断层分布对槽波探测精度的影响

断层分布对槽波探测精度的影响

0槽波物理模拟与地质构造探测断裂带是影响矿山生产效率和安全的主要地质因素。断裂带的存在，不仅破坏了可开采层的完整性，减少了煤炭储量，降低了采矿业的效率，而且给影响到严重的安全风险，如屋顶和洪水灾害。因此，对于断层的探查，对生产和安全都极其重要。由于煤层中的槽波带有大量有效的地质信息，对构造比较敏感，所以，在探查煤层中地质构造方面应用越来越广泛。马欣等根据陷落柱的结构、物性参数进行投射槽波物理模拟，利用平滑伪魏格纳威利分布分析能量特征，可识别陷落柱。赵云佩等针对煤厚变异条件下的采空区进行三维数值模拟，通过分析频散、频谱信息，识别采空区反射槽波及围岩速度信息。呼邦兵等建立了“岩-煤-岩”含采空区地质模型，研究Rayleigh型槽波在存在采空区的条件下波场的传播规律，特别是Rayleigh型槽波在X、Z分量信号易于识别。李江华等基于槽波反射法应用于晋城北部矿区的地质构造探测，推断断层或陷落柱边界。李刚通过对工作面内隐伏断层数值模拟，证实了槽波透射法探测断层的可行性。李梓毓等采用双巷观测系统对晋城某矿井工作面进行槽波探测，高精度控制了断层上下盘的延伸发育情况。前人在槽波勘探的理论与应用研究做出了巨大的贡献，槽波已成为探寻地质构造的赋存情况的主要手段。但是，构造的赋存状态是复杂的，特别是断层的产状，对槽波数据处理方法以及探测结果的精准程度都存在一定的影响。为此，本文设置断层走向和巷道夹角不同的模型进行数值模拟，研究不同走向的断层在同一观测系统条件下对槽波勘探效果的影响。1观测系统的选择槽波巷道超前探测主要目的是探测巷道前方及两侧断层情况。槽波超前探测原理图如图1所示。由图1可知，F采用2炮18个检波点的反射模拟观测系统，通过炮点检波点对断层的反射模拟可以看出，有效反射段（图1中黑色填图区）随着夹角的增大而变小，表明勘探的难度在逐渐增加，当断层与巷道垂直时，有效反射段仅为1个点。而槽波超前探测主要探测巷道前方的断层，与常规槽波反射法勘探相比，难度更大。2模型的构建和计算2.1正虚实一体移动方程单一煤层（顶板-煤层-底板）的勒夫型槽波位移方程满足的线性方程组式：其中，正实数式中2d———煤层厚度；ω———简谐波震动频率，Hz;A,B,C,D,F———频散曲线系数；μ2.2典型数据处理为了模拟不同走向的断层在同一观测系统条件下对勘探效果的影响，本次正演模拟测试了4种断层走向模型，断层走向与巷道夹角α分别为0°、30°、60°、90°，如图2所示。依据槽波的传播理论，反射槽波的整套处理流程和地面反射P波处理类似，因此在本次正演模拟中，使用P波替代槽波进行模拟。观测系统布置时，炮点和检波点布置在巷道的同一侧煤壁中，炮点布设在测线的两侧，以实现较均匀覆盖次数的目的。模型中煤层假定为完全均匀，测线布设于巷道的左侧帮，槽波速度设置为1000m/s，煤层密度1.2kg/cm共激发泡点25炮，采用50道检波器接收，得到不同夹角下的典型单炮记录，如图3所示。对采集的25个单炮记录进行处理，采用包络叠加法，处理后结果如图4所示。对上述4种模型采集的单炮数据，均按照槽波反射法数据处理流程进行处理（见图4）。在断层走向与巷道平行时，不需要做偏移处理，图中同相轴位于150m处，与模型中断层的走向与位置吻合。在断层走向与巷道不平行时，需要偏移处理。图4(b）叠加同相轴与巷道夹角约26°，偏移处理后约30°，与模型中断层吻合。图4(c）所示叠加同相轴与巷道夹角约41°，偏移处理后约60°，与模型中断层吻合。图4(d）叠加同相轴与巷道夹角约45°，偏移处理后约90°，与模型中断层吻合。由图4可见，4种模型模拟的结果和模型较为吻合。在断层走向与巷道夹角较大时，依然可以采用常规的反射槽波处理流程来处理，只需要对叠加同相轴进行偏移即可。3例子研究3.1南东倾斜土体郓城煤矿1308工作面平均走向长度1007m，平均倾斜长度123m，倾角8°～15°，平均13°，其整体呈向南东倾斜的宽缓单斜形态。依据三维地震勘探解释资料，1308工作面巷道在掘进过程中揭露多条断层，预计最大落差超过10m，受周围断层牵引影响，工作面局部煤层存在一定的波状起伏变化，形成较为宽缓的小型褶曲，在褶曲转折端会造成煤层及顶板裂隙发育，煤层破碎。3.2反射槽波分布特征观测系统设计时采用巷道单侧帮炮点激发，两侧帮检波器接收的方式。检波点：道间距5m，共24道，布置在巷道左侧帮；炮点：炮间距10m，共17炮，布置在巷道左侧帮，测线两端。探测典型单炮记录（内侧帮单炮）如图5所示。由图5可知，折射纵波、折射横波不清晰，但直达槽波清晰，反射槽波也较为发育，另外还有其他干扰波。直达槽波清晰从侧面反应出探测区域槽波较为发育，表明该区域适合进行槽波地震探测。反射波发育，基本可以确定周围存在断层或巷道等反射异常体。当断层与巷道平行时，反射波在整张单炮记录中呈双曲线形态，当断层与巷道垂直时，反射波同相轴与直达槽波同相轴呈平行状。从反射槽波分布的范围来看，在单炮记录中近道、远道均有良好的反射槽波，反映了郓城矿区地震数据的近道、远道均有反射槽波发育的规律。本次槽波超前探测工程各次探测接收的槽波数据有效频带很宽，在100～400Hz均有有效信号。按照包络叠加处理流程，处理结果如图6所示。图6出现了反射同相轴，解释为断层，落差超过1倍煤厚，推测超过10m。经矿方验证，偏差约5m。数据处理时使用了合理的速度参数，最终解释结果与揭露情况也较为吻合，断层延伸后误差在10m以内。4巷道夹角的影响本文建立了4个断层走向与巷道夹角的模型，通过对比槽波记录及叠加效果，得到以下结论：(1）断层走向与巷道的夹角对槽波探测的结果有一定的影响，当夹角较小时（<40°