含夹矸煤层的Love型槽波频散特征_匡伟.pdf

地地质质与与勘勘测测 含夹矸煤层的 Love 型槽波频散特征 匡伟1，李德春2，张昭3，杨小慧4 1. 中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012; 2. 中国矿业大学，江苏 徐州 221116; 3. 河北省煤田地质局 物测地质队，河北 邢台 054000; 4. 中石化石油物探技术研究院，江苏 南京 210014 ［ 摘 要］为了研究夹矸对煤层槽波特征的影响，从理论上推导了含夹矸煤层模型的 Love 型槽 波频散方程。通过建立不同地层模型，研究夹矸的厚度、位置、速度变化对槽波特征的影响规律。研 究结果可为槽波实际资料的分析、埃里相识别、数据处理提供参考依据。 ［ 关键词］夹矸; 煤层; Love 型槽波; 频散; 地震勘探 ［ 中图分类号］ TD15; P631. 4 ［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201506- 0023- 04 Dispersion Characteristics of Love Channel Waves In Coal Bed With Dirt Band KUANG Wei1，LI De- chun2，ZHANG Zhao3，YANG Xiao- hui4 1. Tangshan Research Institute，China Coal Industry ＆ Engineering Group，Tangshan 063012，China; 2. China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221116，China; 3. Geological Survey Team，Hebei Bureau of Coal Geology，Xingtai 054000，China; 4. Sinopec Geophysical Research Institute，Nanjing 210014，China Abstract To study how dirt band influences on the dispersion characteristics of channel waves，the dispersion function for Love type channel waves in a coal bed with dirt bands is derived. Building various models by changing thickness，position and velocity of dirt band，to study how those parameters influence on the propagation of Love type channel wave. Results can provide a basis for data anal- ysis，Ariy phase recognition and data processing. Key words dirt band; coal seam; Love type channel waves; dispersion; seismic exploration ［ 收稿日期］ 2015－06－15［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2015. 06. 006 ［ 基金项目］ 中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金资助项目 2014MS036 ［ 作者简介］ 匡伟 1984－ ，男，江苏丹阳人，硕士，助理研究员，主要从事槽波地震勘探数据采集、数据处理。 ［ 引用格式］ 匡伟，李德春，张昭，等 . 含夹矸煤层的 Love 型槽波频散特征 ［J］ . 煤矿开采，2015，20 6 23－26，43. 综合机械化采煤技术的广泛应用对地质条件提 出了更高的要求 ［1 ］，煤层厚度变化、断层及破碎 带、夹矸、煤层冲刷等地质异常已成为制约高效采 煤的主导因素。在采煤过程中，常因未知地质异常 的出现而导致开采成本增大，严重者则引发灾害事 故。槽波地震勘探 ［2 ］ In- Seam Seismic，简称 ISS 利用在煤层中激发、传播、接收的地震波探测煤层 的不连续性，成为解决矿井构造问题的一种有效方 法。 1955 年 Evison［3 ］在新西兰的一次试验中首次 记录到了槽波，并预言了槽波勘探在采矿业中的应 用前景。1963 年 Kery［4 ］发表了槽波在煤层中传播 特性及数学推导，从而奠定了槽波的理论基础。此 后国内外学者纷纷投入槽波基础理论的研究之中。 槽波的最大特征是频散 ［2 ］，即速度是频率的 函数。由于频散的存在，槽波的相速度和群速度存 在明显的差异，在地震单炮记录中表现为散开状的 波列，呈 “扫帚”状。在以往的研究中，李天 元 ［5 ］采用三层模型从理论上分析了 Love 型槽波的 频散特征; 程建远、姬广忠等 ［6－7 ］则从数值模拟的 角度对正演记录进行频散分析。在前人的研究中， 常选用单一煤层作为地层模型，而实际煤层中往往 含有夹矸或侵入式火成岩，且夹矸、火成岩的存在 对槽波的特征产生较大的影响，实际采集资料也证 实了这一点。因此研究含夹矸煤层槽波的特征对槽 波资料的识别、数据处理具有一定的指导意义。 1含夹矸煤层模型的 Love 型槽波频散方程 1. 1数学推导［2 ］ 建立如图 1 所示地质模型。假设上下弹性半空 间有 M 层水平层状介质，原点 O 点位于第 0 层 顶层与第 1 层介质的交界面上，y 轴平行于 介质分界面向右，z 轴垂直介质分界面向下，第 0 层和第 N1 层介质为弹性半空间。设上下弹性半 空间及其间所夹 N 层介质均为弹性、均匀各向同 性介质; hn ，ρ n ，μ n，vSn分别为第n 层介质的厚度、 32 第 20 卷 第 6 期 总第 127 期 2015 年 12 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 20No. 6 Series No. 127 December2015 ChaoXing 密度、刚性系数、横波速度; zn－1，zn为第 n 层的顶 界面、底界面的深度。 图 1含夹矸煤层模型 设第 n n1，2，，N层介质中 SH 波满 足波动方程的位移函数 Vn z φn z exp［ i ωt － ky ］ zn－1＜ z ≤ zn 1 式中，φ 为位移函数的振幅; ω 为圆频率;k 为波 数。 其波动方程解为 φz A ne iη nkz B ne －iη nkz ，其中， ηn－ i 1 － c2 v2 Sn 槡 ， c 为相速度。 所以第 n n1，2，，N层介质中 SH 波 所满足波动方程的位移函数形式如下 Vn z Ane iη nkz Bne －iη nkz exp［ i ωt － ky ］ zn－1＜ z ≤ zn 2 第 n n1，2，，N层介质中，剪应力和 归一化速度表达式为 τnμn  V n  z 3 Vn/cL  V n  t /cL 4 式中， cL表示为 Love 波的相速度。 在 n n1，2，，N层介质顶界面，深度 满足 z zn－1，第 n 层介质顶界面的剪应力和归一 化速度记为 τn zn－1 ，Vn zn－1 /cL。同理，n 层介 质底界面的剪应力和归一化速度记为 τn zn ， Vn zn /cL。经相关运算，第 n 层介质顶底界面速 度、应力的关系矩阵形式可写为 Vn zn /cL τn zn cosθn iη －1 n μ －1 n sinθn iη nμnsinθn cosθn Vn zn－1 /cL τn zn－1 n 1， 2，，N 5 式中， θn kη nhn。 令 an cosθn iη －1 n μ －1 n sinθn iη nμnsinθn cosθn n 1，2，，N 引入边界条件，将第 n 层介质在底界面 z zn 的应力、速度与第 n － 1 层介质在底界面 z zn－1的 应力、速度关系写成矩阵形式 Vn zn /cL τn zn a n Vn－1 zn－1 /cL τn－1 zn－1 n 1， 2，，N 6 同理，依次类推第 n 层介质在底界面 z zN的 应力、速度与第 0 层介质在界面 z z0 0 的应力、 速度关系 VN zN /cL τN zN a NaN－1aN－2a1 V0 z0 /cL τ0 z0 7 对于顶界面 第 0 层介质 z→－∞ ，没有下 行波，所以 B0 0，代入公式 2 得到顶界面的 SH 波位移势函数 V0 z A0e iη 0kzexp［ i ωt － ky ］ － ∞ ＜ z ≤0 8 在界面 z 0 处，速度、应力表达式为 V0 0 /cL ikA0 τ0 0 iη0 kμ 0A0 { 9 同理，对于底界面，第 N1 层介质， z→ ∞ 没 有上行波，所以 AN1 0，代入公式 2 得到底 界面的 SH 波位移势函数 VN1z BN1e －iη N1kzexp［ iωt －ky］ z N ＜ z ＜ ∞10 第 N1 层介质在界面 z zN时，速度、应力表 达式为 VN1 zN /cL ikBN1e －iη N1k∑ N i 1 hi τN1 zN － iηN1 kμ N1BN1e －iη N1k∑ N i 1 hi{ 11 所以对于有 N 2 层介质而言，公式 7的 表达式为 ikBN1e －iη N1k∑ N i 1 hi － iη N1 kμ N1BN1e －iη N1k∑ N i 1 hi         a NaN－1aN－2 a1 ikA0 iη 0 kμ 0A0 m11m12 m21m22 ikA0 iη 0 kμ 0A0 12 式中，A ，B 为任意系数，利用矩阵运算。公式 12可化简为公式 13 ，即为含夹矸煤层的 Love 型槽波频散方程。 －ηn1μn1 m11 m 12η0μ0 m21 m 22μ0η0 13 1. 2理论模型计算及频散特征 建立图 2 所示模型，地层从上往下依次为 顶 42 总第 127 期煤矿开采2015 年第 6 期 ChaoXing 板、煤 1、夹矸、煤 2、底板。在该模型中，顶、 底板围岩及夹矸岩性相同，横波速度取 1800m/s， 密度 2. 6g/cm3，夹矸厚度 0. 5m; 夹矸把煤层分为 煤 1、煤 2 两层，横波速度取 900m/s，密度 1. 3g/ cm3，厚度 1. 25m，详细参数见表 1。在图 2 a 中，夹矸位于煤层中心位置，煤层、夹矸总厚度为 2d。建立如图 2 b所示直角坐标系，坐标原点 位于顶板和煤 1 的分界面上，y 轴沿着该分界面水 平向右，z 轴垂直向下，垂直地层分界面。将地层 各参数代入含夹矸煤层的 Love 型槽波频散方程公 式 13 ，求解该频散方程得到 Love 型槽波频散曲 线，计算结果见图 3。 图 2含夹矸的五层地层柱状及其剖面 表 1模型参数 模型煤厚/mρ/ gcm －3 Vs/ ms －1 顶板∞2. 61800 煤层 11. 25 1. 3900 夹矸0. 52. 61800 煤层 21. 25 1. 3900 底板∞2. 61800 在图 3 中，实线、虚线分别为相速度、群速度 曲线，标注的 0，1，2 分别表示基阶、一阶、二阶 振型。分析图 3 可知 图 3 Love 型槽波频散曲线 1各阶振型的相速度均介于煤层和顶底板 横波速度之间，随着频率的增加，相速度逐渐降 低。 2群速度曲线左支较陡，右支变缓，在低 频端群速度接近于顶底板横波速度，在高频端群速 度接近于煤层横波速度。 3与不含夹矸煤层相比，基阶和二阶频散 曲线发生较明显的变化，埃里相频率向高频移动， 随着夹矸厚度的增加，埃里相特征越来越不明显。 2地层参数对含夹矸煤层 Love 型槽波特征的影响 2. 1夹矸厚度对 Love 型槽波特征的影响 建立图 4 所示 6 种地层模型 a～ f 。在 各模型中，顶底板为均匀、各向同性完全弹性介 质，夹矸位于煤层中心位置，把煤层分为煤 1 和煤 2 两层，图 4 中从 a～ f各模型的夹矸厚度 依次为 0m，0. 1m，0. 5m，1. 0m，1. 5m，2. 0m， 煤层 含夹矸总厚度为 3m，模型参数见表 2， 计算结果见图 5，频散曲线 a～ f与图 4 中 模型 a ～ f对应。分析图 5 可知 图 4不同夹矸厚度的地层柱状 1煤层厚度是影响槽波频散特征的重要因 素，夹矸厚度增大，埃里相频率向高频移动。 2夹矸厚度为 0 时，频散特征最明显，夹 矸厚度增大至 2. 0m 时，埃里相特征已基本消失， 可见随着夹矸厚度的增大，槽波频散特征逐渐变 差。 52 匡伟等 含夹矸煤层的 Love 型槽波频散特征2015 年第 6 期 ChaoXing 表 2不同夹矸厚度模型参数 模型层厚/m ρ/ gcm －3 Vs/ ms －1 顶板∞2. 61800 煤层 131. 45 1. 25 10. 750. 51. 3900 夹矸00. 10 0. 5011. 502. 02. 61800 煤层 201. 45 1. 25 10. 750. 51. 3900 底板∞2. 61800 图 5不同夹矸厚度 Love 型槽波频散曲线 群速度 2. 2夹矸位置变化对 Love 型槽波特性的影响 建立图 6 所示 5 种地层模型 a ～ e ，各地 层物性参数与 2. 1 节中类似，夹矸和煤层总厚度为 3m，夹矸厚度固定为 0. 5m，各模型从 a ～ e 夹矸距顶板距离逐渐增大，依次为 0. 25m，0. 5m， 0. 75m，1m 和 1. 25m。模型参数见表 3，计算结果 见图 7，频散曲线 a ～ e 与图 6 中模型 a ～ e对应，由图中频散曲线分析可知 1夹矸位置变化时，各支频散曲线在低频 和高频端差别较小，在中频段变化较大。 2随着夹矸距顶板距离的增加，槽波的埃 里相频率显著增大，当夹矸位于煤层中心时埃里相 频率最高。 3随着夹矸距顶板距离的增加，埃里相特 征越来越不明显，频散特征逐渐变差。 图 6夹矸位于煤层不同位置的柱状 表 3夹矸不同位置时模型参数 模型层厚/m ρ/ gcm －3 Vs/ ms －1 顶板∞2. 61800 煤层 10. 250. 5 0. 751. 01. 251. 3900 夹矸0. 500. 50. 500. 50. 502. 61800 煤层 22. 252. 0 1. 751. 51. 251. 3900 底板∞2. 61800 图 7夹矸位置不同的 Love 型槽波频散曲线 群速度 2. 3夹矸速度变化对 Love 型槽波特性的影响 建立图 8 所示地层模型，煤层和夹矸总厚度为 3m，其中夹矸厚 0. 5m，煤 1、煤 2 均为 1. 25m。 模型参数见表 4，计算结果见图 9， 频散曲线 a ～ d 与表 4 中不同夹矸 S 波速度的模型对应。 分析图 9 中频散曲线可知 1夹矸 S 波速度变化时，各支频散曲线在 低频和高频端差别较小，在中间段变化较大。 2夹矸 S 速度减小，槽波极小值点增多， 埃里相频率和速度逐渐减小。 图 8含夹矸地层柱状 下转 43 页 62 总第 127 期煤矿开采2015 年第 6 期 ChaoXing 棚选用 3m 长的 π 型钢梁和单体液压支柱架设 2 棚 走向棚，一梁三柱，棚距 750mm。 4. 2中间支架拆除支护 架下煤壁区使用双掩护架支护; 掩护架采空区 侧“扇形面”支设 4 棚一梁三柱走向棚，棚距 750mm。走向棚每抽出 1 架支架回撤 2 棚，并及时 支设到新抽出支架原位置。 4. 3上端头支架拆除支护 上端头第 3 架过渡支架回撤后，及时在原位置 架设木垛代替单体支护;掩护架及上端头第 1，2 架过渡支架边移动边在后方支设木垛与顶板接实。 5应用效果分析 1作业自动化程度高。基本上操作液压阀 就可完成设备回撤工作，实现了抽架、支架调向、 装车和运输等工序的机械化，劳动强度显著降低。 2设备回撤效率高。共计回撤支架 133 架， 区队配备 46 人，合计工期 26d。与常规工艺拆除 相比，不仅减少人员配备 29 人，而且工期缩短 8d，测算节省回撤费用 51. 5 万元。 3安全可靠程度高。改变常规工艺采用的 回柱绞车拖拽抽架、装车方式，消除了钢丝绳断 绳、绳扣脱勾和车辆落轨危险; 由于采用机械化拆 除工期缩短，有效防止了工作面自然发火; 回撤期 间杜绝了各类安全事故。 6结论 张双楼煤矿 9421 综采面应用液压支架回撤平 台、回撤运输车、装车机构、四角道总成等新技术 装备，在顶板压力大、煤层倾角大及回撤设备吨位 大的情况下，实现了工作面全部装备的安全高效回 撤，为复杂条件下综采装备机械化拆除积累了经 验，开辟了新途径。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 丁念波 . 大倾角综采工作面机械化安装技术实践 ［J］ . 煤炭 科技，2014 4 93－94. ［ 2］ 石长坤，杨茂田 . 安装回撤液压支架牵引索具的研制与应用 ［ J］ . 能源技术与管理，2015 2 103－104. ［ 3］ 缪永，沈欣，程 伟，等 . 综放工作面收作期运输系统 超短改造技术 ［J］ . 煤炭科技，2010 2 69－70. ［责任编辑 邹正立］ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 上接 26 页 图 9不同夹矸横波速度的 Love 型槽波频散曲线 群速度 表 4模型参数 模型煤厚/mρ/ gcm －3 Vs/ ms －1 顶板∞2. 61800 煤层 11. 25 1. 3900 夹矸0. 502. 61800162014401260 煤层 21. 25 1. 3900 底板∞2. 61800 3结论 夹矸的厚度、距离顶板的距离、S 波速度对槽 波的频散特征均有显著的影响。夹矸厚度增大时， 槽波的频散特性逐渐变差;夹矸距顶板距离增大 时，槽波的频散特性变差，当夹矸位于煤层中心位 置槽波的频散特征最不明显; 当夹矸 S 波速度减小 时，槽波极小值点增多，埃里相频率和速度逐渐减 小。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 李忠义，杨克用． 影响综合机械化采煤的地质因素 ［J］ ． 煤田 地质与勘探． 1986，14 2 1－4. ［ 2］ 刘天放，潘冬明，李德春，等． 槽波地震勘探 ［M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社，1993. ［ 3］ Evison． A coal seam as a guide for seismic energy ［J］． Nature， 1955 176 1224－1225. ［ 4］ Krey． Channel waves as a tool of applied geophysics in coal mining ［ J］． Geophysics，1962，2 8 701－714. ［ 5］ 李天元． 槽波及其频散特性 ［ J］ ． 煤田地质与勘探，1988，16 3 58－65. ［ 6］ 程建远，姬广忠，朱培民． 典型含煤模型 Love 型槽波的频散 特征分析 ［ J］ ． 煤炭学报． 2012，37 1 67－72. ［ 7］ 姬广忠，程建远，朱培民，等． 煤矿井下槽波三维数值模拟及 频散分析 ［ J］ ． 地球物理学报． 2012，55 2 645－654. ［ 8］ 载建伟，李德春 . Love 型槽波的基本特性研究 ［J］ . 中国煤 炭地质，2013 9 52－54. ［ 9］ 孙瑞霞，张雯霁，黄晓玲 . 煤田地震勘探的新方法 槽波 地震勘 ［ J］ . 河北建筑科技学院学报，1998 3 59－62. ［ 10］ 张永刚 . 地震波场数值模拟方法 ［J］ . 石油物探，2003 2 143－148.［责任编辑 施红霞］ 34 石长坤等 复杂条件综采面重型装备机械化回撤实践2015 年第 6 期 ChaoXing