“岩—煤—岩”结构中SH型槽波特性研究.pdf

2016年 第 1 2 期2016年 第 1 2 期 中州煤炭中州煤炭 总 第 252期总 第 252期 “ 岩一煤一岩” 结 构 中SH型槽波特性研究 卢 韶 帅 李 杰 2 1 .河 南 理 工 大 学 ， 河 南 焦 作 454000; 2 .煤 科 集 团 沈 阳 研 究 院 有 限 公 司 ， 辽 宁 抚 顺 113122 摘要矿丼安全生产受前方采空区、 断层破碎带等复杂地质因素制约， 现有高精度地面地震勘探及矿 丼地球物理探测精度均难以满足安全生产的地质需求， 为保障复杂地质条件下矿丼安全、 高效生产， 开展槽波反射波法超前探测研究十分必要。深入研究了地震波在“ 岩一煤一岩” 这一特殊结构中的传 播特性， 通过研究s H型槽波的波动特征， 对其相对稳定的波动特征给予了定量表示； 通过波场正演模 拟研究发现， 煤层厚度、 激发点位置、 反射界面倾角等因素改变时，SH型槽波波动特征相对稳定， 这一 特征的发现对槽波超前探测的推广及应用有重要指导意义。 关键词 “ 岩一煤一岩” ；SH型槽波； 波动特征； 数值模拟； 超前探测 中 图 分 类 号 P631.42 文 献 标 志 码A 文 章 编 号1003 -0506201612 -0163 -05 Research on SH type channel wave in ’’rock-coal-rock’’ structure Lu Shaoshuai1 ,Li Jie2 1. Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 454000 , China ； 2. CCTEG Shenyang Research Institute, Fushun 113122 , China AbstractColliery safety production is severely constrained by some complex geological factors,such as goaf and fault fracture zone a head. The existing high-precision surface seismic exploration and mine geophysical detection accuracy is difficult to meet the geological demand of safety production, in order to ensure the security and efficiency of mining production under complicated geological conditions, it is necessary to carry out research on advanced exploration by using channel wave reflection prediction means. This paper deeply stud ied the transmission characteristics of seismic wave in the “ rock-coal-rock“ structure, by studying the fluctuation characteristics of SH channel wave, a quantitative representation has been made for the relatively stable characteristics. Through the research on forward simu lation of wave field, it was found that, when the depth of coal seam, the position of trigger point, and the inclined angle of reflection inter face change,the fluctuation characteristics of SH channel wave is relatively stable. This conclusion has important guiding significance to the promotion and application of advanced detection. Keywords “ rock-coal- rock“ ;type channel wave ； characteristics of wave ； numerical simulation ； advance detection 〇引言〇引言 地震超前探测技术是一种全空间条件下在作业 面或其后方布置观测系统超前预报前方隐伏地质灾 害的地球物理技术。 国内外针对矿井巷道地震超前探测技术的研究 甚少。2006年， 李庆春、 沈鸿雁等提出了反射波法 隧道井巷地震超前预报技术（Reflected-Wave Tunnel Seismic Prediction , RTSP [ 1 - 2 ];刘盛东等提出 了矿井 震 波 超 前 探 测 技 术（ Mine Seismic Prediction， MSP [ 3 ] ;2007年煤炭科学研究总院重庆研究院基 于地震勘探提出了矿井多波多分量超前探测技 术[4]。并且以上研究仍然是隧道超前探理论的延 续， 并没有从煤层所特有的特征着手， 进行地震波在 煤层中的特性研究。大多数的有限差分法分析是以 SH型槽波（ Love wave为模型， 其主要原因是SH型 槽波的数学模型容易建立， 而在薄煤层中触发的槽 波主要以SH型槽波为主。杨真对薄煤层的槽波特 征， 尤其是0.9 m厚的薄煤层槽波进行了深人研究 和分析， 证明在0.9 2.0 m厚的煤层中形成的槽波 收稿日期2016 - 08 - 12;责任编辑 秦爱新 DO I10.19389/ki. 1003 -0506.2016.12.037 作者简介 卢韶帅（ 1987 ） ， 男 ， 河南许昌人， 助理工程师， 硕士研究生， 现从事矿井通风瓦斯管理工作。 引用格式 卢韶帅， 李 杰 岩 一 煤 一 岩”结 构 中SH型槽波特性研究[ J ] .中州煤炭，201612 163-167. Lu Shaoshuai, Li Jie. Research on SH type channel wave in “ rock-coal-rock“ structure[ J] . Zhongzhou Coal,2016 12 163-167. 163 163 20162016年 輩 1 21 2 期 中州煤炭中州煤炭 总 第 252252期 主要是SH型槽波， 同时发现 煤层越厚， 煤层槽波 速度越慢， 且触发的槽波频率越低[ 4 _ 5 \ 因 此 ， 为保 障复.杂地质条件下矿井安全、 高效生产， 对“ 岩一 煤一岩“结构中SH型槽波特性研究， 开展槽波反射 波法超前探测研究;十分必要 1弹性波在煤岩界面处的射线路径 随着煤矿资源整合逐步完成， 发现这些整合的 小煤矿均没有正规的采据工程图纸,更为严重的是 采掘混乱无序,给整合后矿井的后续生产帯来严重 的安全隐患。实践证明， 此类事故目前已臺现上升 趋势我国浅部煤矿资源已经趋于枯竭， 而深部煤 矿资源的瓦斯含量较高， 煤与瓦斯突出等动力灾害 的倾向性增强。 在煤层中激发体波时， 所激发的能量在煤层顶、 底板反射界面上经过多次全反射， 而被束缚在煤屋 及其邻近的岩层中， 不向外部围岩辐射， 旦在煤层中 相苴叠加、 相 苴 于 涉 ， 形 成 一 个 较 强 的 干 涉 扰 动t6_ 1 8T， 即槽波（ 图 1， 它以煤层为波导沿着煤_层向 外传播。图 1 中 区 泄漏区；S和C K t正常这3 当人射波的人射角大于临界角时皮就会产生全反 射 现 象 人 射 波 为SH波时， 在煤层中会由于多次 反射形成SH型槽波 图 1弹 性 波 在 煤 岩 界 面 处 的 射 线 路 径 Fig. 1 Schematic development of interference systems leads to channel wave in coal seam 质点沿煤层水平方向波动， 形成了洛夫型槽波 SH型槽波） ， 沿垂直方向波动形成了瑞利型槽波 由于洛夫波和瑞利波的概念均由地震波沿地面传播 时质点波动方向的1 拳异定义，.其数学模型以均匀介 质的半空间体为基础， 为了使该文的逻辑性强推理 更加严谨,在此把通常所说的洛夫型槽波称为SH 型槽波， 其S波的自由度平行于该煤层的平面， 以便 于建立相应的数学模型与阐述槽波在煤层中的传播 形 态 本 文i要是从理论上分析在这种结构约束下 煤层槽波的形态， 实践证明在此结构形态下煤层中 的S波在槽波形成过程中扮演着很重要角色 对煤层槽波在典型的“ 岩一煤一岩” 结构进行 深人分析， 论述了煤层中SH型槽波有固定的形态， 其频率与煤层厚度的乘积等乎一个常量， 而这一稳 定的特征对研究利用槽波进行超前探测具有重要的 理论和应用价值， 可用于改善当今煤矿在煤层进行 超前探测时精度普遍较低的缺陷。 2 SH型槽波的数值模型 为了突出煤a槽波的特点， 而采用简化模型， 且 不考虑p波在“ 岩一煤一岩” 结构中的耦合作用， 只 考虑由S波耦合形成的SH型槽波6 在模型（ 图 2 设置中， 将煤层、 岩层视为各向同性的介质。文中采 用的简化初始模M为， 震源位于煤壁左侧， 煤层厚度 1 5 m， 在煤壁右侧35 m处为来空边界， 采电区宽 度为5 in， 巢爾充.满水;.瘰_中橫波的速度设隹为 95〇 m/s， 煤的密度为1 300 kg/m3, . 奢层中S波的速 度为2 400 m/s， 岩层的密度为2 700 kg/m 考虑到 采空区中的水对S波的传递无实质影响，， 且又不影 响整个计算过程，则设置采 空 区S波的速度为1 . 0 ia/s 来代.替原来的0. 0 m/sc , 40 m B m 5.0 m 煤层采空区 ------------------------------------------------------------------------ 图 2用 于 数 值 计 算 的S H型 槽 波 的 模 型 结 构 Fig. 2 Model structure of SH channel wave for calculation 3煤层中槽波的波动特征 为了突出SH型槽波在煤层与岩层中的耦合波 动特征， 结合不同煤层厚度条件下槽波的频散曲线， 通过波场M演 ， 列出了不同煤晨厚度（l.o 5.0 m 的SH型槽波在震源触发20 m s后的波场特征波场 快照图（ 图 3 从图3 中可以猜楚地看出， 煤层中 的SH型槽波的波动特征较为稳定, ， 其波长约是煤 息厚度的1.6倍 8 可以说明煤层中的SH型槽波的 波动形态和煤层厚度无关， 这是煤层中SH型槽波 的一个非常显著的特征， 为今.后利用煤展中的SH 型槽波在媒层巷道中探测周边的构造或未知采空区 提供了一个较为稳定的特征参数。 164 ■ 164 ■ 2016年 第 12期2016年 第 12期卢 韶 帅 ， 等 “ 岩 _ 煤 _ 岩 ” 结 构 中卢 韶 帅 ， 等 “ 岩 _ 煤 _ 岩 ” 结 构 中SH型槽波特性研究型槽波特性研究总 第 252期总 第 252期 与艾里震相的频率比值为一常数， 即煤层中传播的 SH型槽的波长与煤层厚度的乘积为一定值。因此， 煤层中槽波的波动特征在理论上应与煤层的厚度无 关 ， 在不同煤层中的波动特征较为一致与稳定。 图图3 SH型槽波在不同煤厚时的波场快照型槽波在不同煤厚时的波场快照 Fig. 3 Wave field snapshot of SH channel wave in condition of different thickness of coal seam 表 1 中详细列出了在煤层厚度l . o〜 4.0 m的 艾里震相频率、 数值模拟求得的槽波速度、 波长及比 值的分布。从 表 1 中可以发现， 无论煤厚怎么样变 化 ， 其槽波波长与煤厚的比值较为一致， 基本上保持 在 1 . 6 左右0 从图4 中也可以发现， 不同煤厚槽波 的波场快照均具有较为稳定的波动形态。 表表1不同煤层厚度下不同煤层厚度下SH型槽波的速度、 艾里震相频率型槽波的速度、 艾里震相频率 和波长之间的关系和波长之间的关系 Tab. 1 Relationship between velocity, airy phase frequency and wave length for SH channel wave in different thickness of coal seam 煤 层 肜 度/m 艾 里 震 相 频 率/Hz 梢 波 的 速 度/ m s -” 波 长A/mX/H 1.05007551. 681. 68 2.02507453. 241. 62 3.01807004. 801.60 4.01306806. 601. 65 通过对不同煤层厚度下的艾里震相频率和煤层 厚度进行指数曲线拟合（ 图 5 分析可以得到； 艾里 震相频率和煤层厚度间的函数关系， 其方程指数为 -0.976,相关系数为0.989 95。可以得出煤层厚度 图图4反射的煤层槽波在不同位置处的波场快照反射的煤层槽波在不同位置处的波场快照 Fig. 4 Reflected SH channel wave field snapshot when seismic source excited in different postions 0 2 4 6 8 10 煤淳/m 图图5艾里震相频率和煤层厚度的函数关系艾里震相频率和煤层厚度的函数关系 Fig. 5 Function of airy phase frequency and thickness of coal seam 4震源 位 置 与4震源 位 置 与SH型槽波的波动特征型槽波的波动特征 在煤矿井下利用槽波勘探时， 由于煤层厚度的 不均|变 化 ， 且巷道内煤壁周边相应支护设施及材 料的影响， 我们只考虑震源在煤壁正中间、 距煤层底 板 1/3处和1/4处时煤层中SH型槽波的波动特征 和能量分布情况。图 4 显示了当震源位于不同位 置、 反射的煤层槽波在65 m s时的波场快照， 图4 的 左侧为距震源18. 5 m处反射槽波的能量分布曲线。 从这些模拟图中可以看出， 反射槽波的波动特征受 震源位置的影响不明显， 且SH型槽波的能量通过 围岩反射后还是集中在煤层中央。 165 165 2016年 第 12期2016年 第 12期 中州煤炭中州煤炭 总 第 252期总 第 252期 因此， 在布置检波器和震源时， 为了接收和激发 出质量较好的地震信号， 应尽可能布置于煤层中煤 壁的中央位置。图4c显示了震源距煤层底板1/ 4 处时的波场快照， 其主要能量分布与图4a无显 著差异。由此可见， 即便是震源偏离煤层中央， 对 SH型槽波的影响响应也不会显著。为此在实际勘 探中， 应该尽可能地将槽波的震源布置在煤壁中央， 但是即使不在煤壁正中央其影响也不会显著。 5反 射 角 与5反 射 角 与SH型槽波波动特征型槽波波动特征 研究SH型槽波质点波动特征的核心问题是， 想利用煤层中的SH型槽波探测煤层巷道前方的采 空区、 断层或瓦斯聚集区等地质构造体， 而煤层中槽 波的一个最大的特征则是能将震源的能量束缚于煤 层中9 综上分析知， 煤 层 中SH型槽波的波动特征与 煤层的厚度无关， 对于不同厚度的煤层其地震槽波 的能量包络特征也较为一致， 即槽波波长与厚度之 比约1.6。因此， 没有必要去讨论各种煤层厚度条 件下槽波的反射特征。为了简化模型， 这里只考虑 2.0 m厚煤层条件下， 震源位于煤层中央， 在30、 45。 、 60。 、 90。 反射角下和采空边界处， 311型的反射 槽波在65 m s处的波动及能量包络特征（ 图 6。 通过对SH型槽波的波动特征的分析研究， 发 现SH型槽波的波动特征较为稳定， 其波动过程不 随煤层厚度的变化而变化， 表现为煤层厚度与SH 型槽波频率的乘积为|个常量， 其SH型槽波波长 与煤层厚度的比值约1.6。这一稳定的特征对研究 利用槽波进行超前探测具有指导价值， 可以改善当 前煤矿在煤层进行超前探测时精度普遍较低的问 题。通过波场正演， 发现受震源位置的不同有微小 的影响， 而不同角度的反射界面对槽波形态影响较 为明显， 尤其是当反射面的倾角小于等于45时。 因此， 与震源位置对SH型槽波的影响相比， 倾角的 影响较为显著Q基于6 ‘ 岩一煤一岩” 的特殊地质结 构， 建议在利用槽波进行勘探时， 可以进一步研究槽 波的波动和能量的包络特征a以此可以选用或设计 合适的数据处理方法， 并结合理论分析， 确定煤层的 反射界面， 应用于槽波的超前勘探。 6结论6结论 1通过对SH型槽波的波动特征的分析， 发现 SH型槽波的波动特征较为稳定， 其波场形态不随煤 U 在30。的反射角下 b 在45 的反射角下 c 在60 的反射角下 d 在90。的反射角下 e 在采空边界塌陷处 图图6 SH型反射槽波在型反射槽波在65 ms处的波场快照处的波场快照 和能量包络特征 Fig. 6 Reflected SH channel wave field snapshot and characteristics of energy envelope at 65 ms 层厚度的变化而变化， 表现为煤层厚度与SH型槽 波频率的乘积为一个常量， 其SH型槽波波长与煤 层厚度的比值约1.6 这一稳定的特征对研究利用 槽波进行超前探测具有指导价值， 可以改善当前煤 矿在煤层做超前探测时精度普遍较低的问题。 2通过波场正演， 发现槽波受煤层厚度、 震源 位置的变化对其形态的影响较小， 而反射界面的角 度不同对槽波形态有一定影响， 尤其是当反射面的 倾角小于等于45时。因此， 与震源位置对SH型槽 波的影响相比， 倾角的影响较为显著。 参考文献（References [ 1 ] 沈 鸿 雁 ， 乍 庆 春 . 叠 前 地 震 资 料SVD波 场 分 离4占 噪[ C ] .西 西 安 石 油 大 学 汕 气 资 源 伞 院 创 逑10周 年 学 术 研 讨 会 ， 2006. 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