综采工作面随采地震的采煤机震源模拟_金丹.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY Guizhou Science and Technology Major Projects[2018]3003- 1； Science and Technology Innovation Venture Capital Special Project of Tian Di Science forward simulation; coal cutter; cutting load; staggered grid 井下地震勘探相比地面地震勘探，能够近距离 的对异常构造进行探测，避免了地面三维地震因较 长传播距离导致的高频衰减，因而，对工作面前方 以及巷道周围的隐伏构造有更高的勘探精度， 目前， 在井下异常构造探测中的应用越来越广泛。 近年来， 槽波地震勘探为矿井地质构造的探明提供了有效手 段，得到比较好的应用效果，它具有探测距离大、 精度高、抗干扰性强，波形特征明显等特点，为煤 层内的陷落柱、断层及煤层尖灭等异常地质情况 的解释给予可靠依据，成为煤矿安全生产的有力 保障[1- 2]。 井下槽波地震勘探在探测采煤工作面前方 异常构造时，通常需要中断采煤作业，且在推广应 用时受限于它的震源形式，难以普及使用。为此， 借鉴随钻地震勘探的思路，人们提出了以采煤机作 为震源、利用地震干涉的方式对工作面前方进行实 时成像的随采地震探测技术[3- 9]。 ChaoXing 16 煤田地质与勘探 第 47 卷 以采煤机截割煤层时所产生的震动作为震源 时， 与常规地震勘探所使用的爆炸震源存在较大差 异。爆炸震源一般为各向同性的震源成分，它是一 个胀缩源，相当于在震源点瞬间产生一个径向压 力，压力的传播方向由源点指向周围介质。在压力 传播过程中，便产生一个波动引起介质质点的扰 动， 其振动方向与压力传播方向一致， 激发出 P 波。 采煤机截割煤层时由于井下环境恶劣、 煤层结构随 机性大、截齿截割的不连续性，同时煤岩脆性崩落 也并无规律， 这些使得采煤机在截割过程中滚筒载 荷复杂多变，由载荷引起的压力传播也随之变化。 当以采煤机作为震源时，由于其震源情况较为复 杂， 如果直接以处理常规井下地震数据的方式来处 理随采数据，则会由波场识别错误导致的成像不 准。为此，随采地震的正演模拟较为必要，通过对 随采数据的模拟，分析其波场，为后续处理及解释 提供指导作用。 笔者首先对采煤机截割方式及滚筒 的受力情况进行分析，进而以震源力函数的形式， 将不同时间不同位置的荷载分布作为震源对波动 方程进行加载， 通过高阶交错网格有限差分法对波 动方程进行求解，得到正演单炮数据。最终，对正 演随采地震数据进行波场分析与对比， 分析采煤机 震源激发的波场特征， 便于指导实际随采数据采集 以及波场识别。 1 采煤机截割方式 采煤机滚筒及其截割煤岩过程如图 1 所示， 采煤机滚筒上安装有若干个截齿，这些截齿与煤 体直接接触；割煤时采煤机的牵引运动和滚筒的 旋转运动合成了截齿的运动，从而完成截齿割煤 任务。 图 1 采煤机滚筒及其割煤过程示意图 Fig.1 The sketch of spiral drum of coal cutter and its cutting process 割煤启动阶段，截齿会对煤体瞬间施加一个较 大的冲击力，冲击力超过煤体的承受力时，煤体破 碎垮落，同时煤体所受的力迅速降低至近似于 0； 由于牵引力作用， 截齿会前移并再次接触前方煤壁， 旋转力的推进使得煤体承受的力越来越大，再次超 过其承受力时便会垮落，受力又减小；如此周而复 始的进入作用力增大、煤体垮落、作用力减小的循 环，完成采煤机的采煤过程。 2 采煤机受力分析 地震波数值模拟需要知道的是煤体的受力分 析，而煤体的受力和采煤机的受力是作用力与反作 用力的关系，因此，分析采煤机的受力便可得到煤 体的受力。 采煤机通过滚筒上的截齿来截割煤岩， 滚筒割 煤时截齿随滚筒旋转以及采煤机沿工作面移动对 煤壁施以压力，第 i 个截齿上受到的力包括截割阻 力 Zi，牵引阻力 Yi和侧向阻力 Xi。由力的分解法 可以得到 3 个方向的分力 ai、bi、ci，将所有参与 截割截齿np个的分力叠加求和即可得到滚筒的三 向荷载[10- 11] 11 11 11 cossin sincos pp pp pp nn aiiiii ii nn biiiii ii nn cii ii RaYZ RbYZ RcX            1 式中 ψ 为滚筒上的圆周角。 给定煤机滚筒参数及煤岩参数，依据截割阻力 Zi， 牵引阻力 Yi和侧向阻力 Xi的定义对其进行计算， 并由此计算 Ra、Rb、Rc。图 2 为 Ra、Rb、Rc分别随 角度 ψ0360的变化曲线，可以看出，Ra与 Rb幅 值较大，且呈现出类似正弦曲线规律的周期性，周 期大约为 120。Rc幅值较小，且无规律，呈现出明 显的随机性[12]。 根据滚筒的转速，将横坐标角度转换为时间 t，并由采煤机的起始位置及沿工作面移动的速度 得到不同时刻采煤机对应的位置x,y,z。最终，由 x,y,z,t确定网格坐标，以滚筒的三向荷载作为震 源进行加载，为时间层和递推提供能量，得到数 值模拟结果。 3 采煤机震源加载方法 采煤机上与煤体直接作用的截齿数量较多，距 离比数值模拟网格大，因此，难以真实对采煤机的 截齿进行描述。但不失一般性，考虑前两节中的分 析，本文以图 3 的方式对滚筒割煤进行简化滚动 的半径通常与数值模拟时网格剖面尺度相当， 因此， ChaoXing 第 3 期 金丹 综采工作面随采地震的采煤机震源模拟 17 图 2 滚筒载荷模拟曲线 Fig.2 Simulated curves of drum loads 图 3 采煤机震源加载示意图 Fig.3 Schematic diagram of coal cutter loading as seismic source 滚筒上的截齿按上下左右4个分布在滚筒滚筒中心 为震源位置四周，除最右侧的截齿不受力外与煤 体无接触，其他 3 个截齿均受到向左方向采煤 机移动方向的牵引力和逆时针方向的截割力方向 与截齿和滚筒中心连线垂直。 根据以上分析，假设 f 为牵引力，s 为截割力， 4 个截齿点位置从上按逆时针顺序排列，则震源加 载格式为 y y z y aFfs Ff b Fs cFfs            2 式中 牵引力 f 给定常数，截割力 s 根据第 2 节在一 谐波分量基础上加入随机噪声。 由应力表示的三维弹性波波动方程如下式 2 2 2 2 2 2 xy xxz x xyyyz y yz xzz z u F xyz t v F xyzt w F xyzt                      3 式中 u、v、w 分别为 x、y、z 轴方向上的位移分量； t 为时间；ρ 为介质密度；Fx、Fy、Fz分别为体力在 x 轴、y 轴和 z 轴上的投影；σx、σy、σz分别为 x 轴、 y 轴和 z 轴方向上的法向应力；τxy、τxz、τyz分别为 xy、xz、yz 平面内的剪切应力[13- 14]。 将式1中滚筒的三向荷载作为体力代入式3， 得   0 0 2 0 2 2 2 2 2 x x y z y xxz x xyyyz y yz xzz z xxvt yy u F t xyzt v F t xyzt w F t x vt zzvt yz t                            4 式中 vx,vy,vz为采煤机 x、y、z 三个方向的移动速 度，x0,y0,z0为采煤机的初始位置，x（ ）函数定义 如下 0 0 1 0 x x x     （ ） 5 根据高阶交错网格有限差分法，以差分代替微 分，对波动方程进行数值模拟[15- 16]，将二阶位移分量 u,v,w转为一阶速度分量Vx,Vy,Vz，再将速度分量定 义在离散时间k1/2 和k- 1/2 上，i、j表示x、z方向 的网格节点，用U、V、W、R、S、T、H、Q分别表 示Vx、Vy、Vz、σx、σz、σxz、σyz、σyx对应的差分形式 如下 ChaoXing 18 煤田地质与勘探 第 47 卷 11 44 44 22 ,,21212121 ,,,, ,,11 2222 11 4 22 1 1111 , ,, 11 2 2222 , 22 11 [] [] 1 [ kk kkkk i ji jnnnnnn ijiji ji j i ji jnn kk k n i n ji ijij ij tt UUCRRCTT xz t VVCTT x                        44 4 111 1,,,1 1111 222 , 22 11 4 44 22 ,,21212121 ,,,, ,,1 222 1 ] [] 11 [] [ kkk n njij nijn nn ij kk kkk i ji jnnnnnn ijiji ji j i ji jn t CSS z tt WWCQQCHH xz                           4 1 2 ] k n      6 速度–应力交错网格下的离散剖分， 计算精度比 规则网格高，模拟过程采用这样的剖分形式进行计 算。在波场的数值正演中，模型的边界采用 PML 吸 收边界条件，来吸收衰减人工边界产生的反射。最 终，基于移动的采煤机作为震源信号，模拟接收到 的地震数据，并以此进行分析对比。 4 随采地震波场分析与对比 设计尺寸为 500 m226 m48 m 的层状地质模 型，层数为三层，中间为煤层，各层的介质参数如表 1 所示。网格尺寸为 0.5 m0.5 m0.5 m，工作面宽 200 m，接收点沿x方向展布，且在巷道两侧均等间 隔布设 24 道，接收道距为 15 m，时间采样间隔为 0.25 ms。正演观测系统设计为与实际采集相一致的 采集参数，以采煤机作为震源，模拟采煤机震动产 生的地震信号，由布置在巷道的检波器接收信号。 表 1 介质参数各层分布表 Table 1 Distribution of medium parameters in different layers 层号纵波速度/ms- 1横波速度/ms- 1 密度/kgm- 3 1 3 800 2 000 2 400 2 1 800 1 100 1 400 3 3 800 2 000 2 400 数值模拟得到的三分量数据记录如图 4 所示。 从图 4 可以看出，3 个分量中纵波能量较弱，横波 为波场的主要成分，这在z分量中表现尤为明显。 通过记录的频谱扫描，在 130170 Hz 的高频分量 中图 4d图 4f，有明显的槽波存在。槽波主要由 图 4 数值模拟结果及其滤波结果 Fig.4 Results of numerical simulation and its filtering ChaoXing 第 3 期 金丹 综采工作面随采地震的采煤机震源模拟 19 煤层中传播的纵波、横波等波场之间相互干涉形 成，在煤层中的槽波具有强频散特征，通常频率 较高，且频率的高低主要受煤厚影响。对其进行 极化分析图 5，极化特性具有线性特征，且垂直 于传播方向。由此表明，随采数据中，Love 型槽波 更加发育，而z分量中并没有明显的 Rayleigh 型槽 波存在。这些波场特征归因于采煤机震源特定的截 割方式，这种方式使得震源主要为旋转切割力，因 而震源中包含的横波成分更强，导致随采信号中横 波明显占优，同时 Love 型槽波主要由 SH 横波之 间干涉产生也更加发育。 图 5 模拟 y 分量极化特征 Fig.5 Polarization characteristics of simulated component y 在贵州某矿采集的实际随采地震数据如图 6 所 示，受限于采集设备数量，本次试验只采集了 48 道 y分量的数据。将其与模拟数据中的y分量图 4b 对比，二者在波场成分及波场分布上具有较好的相 似性，即y分量中的波场中，横波能量明显占优， 这种特征利于避免在后续进行的地震干涉过程中波 场串扰带来的信噪比降低问题。 图 6 随采实际数据 y 分量 Fig.6 Component y of actual seismic while mining data 5 结 论 通过对采煤机滚筒割煤过程及其受力情况进行 分析，同时经过简化给出了波动方程有限差分形式 下采煤机震源的加载方式，由三分量数值模拟结果 得出以下结论 a. 采煤机震源激发的波场中，横波能量占据主 导地位，纵波能量很小；三分量数据中，z分量相 对干净，几乎只有横波成分。 b. 在高频数据中，y分量上有明显的槽波存在， 经过频散分析和极化分析，该槽波为 Love 型槽波， 表明随采震源波场中，Love 型槽波更加发育。 c. 模拟结果与实际采集的y分量数据对比，结 果表明，实际数据与模拟结果较为一致。 参考文献 [1] 王保利，金丹. 矿井槽波地震数据处理系统 GeoCoal 软件开 发与应用[J]. 煤田地质与勘探，2019，471174–180. WANG Baoli，JIN Dan. Development and application of Geo- Coal for in- seam seismic data processing[J]. Coal Geology Exploration，2019，471174–180. [2] WANG Baoli. Automatic pickup of arrival time of channel wave based on multi- channel constraints[J]. Applied Geophysics， 2018，151118–124. [3] KING A，LUO X. ology for tomographic imaging ahead of mining using the shearer as a seismic source[J]. Geophysics， 2009，7421–8. [4] LUO X， KING A， WERKEN VAN DE M. Tomographic imaging of rock conditions ahead of mining using the shearer as a seismic sourceA feasibility study[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2009，471136713678. [5] TAYLOR N， MERRIAM J， GENDZWILL D， et al. The mining machine as a seismic source for in- seam reflection mapping[J]. Seg Technical Program Expanded Abstracts，1949，201 13651368. [6] 陆斌，程建远，胡继武，等. 采煤机震源有效信号提取及初步 应用[J]. 煤炭学报，2013，38122202–2207. LU Bin， CHENG Jianyuan， HU Jiwu， et al. Shearer source signal extraction and preliminary application[J]. Journal of China Coal Society，2013，381222022207. [7] LU B，CHENG J Y，HU J W，et al. Seismic features of vibration induced by mining machines and feasibility to be seismic sources[J]. Procedia Earth and Planetary Science，2011376–85. [8] 覃思， 程建远. 煤矿井下随采地震反射波勘探试验研究[J]. 煤 炭科学技术，2015，431116119. QIN Si，CHENG Jianyuan. Experimental study on seismic while mining for underground coal mine reflection survey[J]. Coal Science and Technology，2015，431116119. [9] 覃思. 随采地震井–地联合超前探测的试验研究[J]. 煤田地质 与勘探，2016，446148–151. QIN Si. Underground- surface combined seismic while mining advance detection[J]. Coal Geology Exploration， 2016， 446 148–151. [10] 啟郝志勇，周正，袁智，等. 基于实验测试的采煤机截割 载荷的分形分布规律研究[J]. 应用力学学报， 2018， 362 417–423. 下转第 24 页 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 47 卷 source[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sens- ing，2008，46417 –20. [3] KING A，LUO X. ology for tomographic imaging ahead of mining using the shearer as a seismic source[J]. Geophysics， 2009，7421–8. [4] LUO X， KING A， VAN DE WERKEN M. Tomographic imaging of rock conditions ahead of mining using the shearer as a seismic sourceA feasibility study[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2009，47113671–3678. [5] TAYLOR N， MERRIAM J， GENDZWILL D， et al. The mining machine as a seismic source for in- seam reflection mapping[J]. Seg Technical Program Expanded Abstracts，1949，201 1365–1368. [6] WESTMAN E C，HARAMY K Y，ROCK A D. Seismic to- mography for longwall stress analysis[C]// In Proc. 2nd North Am. Rock Mech. Symp. 1996397–403. [7] WESTMAN E C，HEASLEY K A，SWANSON P L，et al. A correlation between seismic tomography，seismic events and support pressure[C]//In Proc. 38th Rock Mech. Symp. Washing- ton DC，2001319–326. [8] 陆斌. 以掘进机为震源对煤矿断层进行超前探测[C]//中国地球物 理2013第二十四分会场论文集.昆明，20131020–1025. [9] 覃思， 程建远. 煤矿井下随采地震反射波勘探试验研究[J]. 煤 炭科学技术，2015，431116–119. QIN Si，CHENG Jianyuan. Experimental study on seismic while mining for underground coal mine reflection survey[J]. Coal Science and Technology，2015，431116–119. [10] 陆斌，程建远，胡继武，等．采煤机震源有效信号提取及初 步应用[J]. 煤炭学报，2013，38122202–2207. LU Bin， CHENG Jianyuan， HU Jiwu， et al. Shearer source signal extraction and preliminary application[J]. Journal of China Coal Society，2013，38122202–2207. [11] LU Bin，CHENG Jianyuan，HU Jiwu，et al. Seismic features of vibration induced by mining machines and feasibility to be seismic sources[J]. Procedia Earth and Planetary Science，2011376–85. [12] 覃思，程建远，胡继武，等. 煤矿采空区及巷道的井地联合地 震超前勘探[J]. 煤炭学报，2015，403636639. QIN Si，CHENG Jianyua，HU Jiwu，et al. Coal- seam- ground seismic for advance detection of goaf and roadway[J]. Journal of China Coal Society，2015，403636–639． [13] 覃思. 随采地震井–地联合超前探测的试验研究[J]. 煤田地质 与勘探，2016，446148–151. QIN Si. Underground- surface combined seismic while mining advance detection[J]. Coal Geology Exploration， 2016， 446 148–151. [14] 陆斌. 基于噪声地震干涉的煤矿工作面随采成像方法[J]. 煤 田地质与勘探，2016，446142–147. LU Bin. A Seismic while mining of coal working- face based on seismic interferometry[J]. Coal Geology Explora- tion，2016，446142–147. [15] 覃思. 煤矿井下随采地震技术的试验研究[D]. 北京煤炭科 学研究总院，2016. [16] 霍晶晶，查华胜，苗园园，等. 突出煤层巷道随掘超前探测技 术研究[J]. 煤矿开采，2018，23619–23. HUO Jingjing， CHA Huasheng， MIAO Yuanyuan， et al. Advanced exploring technology during driving of roadway with outburst coal seam[J]. Coal Mining Technology，2018，23619–23. [17] WILLIAM M. Geophysical Data AnalysisDiscrete Inverse Theory[M]. San Diego， New York， Berkeley， Boston， London， Sydney，Tokyo，TorontoAcademic Press，1984. 责任编辑 聂爱兰 上接第 19 页 HAO Zhiyong， ZHOU Zhengqi， YUAN Zhi， et al. Research on fractal distribution law of shearer cutting load based on experimental test[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics，2018，362417–423. [11] 刘心， 崔海民， 许海盟. 采煤机滚筒和截齿受力及优化分析[J]. 煤矿机械，2018，39661–63. LIU Xin，CUI Haimin，XU Haimeng. Stress and optimization analysis of shearer drum and cutting teeth[J]. Coal Mine Ma- chinery，2018，39661–63. [12] 李晓豁，李婷，焦丽，等. 滚筒采煤机截割载荷的模拟系统开 发及其模拟[J]. 煤炭学报，2016，412502–506. LI Xiaohuo， LI Ting， JIAO Li， et al. Devolopment of cutting load simulation system and its simulation study on drum shearer[J]. Journal of China Coal Society，2016，412502–506. [13] 李世中， 孙成禹， 彭鹏鹏. 可变交错网格优化差分系数法地震 波正演模拟[J]. 石油物探，2018，573378–388. LI Shizhong，SUN Chengyu，PENG Pengpeng. Seismic wave field forward modeling of variable staggered grid optimized dif- ference coefficient [J]. Geophysical Prospecting for Pe- troleum，2018，573378–388. [14] 段沛然， 李振春， 李青阳. 等效交错网格高阶有限差分法标量 波波场模拟[J]. 地球物理学进展，http// detail/11.2982.P.20180725.1051.046.html，2018- 07- 26. DUAN Peiran，LI Zhenchun，LI Chunyang. High- order fi- nite- difference based on equivalent staggered grid scheme for scalar wavefield simulation[J]. Progress in Geophys- ics，http// html，2018- 07- 26. [15] 李海山， 杨午阳， 雍学善. 三维一阶速度应力声波方程全波 形反演[J]. 石油地球物理勘探，2018，534730–736. LI Haishan，YANG Wuyang，YONG Xueshan. Three- dimensional full wave inversion based on the first- order velocity- stress acoustic wave equation[J]. Oil Geophysical Prospecting，2018， 534730–736. [16] 胡建林，宋维琪，张建坤，等. 交错网格有限差分正演模拟的 联合吸收边界[J]. 石油地球物理勘探，2018，535914–920. HU Jianlin，SONG Weiqi，Zhang Jiankun，et al. Joint absorbing boundary in the staggered- grid finite difference forward modeling simulation[J]. Oil Geophysical Prospecting，2018，535914–920. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing