掘进煤巷采空区Rayleigh型槽波超前探测三维数值模拟研究.pdf

煤炭工程 第 5 2 卷第 2 期 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 2 doi 10. 11799/ce202002026 掘进煤巷采空区Ra yl eigh型槽波超前探测 三维数值模拟研究 呼邦兵朱国维“，刘金锁3,钟俊峰“，龙波-2 1.中国矿业大学北京地球科学与测绘工程学院，北京100083； 2.中国矿业大学北京煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083； 3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221116 摘要不明采空区的存在诱发了多种矿山地质灾害，给煤矿安全生产和生命财产安全带来重 大隐患。为了研究煤巷迎头前方存在采空区的条件下槽波地震波场的传播规律，建立了 “岩-煤- 岩”三层含采空区地质模型并进行了地震超前探测波场数值模拟，分别对三维地震波场快照和三分 量合成地震记录进行分析研究。研究结果表明在对巷道前方采空区进行地震超前探测时， Raylei gh型槽波可以作为识别巷道迎头前方采空区的有效波；反射Raylei gh型槽波在X、Z分量上信 号特征明显、干扰小、能量强、易于识别；Y分量信号可以接收到直达Love型槽波。最终，提出利 用Raylei gh型槽波对采空区进行超前探测。 关键词釆空区；超前探测；Raylei gh型槽波；数值模拟 中图分类号P631 文献标识码A 文章编号1671-0959202002-0121-05 Three-dimensional numerical simulation of the Rayleigh channel wave advance detection in the goaf of coal roadway HU Ba n g-bin g12, ZHU Gu o -we i“, LIU Jin -su o3, ZHONG Ju n -f en g12, LONG Bo12 1. Co l l ege o f Geo sc ien c e a n d Su rveyin g En gin eerin g, Ch in a Un iversit y o f Min in g a n d Tec h n o l o gy Beijin g , Beijin g 100083, Ch in a； 2. St a t e Key La bo ra t o ry o f Co a l Reso u rc es a n d Sa f e Min in g, Ch in a Un iversit y o f Min in g a n d Tec h n o l o gy Beijin g , Beijin g 100083, Ch in a； 3. Sc h o o l o f Reso u rc es a n d Geo sc ien c e, Ch in a Un iversit y o f Min in g a n d Tec h n o l o gy, Xu zh o u 221116, Ch in a Abstract Th e ex ist en c e o f u n iden t if ied go a f h a s in du c ed a va riet y o f min e geo l o gic a l disa st ers, wh ic h po ses a ma jo r h idden da n ger t o t h e sa f et y o f c o a l min e pro du c t io n, perso n n el l if e a n d pro pert y. In o rder t o st u dy t h e pro pa ga t io n l a w o f c h a n n el seismic wa ve f iel d u n der t h e c o n dit io n t h a t t h ere is a go a f in f ro n t o f t h e c o a l ro a dwa y, a t h ree 一 l a yer geo l o gic a l mo del c o n t a in in g t h e go a f in t h e w ro c k-c o a l -ro c kM is est a bl ish ed t o simu l a t e t h e wa ve f iel d o f t h e s P为密度；匕、叫、匕分别为质点沿X、Y、Z方向 的振动速度；t为传播时间。 2.2模型与参数 为了研究巷道前方采空区的地震波场特征，设 122 2020年第2期 煤炭工程研究探讨 计了一个含煤层和巷道的三维模型如图2所示，模 型在X、Y、Z方向的大小分别为400m x 300m x 100m, Z方向中间为煤层，煤层厚度为4m,煤层顶 底板岩性相同；巷道位于煤层中间位置处，长150m （X方向）、宽5m（Y方向），高4m（Z方向）。采空 区为正方形，边长为50m,高度等于煤厚，位于巷 道迎头前方100m处，各岩层的弹性参数见表1。模 型在X、Y、Z方向上的网格大小均为0,5m,模型 边界采用PML法吸收边界，巷道边界采用AEA 法M处理。 图2三维煤层立体模型图 表1 模型弹性参数 介质Vp/ m*s-1 V9/ n rs-1 p/kg*m-3 围岩400023102350 煤层220012701300 采空区10005251565 巷道 34001.29 震源位置为（50, 157, 50）,距离巷道壁2m 深，采用主频130Hz的零相位雷克子波爆炸震源。 测线平行于巷道掘进方向，与震源位于同一直线上， 共101道，道间距为lm,时间采样率为0.4ms。观 测系统的布置如图3所示。 X 0 100 200 300 400 50 100 200 150 300 图3观测系统剖面图（Z 50m） 3三分量地震波场特征与地震记录 3.1三分量地震波场空间传播特征 由 X 分量 40ms、80ms、160ms、260ms 波场快 照切片图（图4）可知40ms时刻，震源激发产生纵 波、横波；80ms时刻，体波在传播过程中，纵波与 横波相互叠加、干涉形成Ra ylei gh型槽波，体波传 播速度快，首先到达迎头产生迎头绕射波或反射波, 直达纵波和直达横波在向前传播过程中遇到采空区； 160ms时刻，一部分体波发生反射产生反射波，另 一部分体波进入采空区中并在采空区腔体内发生多 次反射。Ra ylei gh型槽波在采空区边界产生反射槽 波，反射槽波部分能量沿着煤层向巷道迎头方向传 播。巷道中排列的检波器首先接收到反射体波，其 次接收到反射槽波。 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 X X a40ms b80ms 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 X c 160ms X d260ms 图4 X分量波场快照Z 50m切片图 由 Y 分量 40ms、80ms、160ms、260ms 波场快 照切片图（图5）可以看岀，波场的传播方式类似于 X分量。40ms时刻，震源激发产生纵波、横波。 80ms时刻，体波在传播过程中，SH波相互干涉形 成Love型槽波，体波传播速度快，先到达迎头产生 迎头绕射波或反射波，直达波已经到达采空区，并 发生多次反射。160ms时刻，一部分体波发生反射 产生反射波，另一部分体波传播进入到采空区中并 在采空区腔体内发生多次反射。260ms时刻，空间 中反射波与采空区边界绕射波混杂。 100 200 300 400 200 300 0 100 200 300 400 X a40ms X b80ms X X c 160ms d260ms 图5 Y分量波场快照Z 50m切片图 123 研究探讨煤炭工程 2020年第2期 通过 Z 分量 40ms、80ms、160ms、260ms 波场 快照切片图（图6）可以得出，波场的传播方式类似 于X分量。40ms时刻，震源激发产生纵波、横波。 80ms时刻，体波已经到达巷道迎头，并产生绕射波 或反射波；直达波已经到达采空区，并发生多次反 射。体波和直达Ra ylei gh型槽波继续向前传播，在 160ms时刻，一部分体波发生反射，另一部分体波 传播进入到采空区中并在采空区腔体内发生多次反 射。直达槽波在采空区边界产生反射槽波。260ms 时刻，空间中直达波、反射槽波、绕射波等混杂。 0 100 200 300 400 X 0 100 200 300 400 b80ms X d260ms 图6 Z分量波场快照Z 50m切片图 3.2三分量合成地震记录分析 振幅归一化处理的X、Y、Z分量合成地震记 录如图7所示。从合成地震记录中可以清晰地识别各 种直达波和采空区的反射波，而迎头绕射波能量相 对于其它波能量弱，归一化处理后，在地震记录上 无法识别。 图7（a）为X分量得到的合成记录，结合波场快 照及模型的时距关系可以分辨岀直达纵波（同相轴 1） 、直达横波（同相轴2）、直达槽波（同相轴3）、 反射槽波（同相轴4）和采空区反射纵波（同相轴5）o 由于纵波在采空区内多次反射，故同相轴5波列较 宽。同相轴4速度慢、波列宽、能量强，且同相轴4 的斜率明显大于同相轴5,为反射Raylei gh槽波，易 于和其他干扰波区分。 图7（b）为Y分量得到的合成记录，结合波场快 照及模型的时距关系可以分辨出直达横波（同相轴 2） 、采空区反射横波（同相轴6）、直达Love型槽波 （同相轴7）。横波在采空区内多次反射，反射横波波 列较宽、能量较强。从记录中未得到反射Love槽波。 图7（c）为Z分量得到的合成记录，结合波场快 照及模型的时距关系可以分辨出直达纵波（同相轴 1）、直达横波（同相轴2）、宜达槽波（同相轴3）、 反射槽波（同相轴4）、采空区反射纵波（同相轴5）。 由于反射槽波波列较宽，可能反射横波于反射槽波 混杂，故反射横波未见明显同相轴。如同X分量, 体波在采空区中多次反射，同相轴5波列较宽，但 能量较弱；同相轴4的斜率明显大于同相轴5,速度 慢、能量强、同相轴清晰，易于区分。 8080 号 60.60. 逍 WW 00 00 00 00 00 00 1 2 3 1 2 3 cZ分量 400 2020 S E t t ,0.,0. 80,80, S E 一左 （b）Y分量 图7三分■合成地震记录 2020 O O O O aX分量 . 一起 400. 根据上述分析可知，X分量和Z分量接收到的 反射Raylei gh型槽波速度最慢，其波至最迟，与其 他波时间间隔较大，能量较强，无论在时间域中还 是在能量上都容易识别。Y分量无反射Love型槽 波。基于以上分析，反射Ra ylei gh型槽波可以作为 识别工作面前方存在采空区的有效波。 4结论 基于矿井地震超前探测理论，利用地震数值模 拟开展巷道迎头前方采空区地质异常超前探测技术 研究，设计了 “岩-煤-岩”三层地质模型，主要得 出以下结论 2020年第2期 煤炭工程研究探讨 1 在巷道超前探测采空区研究不足的基础上， 提岀了 Raylei gh型槽波超前探测方法，该方法采取 后置放炮，在迎头后方激发爆炸震源，在震源与迎 头之间布置检波器的观测方式。 2 对提出的Raylei gh型槽波超前探测方法进行 了数值模拟研究。研究表明在煤厚4m,震源频率 130Hz情况下，构造面上产生反射Ra ylei gh型槽波， 能量较强、同相轴较为清晰、易于识别，可以作为 构造超前探测的有效波。 3 在三分量地震记录上，X、Z分量接收反射 槽波能量较强，同相轴清晰，反射槽波速度慢，在 时间间隔上与其他波差距大，从时间域或能量上都 易于区分。Y分量上可以接收到直达Love型槽波， 无反射Love槽波。在巷道前方采空区的超前探测 中，X、Z分量可以有效接收反射Ra ylei gh型槽波， 实现采空区的超前探测。 4 本文只建立了采空区位于巷道正前方正演模 型，下一步进行采空区在巷道不同位置以及采空区 不同大小地震超前探测正演模拟研究，研究地震波 场在采空区不同空间位置、不同大小地质条件下的 传播规律，为利用Ra ylei gh型槽波超前预测预报采 空区提供参考。 参考文献 [1] 杜仲华，陈朋磊.槽波在采空区边界探测的数值模拟研究 [J].中州煤炭，201612 172-175. 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