76,則質(zhì)量為60.8～228.0 g。因此，CO震源的TNT能量高于井下地震勘探常用炸藥震源能量。

2 CO2震源槽波勘探實(shí)驗(yàn)

2.1 地質(zhì)背景

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于山西陽(yáng)泉礦區(qū)西北部新元煤礦3417工作面，地質(zhì)構(gòu)造為北高、南低的單斜構(gòu)造形態(tài)，煤層向南傾斜，傾角為2°～10°。3417工作面開采3號(hào)煤層，厚度為2.10～2.55 m，平均為2.35 m，屬于中厚煤層。煤層賦存比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以亮煤為主。煤層頂板自下而上為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，總厚度大于4.7 m。煤層底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為5.99 m。3417工作面具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，工作面瓦斯抽放鉆孔密集且對(duì)封孔要求高，為了防止封孔段附近爆破損壞抽放鉆孔，以及受到施工期火工品管制，該工作面不能采用炸藥震源。液態(tài)CO相變致裂是該工作面煤層增透常規(guī)手段，此為CO震源槽波勘探實(shí)驗(yàn)研究提供了便利條件。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)

在3417工作面進(jìn)風(fēng)巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷各布設(shè)1條地震測(cè)線，每條測(cè)線布置40個(gè)與巷道走向平行的單分量檢波器，檢波器位于煤巷腰線位置，道間距10 m，如圖2所示。以進(jìn)風(fēng)巷R1檢波器為坐標(biāo)原點(diǎn)，方向?yàn)槠叫杏谶M(jìn)風(fēng)巷方向，指向開切眼方向，方向?yàn)榇怪庇谶M(jìn)風(fēng)巷方向，指向工作面內(nèi)。利用液態(tài)CO相變致裂在煤層內(nèi)開展震源實(shí)驗(yàn)，在3417工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷布設(shè)2組CO震源，S1震源深度為方向159 m，位于方向165 m處。S2震源深度為方向155 m，位于方向220 m處。利用鉆機(jī)將單根CO震源裝置送至炮孔底部，注水封孔器封孔，單炮依次激發(fā)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)示意

2.3 地震信號(hào)及分析

..異巷激發(fā)接收透射勘探信號(hào)分析

圖3(a)顯示的是輔助進(jìn)風(fēng)巷S1號(hào)CO震源激發(fā)-進(jìn)風(fēng)巷接收的透射勘探原始地震記錄(其中進(jìn)風(fēng)巷R19，R22，R24，R39道無(wú)效)，從地震剖面中可以看出典型的3組地震波，在共炮點(diǎn)道集上表現(xiàn)為雙曲線特征。第1組到達(dá)信號(hào)是縱波，縱波速度約為3 500 m/s；第2組到達(dá)信號(hào)是橫波，橫波速度約為1 800 m/s；第3組到達(dá)信號(hào)能量最強(qiáng)，為槽波的埃里震相，速度約為900 m/s。通過(guò)對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行頻譜分析(圖3(b))后發(fā)現(xiàn)：振幅能量集中在50～350 Hz，橫波主頻最低，約為125 Hz，頻寬為100～140 Hz；縱波主頻約為155 Hz，頻寬為150～170 Hz；槽波主頻最高，振幅能量最強(qiáng)，頻寬為200～350 Hz，對(duì)槽波進(jìn)行頻散分析(圖3(c))后發(fā)現(xiàn)，槽波埃里震相頻率約為260 Hz，埃里震相波速約為900 m/s。

圖3 S1號(hào)CO2震源透射地震記錄、頻譜特征和頻散特征

..同巷激發(fā)接收側(cè)幫勘探信號(hào)分析

圖4(a)顯示的是輔助進(jìn)風(fēng)巷S2號(hào)CO震源激發(fā)-同巷接收的原始地震記錄(其中輔助進(jìn)風(fēng)巷R53，R56，R67，R73道無(wú)效)，從地震剖面中可以看出典型的3組地震波。第1組到達(dá)信號(hào)是縱波，縱波速度為3 500 m/s；第2組到達(dá)信號(hào)是橫波，橫波速度為1 800 m/s；第3組到達(dá)是能量最強(qiáng)，為槽波的埃里震相，速度約900 m/s。通過(guò)對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行頻譜分析(圖4(b))后發(fā)現(xiàn)：振幅能量集中在50～450 Hz頻率范圍內(nèi)，橫波主頻最低，約為125 Hz，頻寬為100～150 Hz；縱波主頻約為175 Hz，頻寬為150～225 Hz；槽波主頻最高，振幅能量最強(qiáng)，頻寬為250～450 Hz。對(duì)槽波進(jìn)行頻散分析(圖4(c))后發(fā)現(xiàn)，槽波埃里震相頻率約為280 Hz，埃里震相波速約為900 m/s。

圖4 S2號(hào)CO2震源透射地震記錄、頻譜特征和頻散特征

..頻率、振幅特征對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)比異巷激發(fā)-接收透射信號(hào)與同巷側(cè)幫激發(fā)-接收透射信號(hào)的特點(diǎn)，2者在地震剖面上均出現(xiàn)典型的3組地震波，且均是槽波頻率最高，能量最強(qiáng)，埃里震相波速均約為900 m/s。異巷激發(fā)-接收透射地震剖面上槽波頻寬為200～350 Hz，槽波埃里震相約為260 Hz。在同巷激發(fā)-接收透射地震剖面上槽波振幅能量集中在250～450 Hz，槽波埃里震相約為280 Hz。兩者信號(hào)的頻譜特征整體相似，且頻率的一致性相對(duì)較好，證明了S1及S2兩組CO震源激發(fā)信號(hào)的可靠性。需要說(shuō)明的是，同巷側(cè)幫激發(fā)-接收的槽波頻率相對(duì)較高，主要原因是同巷側(cè)幫勘探震源點(diǎn)與檢波點(diǎn)的透射距離更近，高頻信號(hào)衰減少，高頻能量相對(duì)較強(qiáng)。

3 CO2震源討論

3.1 CO2震源深孔激發(fā)

當(dāng)震源在煤層中激發(fā)后，在煤層及圍巖中形成破壞區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，彈性區(qū)為地震波的產(chǎn)生區(qū)域，槽波地震勘探利用部分縱波、橫波在煤層頂?shù)装褰缑娑啻稳瓷洳⑾嗷ジ缮姣B加形成的槽波，如圖5(a)所示。相對(duì)探測(cè)方向而言，主要存在3處能量泄漏區(qū)：第1處泄露區(qū)的能量往探測(cè)相反方向釋放；第2處能量泄漏區(qū)可分情況討論：① 若破壞區(qū)、塑性區(qū)均延伸至煤層外，地震波能量從煤層中大量泄漏，該情況在薄煤層中相對(duì)常見；② 若破壞區(qū)范圍在煤層內(nèi)，塑性區(qū)、彈性區(qū)延伸至煤層之外，地震波能量也會(huì)部分泄漏，該情況在中厚煤層中相對(duì)常見；③ 若破壞區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)均在煤層內(nèi)，則地震波大部分能量在煤層中，在厚煤層中相對(duì)常見；而第3處能量泄漏區(qū)是由于地震波的反射與透射導(dǎo)致的能量溢出。

圖5 震源激發(fā)及地震波傳播示意

傳統(tǒng)震源布置在巷道幫淺孔內(nèi)(圖5(b))，孔深一般為1～2 m，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中由于圍巖應(yīng)力高于圍巖強(qiáng)度而形成了破壞區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)所產(chǎn)生的破裂帶，稱之為圍巖松動(dòng)圈。松動(dòng)圈圍巖相對(duì)松散，震源激發(fā)時(shí)，破壞區(qū)范圍可能會(huì)延伸到空氣巷道內(nèi)，導(dǎo)致能量大量泄漏，沿著煤層傳播方向上的能量減弱，使得探測(cè)方向的槽波能量有限。

由于CO相變致裂技術(shù)為滿足封孔及增透的需求，均為深孔激發(fā)，深度通常超過(guò)30～120 m，不在巷道及松動(dòng)圈影響區(qū)域，同時(shí)增透煤層時(shí)CO爆破能量定向聚能作用于煤層，具有順煤層的方向性，減少了圖5(a)中能量泄漏1區(qū)及2區(qū)的能量泄露。因此，CO震源避開了巷道及圍巖松動(dòng)圈影響，能量泄漏相對(duì)少，且聚能作用于煤層。

3.2 隨掘隨探分析

在煤與瓦斯突出礦井，為了縮短回采工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，在煤巷掘進(jìn)期間，提前向工作面內(nèi)實(shí)施CO相變致裂，提高工作面內(nèi)瓦斯抽采效率。在該過(guò)程施工的CO相變致裂技術(shù)為槽波地震勘探提供了有利條件，無(wú)需額外施工炮孔，不需要額外的易耗材料，在CO相變致裂時(shí)同步布置觀測(cè)系統(tǒng)接收地震信號(hào)。隨著煤巷掘進(jìn)，工作面內(nèi)的CO相變致裂是不間斷進(jìn)行的，可以開展連續(xù)地震探測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)異常動(dòng)態(tài)探測(cè)，例如瓦斯富集、應(yīng)力變化異常等，其探測(cè)示意如圖6所示。同時(shí)，借用相變致裂的CO震源及巷道內(nèi)檢波器可以開展地震超前探測(cè)，利用大孔深構(gòu)建合理的寬方位超前觀測(cè)系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)煤巷極小偏移距下的地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)探測(cè)。

圖6 隨掘隨探煤層平面

3.3 CO2震源方向激發(fā)的特點(diǎn)

CO震源具有定向激發(fā)的特性，具體表現(xiàn)在：管內(nèi)液態(tài)CO轉(zhuǎn)換為高壓氣體擊穿剪切片后，通過(guò)泄壓頭從出氣孔噴出，從而釋放爆破力作用于煤層，通過(guò)改變泄壓頭的結(jié)構(gòu)可以控制震源的激發(fā)方向(圖7(a)，(b))，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定向激發(fā)，聚能作用于煤層。根據(jù)不同的探測(cè)方向及不同產(chǎn)狀地質(zhì)構(gòu)造(圖7(c))，可以針對(duì)性控制震源的聚能方向，利用最優(yōu)方向進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)，但煤層條件下CO震源方向性激發(fā)的地震波場(chǎng)特征尚未系統(tǒng)揭示，有待進(jìn)一步研究。

圖7 CO2震源激發(fā)平面

3.4 CO2震源與炸藥震源的對(duì)比討論

CO震源激發(fā)滿足集中力源特征，激發(fā)后既產(chǎn)生縱波也產(chǎn)生橫波，而炸藥震源滿足脹縮源激發(fā)特征，理想條件下激發(fā)只產(chǎn)生縱波。為了對(duì)比2種震源在煤層條件下激發(fā)的差異性，基于高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分算法進(jìn)行三維模擬，設(shè)計(jì)了“巖-煤-巖”層狀三維模型。實(shí)際過(guò)程中Love型槽波激發(fā)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，因此設(shè)計(jì)模型參數(shù)見表1(,,分別為介質(zhì)橫波速度、縱波速度和密度)。

表1 模型參數(shù)

模型在，，方向的大小分別為300，300，300 m，煤層中心位于=150 m處，煤厚為5 m。震源位置為(150，150，150 m)，位于煤層中，布置2條垂直的測(cè)線、測(cè)線，如圖8(c)所示，采用脹縮源和集中力源作為震源進(jìn)行數(shù)值模擬研究。選取信噪比最高的分量信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果表明，集中力源激發(fā)下的Love型槽波振幅能量相對(duì)較強(qiáng)，脹縮源激發(fā)下的Love型槽波振幅能量相對(duì)較弱。主要原因是Love型槽波由SH波干涉形成，脹縮源激發(fā)后只產(chǎn)生縱波，縱波傳播至煤層界面后發(fā)生波的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生SH波，進(jìn)而干涉形成槽波，由于轉(zhuǎn)換SH波振幅能量相對(duì)較弱，因此干涉形成槽波振幅能量相對(duì)較弱；而集中力源，激發(fā)后既產(chǎn)生縱波，也產(chǎn)生橫波，SH波和縱波在煤層界面發(fā)生轉(zhuǎn)換產(chǎn)生SH波進(jìn)行干涉，因此集中力源激發(fā)條件下的槽波更為發(fā)育。

圖8 點(diǎn)震源與集中力源的對(duì)比分析

為了進(jìn)一步分析CO震源激發(fā)地震信號(hào)的頻譜特征，選擇煤層條件類似的炸藥震源實(shí)測(cè)透射槽波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，同相軸①為縱波，同相軸②為橫波，同相軸③為槽波，如圖9所示。CO震源頻譜與炸藥震源整體形態(tài)類似，但炸藥震源的槽波振幅與體波差異較弱，相對(duì)于圖9中的槽波信號(hào)，圖3,4中的CO震源激發(fā)的槽波信號(hào)高頻豐富，振幅能量強(qiáng)于體波。

圖9 經(jīng)典炸藥震源地震記錄和頻譜分析[32]

綜上所述，CO震源的理論激發(fā)能量高于井下地震勘探常用炸藥震源；CO震源可以將激發(fā)方式設(shè)定為順煤層方向激發(fā)，聚能作用于煤層；CO震源深孔激發(fā)避開了巷道及圍巖松動(dòng)圈的影響，減少了能量耗散；CO震源具有集中力源的激發(fā)優(yōu)勢(shì)。因此，CO震源有利于槽波地震勘探。

4 結(jié) 論

(1)在儲(chǔ)液管內(nèi)利用通電的加熱棒產(chǎn)生大量的熱，使得2 kg液態(tài)CO迅速達(dá)到高密度超臨界狀態(tài)，當(dāng)氣體壓力超過(guò)剪切片的承壓極限值時(shí)，高壓CO從泄壓頭的出氣孔噴出，在煤層內(nèi)釋放超過(guò)140 g的TNT當(dāng)量爆破力，部分體波能量泄露出煤層沿頂板或底板傳播，部分地震波在煤層中干涉形成了能量強(qiáng)的槽波。

(2)CO震源在煤層深孔激發(fā)的縱波、橫波及槽波的走時(shí)、速度、頻率及頻散等差異特征顯著，地震波易于識(shí)別、分離；S1，S2兩組不同震源位置激發(fā)的地震波速度一致，且頻率特性相似性強(qiáng)，證實(shí)了CO震源激發(fā)信號(hào)的可靠性。

(3)CO震源單向激發(fā)方式屬于集中力源，該震源激發(fā)既產(chǎn)生縱波，也產(chǎn)生橫波，有利于槽波發(fā)育；同時(shí)煤層深孔CO震源激發(fā)避開了巷道及圍巖松動(dòng)圈影響，能量泄漏少且定向聚能作用于煤層，槽波能量相對(duì)較強(qiáng)；CO震源有利于槽波地震勘探。

(4)CO震源具有安全、無(wú)污染、可重復(fù)利用等優(yōu)勢(shì)，特別適宜于高瓦斯礦井；CO震源可借用液態(tài)CO相變致裂孔，無(wú)需專門施工激發(fā)深孔，可提高礦井地震勘探效率并有望實(shí)現(xiàn)大偏移距勘探。但受到礦井條件限制，僅在理論上計(jì)算了CO震源激發(fā)能量，后續(xù)需要開展CO震源與其他常用震源的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合CO震源泄壓頭的出氣孔方向及剪切片閾值可控的特點(diǎn)開展激發(fā)機(jī)理及裝置升級(jí)研究。

礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到了華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司王一教授級(jí)高工及河南理工大學(xué)曹運(yùn)興教授團(tuán)隊(duì)等指導(dǎo),在此一并表示感謝。