工作面地質構造震電探測響應特性與佐證分析*

陳 勇,趙清全,吳教錕,王海軍,劉百祥,曹運飛

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院,湖南 湘潭 411201;2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037;3.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037;4.云南滇東雨汪能源有限公司 雨汪煤礦一井,云南 曲靖 655000;5.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054)

0 引言

煤體內部地質構造、瓦斯富集、煤層突變、應力集中、裂隙發育、陷落柱、老舊空巷等均是礦井安全開采的隱蔽致災因素。我國煤層賦存條件復雜、開采難度大,尤其是深部煤體賦存環境的本真屬性以及深部開采擾動時效的附加屬性,使煤體開采伴生災害更加難以預測和精準防控[1]。煤礦安全高效開采迫切要求隱蔽致災因素的動態普查與精準探測;同時,礦井自動化、智能化開采模式的推廣與應用,對透明地質的要求逐步提升[2]。

基于電磁波導波特性的無線電波透視、地震波投射反演的地震槽波探測是目前常用且效果明顯的超前探測技術,相關學者開展了豐富的理論研究與現場試驗。梁慶華等[3]通過研究無線電波透視探測瓦斯富集區的曲線特征,結合坑透CT成果和實測曲線異常衰減變化實現煤層地質構造、瓦斯富集以及突出危險區劃分。吳燕清[4]提出根據綜合曲線和CT層析成像來劃分和圈定異常區。婁杰等[5]綜合無線電波透視、三維地震重新解釋準確預測回采工作面構造帶附近小構造發育與分布特征。文獻[6-7]研究回采工作面斷層構造無線電波反射測量方法以及陷落柱三維無線電波透視響應特征。吳榮新等[8]分析無線電波探測儀器、觀測系統、成像算法等方面的研究進展與應用情況?？到▽嶽9]開展電磁波探測煤層突出危險性指標敏感性研究。王康等[10]通過槽波試驗原始數據轉換、濾波和CT層析成像等方法獲得槽波波速圖,用于指導礦井防沖工作與防治水。田玉培等[11]、梁慶華等[12]、楊智華[13]定量分析瓦斯富集區地震波能量值與瓦斯值的對應關系,研究地質雷達探測煤層瓦斯富集區特征以及瓦斯富集區對透射槽波的響應特征與反演參數。王會林等[14]、蘇曉云[15]研究槽波反射在礦井地質構造探測的應用特征與效果分析。崔偉雄等[16]研究工作面煤層厚度透射槽波高精度反演,提出層析成像頻帶優選策略,提高了群速度反演煤層厚度的精度。尹永明等[17]通過微震、應力實時監測獲得煤巖破壞、應力變化和瓦斯涌出之間量化關系。

目前,通過無線電波透視、地震槽波反演的理論研究與現場應用,衍生了兼顧穿透距離與結果分辨率的多頻無線電坑透[18]、無線電波反射勘探[7]、無線電波透視場強增量[19]以及新型CO2震源的瓦斯富集與應力變化隨掘隨探[20]、掘進機震源的隨掘地震超前探測[21]等新型探測方法。但對于無線電波透視與地震槽波探測相結合的地質構造與瓦斯富集震-電探測技術以及與之對應的工程響應與佐證分析、基于瓦斯涌出變化的震-電探測驗證等暫未開展深入研究。本文借鑒前人理論研究成果與現場試驗經驗,在地質分析的基礎上,采用無線電波與地震槽波相結合的震-電探測開展工作面地質構造與瓦斯富集探測,進而實現工作面無線電波透視層析成像、地震槽波反演以及與之對應的地質解釋,可為工作面通風與瓦斯治理提供理論依據與技術指導,也可為礦井智能精準開采透明化地質提供參考借鑒。

1 震-電探測原理

1.1 無線電波透視探測

無線電波在煤巖傳播時,電阻率、介電常數等礦電性參數不同,對電磁波能量的吸收表現出一定的差異,電阻率低、吸收作用大;伴隨著煤巖斷裂構造或空洞界面對電磁波產生折射、反射、繞射等作用,造成電磁波能量的損耗。通過研究煤層、巖層以及地質構造對電磁波傳播、吸收、反射、二次輻射、繞射等作用的影響引起的衰減異常,從而進行地質探測與解釋。無線電波透視的發射機與接收機分別位于不同巷道或鉆孔中,同時做等距離移動,逐點發射和接收;或發射機在一定時間內相對固定位置,接收機在一定范圍內逐點觀測場強值獲取信息。因此,當巷道之間、鉆孔之間電磁波穿透煤巖途徑中,存在斷層或其它不均勻地質構造、陷落柱、含水地段,電磁波能量就會被吸收或完全屏蔽,信號顯著減弱形成透視異常,交換發射機與接收機的位置測得同一異常交會的地方,就是地質異常體。根據無線電波透視探測原理,當煤層電阻率大于頂底板巖層時,煤層中相當于圍巖形成的類波導體,電磁波在煤層中以導波形式傳播,具有衰減小、能量強、傳播距離遠的特點,有利于坑道透視探測地質異常體。無線電波透視原理如圖1所示,層析成像網格剖分如圖2所示。

圖1 無線電波透視原理Fig.1 Principle of radio wave perspective

圖2 層析成像網格剖分示意Fig.2 Schematic diagram of tomographic imaging grid subdivision

圖2中每個均勻的小塊稱為1個像素,在此區域內有1條射線Yk穿過了吸收系數分別為βi,j的諸像素,并在這些像素上的截距分別為di,j,這樣在第k條射線路徑上如式(1)～(2)所示:

(1)

yk=InH0-InHk-Inrk

(2)

式中:Hk為第k次觀測的實測場強值;rk為第k條射線長度。

若進行多重觀測,即用多個波源發射,并對每個發射源進行多點接收測量,得到矩陣方程如式(3)～(5)所示:

DβT=yk

(3)

(4)

β={β1,1,β1,2,…,βi,j}

(5)

對線性代數方程組求解,可得到工作面內吸收系數分布。把每個像素內吸收系數值用圖(色塊圖、灰度圖、等值線圖)表示出來,就是層析圖像。圖像可直觀表示工作面內異常分布情況,并可依據圖像做出相應的地球物理解釋。

1.2 地震槽波探測

由于頂底板巖性不同,煤層中激發體波的波分能量被禁錮,不能向周圍巖層輻射,在煤層中相互疊加、干涉,形成較強的干涉擾動后衍生槽波,槽波是1種地震波。煤層內炮點產生的地震波向頂底板傳播,在A區由于地震波的入射角小于臨界角,一部分能量透過頂底板向圍巖中泄露,另一部分能量反射回煤層內部形成泄露區。在B區和C區入射角大于臨界角,地震波在頂底板界面被全反射和全折射回煤層,該部分反射和折射回煤層之中的地震波在C區相互疊加混響形成槽波。由于槽波被限制在煤層中,所以能傳播很遠,但槽波與煤層厚度有關,煤層越薄,槽波頻率越高、傳播距離越短。槽波形成如圖3所示。

注:φs為入射角,(°);φs*為臨界角,(°)。圖3 槽波形成示意Fig.3 Schematic diagram of in-seam waves formation

傳統的槽波信號處理都是基于平穩信號時的不變系統。為了更好地研究地震信號,了解頻率隨時間變化的關系,使用時頻分析方法處理信號。時頻分析方法將一維時域信號映射到二維時頻平面,全面反映地震信號的時頻聯合特征。時頻變換是1種無損可逆的時頻分析工具,是短時窗傅里葉變換和小波變換的結合,其正反變換如式(6)所示:

(6)

式中:S為h(t)的S變換;f為頻率,Hz;t為時間,s;τ為控制時間軸上高斯窗的位置。

通過分析槽波與P波、S波的頻譜差異,利用窄帶濾波提取P波、S波、槽波的頻譜特征參數進行層析成像,即CT成像。通過在物體外部的非破壞性測量,獲得物體內部物性分布的圖像。槽波勘探利用震波CT成像技術,根據物體外部數據測量反演物體內部物理量分布,得到清晰不重疊的分布圖像。

2 工程背景與現場試驗

2.1 工程背景

試驗地點為云南滇東雨汪能源有限公司雨汪煤礦一井1010201工作面,開采C2煤層,全層厚0.12～6.65 m,平均1.13 m,層位穩定、結構簡單的薄～中厚煤層。煤層為單一結構,偶有一層夾矸,為半暗型中～富硫煤,塊煤為主。頂板多為灰黑色泥巖及泥質粉砂巖,含黃鐵礦結核、產腕足類等動物化石,是老廠礦區長興組同期異相含煤沉積中含長興階標準化石的最低層位。C2煤層為井田內第1層可采煤層,根據巷道掘進揭露情況,工作面多產出斷層構造,未見大型陷落柱,工作面及周邊無大規模巖溶空洞和老窯采空區。掘進期間共揭露正斷層28條、逆斷層2條及小型褶曲構造,其中,落差50 m以上斷層2條,落差20～50 m斷層1條,落差20 m以下斷層27條。

工作面煤層電阻率相對高,頂底板多為泥巖或泥質粉砂巖,電阻率相對偏低;工作面內部斷層、陷落柱等對電磁波產生一定透射衰減;理論上,具備無線電波透視探測的地球物理前提條件。工作面兩側巷道掘進過程中揭露落差較大的斷層可能造成煤層變薄或缺失,對地震槽波有一定影響,工作面槽波形成條件總體一般。

2.2 無線電波透視系統布置

無線電波透視在工作面膠帶巷、軌道巷開展,每間隔約10 m遞增標記直至切眼,同時,以巷道導線點為基準點,記錄標記點偏差校正測點位置。本次探測范圍為切眼、軌道巷、膠帶巷圍成的區域。根據經驗,工作面寬度130 m以內常選用1.50 MHz頻率、200 m以內常選用0.50 MHz頻率、200～300 m常選用0.30 MHz頻率。試驗工作面寬度210 m,通過現場試驗,0.30 MHz頻率能穩定接收到16～52 dB,0.50 MHz、1.5 MHz接收到15 dB以下,選擇0.30 MHz頻率為探測工作頻率能夠有效穿透。探測均采用定點掃描法(1對11),在巷道一點處定時連續發射,同時在對側巷道一定范圍內逐點接收。工作面無線電波透視測點布置如圖4所示。

探測發射點間距50 m、共85個,接收點間距10 m、共462個,除停采線處每個發射點對應11個接收點,共采集數據935個,測線長度約4 260 m。另外,試驗發射點2個、每個發射點對應11個接收點;布置3處背景場接收點,3種頻率共采集數據99個;檢查發射點3個,每個發射點對應11個接收點,接收點33個,共接收數據154個。試驗點、探測點、檢查點,累計接收數據1 089個。探測時每個發射點發射時間、接收時間、換發射點時間均2 min。每個發射點循環4 min,實際探測工作時間約6 h。結合工作面布置與工作量,探測工作分2 d進行。2022年7月15日探測試驗,膠帶巷發射、軌道巷接收,工作時間約3 h,停電3 h;2022年7月16日探測試驗,膠帶巷接收、軌道巷發射,檢查點探測,工作時間約3 h,未停電。無線電波透視工作量見表1。

2.3 地震槽波系統布置

槽波探測在工作面一側激發另一側接收,實現透射地震勘探。結合工作面情況,本著測線盡量使地震波旅行射線在工作面均勻分布、不出現射線空白等原則,槽波探測采用雙透射探測觀測系統。探測工作共布置4個測站,具體布置見表2,雙透射探測觀測系統如圖5所示。

表2 工作面槽波探測布置明細Table 2 Detailed arrangement of in-seam wave detection in working face

圖5 工作面槽波雙透射探測觀測系統Fig.5 Double transmission detection system of in-seam waves in working face

槽波探測共布置炮孔134個,各孔均位于煤層中央且大致平行于底板略帶俯角,孔深2 m,間距20 m。采用最小延時(I段)瞬發雷管,每炮孔裝入300 g乳膠炸藥,正向裝藥且炮泥封堵至炮眼的孔口;連接好爆炸起爆器和儀器啟動器,待接收站和激發站安裝就緒后,電話聯絡開啟儀器,設置好參數,由接收站指揮激發站放炮,記錄各炮波形信號數據。槽波地震探測采用槽波采集系統和TZBS系列傳感器進行數據采集,共布置TZBS傳感器80個、采集基站6臺,地震采集大線6根、啟動線1根?，F場探測地震儀器為16通道×8通道,采樣頻帶2 500 Hz低通,采樣長度16 K,采樣間隔100 μs,固定增益-48～-81 dB,采樣延遲0.0 ms。

3 探測可靠性分析

3.1 無線電波透視可靠性

無線電波透視現場探測試驗時,通過發射時接收的場強值與未發射時的背景場強值,差值不小于10 dB,同時構造發育區域與構造欠發育區域,二者接收場強差值不小于5 dB,即可有效識別異常。對于無線電波透視數據質量標準,劃分為合格與不合格2類,主要依據數據的跳躍性來判別。針對個別離散跳躍點,根據現場記錄,查看是否存在金屬、積水等低阻干擾,或突然來電等突發情況,若存在類似情況,則該跳躍點為不合格數據。本次探測儀器工作穩定,接收數據較穩定,接收數據較完整。對工作面局部存在金屬體干擾不影響觀測結果的數據進行了保留;實測數據穩定,介于10～60 dB,原始數據達到探測要求。工作面無線電波實測數據如圖6所示。

圖6 無線電波透視實測數據曲線Fig.6 Measured data curves of radio wave perspective

3.2 地震槽波探測可靠性

槽波探測共布置炮點134個,有效炮60個,炮點平均距離20 m。為保證精度,實際計算以實測點距帶入運算,激發點和接收點在巷道空間平面位置如圖7所示。

圖7 激發點和接收點平面位置Fig.7 Plane positions of excitation and reception points

探測質量以射線在探測區域覆蓋次數與疊加次數來衡量,探測區域射線覆蓋次數大于10次,符合礦井震波探測行業標準要求,原始地震資料質量可靠。探測區域覆蓋次數與疊加次數如圖8所示。深藍色區域疊加次數比較少,相對較低的疊加次數可能會導致反演結果受某道信號系統誤差影響;對應探測區域兩側,即工作面切眼和停采線探測反演結果可信度稍低。中間橙色區域疊加次數高,反演結果可靠度較高。

圖8 探測區域覆蓋次數與疊加次數Fig.8 Detection area coverage and stacking times

根據地震信號不同種類波的發育情況,工作面內體波較為發育且同相軸連續,說明工作面頂底板結構較為均勻且穩定,無明顯突變情況。槽波在部分炮孔區域發育,結合現場記錄,槽波發育區域與工作面煤厚趨近一致,在工作面下切眼煤厚較為均勻且頂底板條件較好、槽波發育明顯,停采線后和斷層集中發育區,煤層缺失影響槽波發育[22]。體波與槽波發育情況如圖9所示。

圖9 體波與槽波發育情況Fig.9 Development of body waves and in-seam waves

4 震-電探測工程響應與佐證分析

4.1 無線電波層析成像與地質解釋

無線電波探測對工作面異常體有較好的反映,根據衰減系數值大于0.431 8、相對衰減值大于10 dB,共探測并圈定異常區域7處,依次編號YC1～YC7。工作面無線電波透視CT如圖10所示,無線電波透視地質解釋見表3。

表3 無線電波透視地質解釋Table 3 Geological interpretation of radio wave perspective

圖10 工作面無線電波透視CTFig.10 Radio wave perspective CT of working face

4.2 地震槽波反演與地質解釋

震波勘探使用體波、槽波聯合反演。由于工作面煤層較薄、連續性較差,槽波發育不佳,最終反演結果以縱波波速反演為準。根據反演結果,工作面內部存在較多速度異常區域,局部高速異常區未貫穿整個工作面,速度差異較大;工作面整體呈中間位置速度低,兩側位置整體速度偏高。根據工作面巷道布置、地質資料及反演結果速度差異,工作面探測區域大型構造發育5個,部分小型異常構造發育[23]。根據槽波能量衰減系數反演結果,標注1#～7#異常區以及部分未圈定異常區域。工作面反演如圖11所示。

1#異常區緊貼工作面上切眼,工作面來壓釋放,應力集中的局部高速異常區,分析為煤層產狀變化局部節理、斷層發育影響所致。2#異常區為斷層及裂隙發育影響所致。3#異常區延展形態呈U型,結合現場條件與地質情況,分析為斷層及裂隙發育影響所致。4#異常區延展形態呈條帶狀,結合現場條件與地質情況,分析為斷層發育及巷道為全巖所致。5#異常區延展形態呈條帶狀,波速明顯高于周圍區域,結合現場條件與地質情況,分析為斷層發育影響所致。6#異常區呈凸形分布,指向斷層延展方向,波速明顯高于其他區域,且在靠近工作面軌道巷異常也有微弱的響應,結合現場條件與地質情況,分析為斷層發育影響所致。7#異常區呈三角形分布,指向斷層延展方向,波速明顯高于其他區域,結合現場條件與地質情況,分析為斷層發育影響所致。圖11中未解釋為異常的區域,主要是緊鄰巷道側幫位置青綠色區域,該低速區域由巷道側幫向工作面內延伸較近,未完全貫穿工作面且速度值偏低。從震波信號上來看,主要是受微小斷層影響,使煤層連續性變差,局部可能煤層缺失。

4.3 震-電探測工程響應

結合震-電探測結果,將工作面綜合劃分為5個區段。Ⅰ段距切眼0～190 m,斷層、裂隙發育段,落差約1倍煤厚;Ⅱ段距切眼190～420 m,正常煤層段;Ⅲ段距切眼420～520 m,斷層、裂隙發育段,落差大于1倍煤厚;Ⅳ段距切眼520～590 m,正常煤層段;Ⅴ段距切眼590～750 m,斷層、裂隙發育段且瓦斯富集。結合工作面地質揭露,在Ⅰ段揭露1～2 m斷層,Ⅲ段揭露6.50～8.50 m斷層,與探測結果相符;Ⅱ、Ⅳ段未揭露地質構造,為正常煤巖段,與探測結果相符;Ⅴ段揭露2～4 m斷層,異常區與三維地震預測斷層位置對應。工作面震-電探測區劃如圖12所示。

圖12 工作面震-電探測區劃Fig.12 Zoning of seismic electrical detection in working face

為確定震-電探測結果可靠性,基于震-電探測結果以及結合巷道布置與地質揭露等確定的工作面區劃,根據工作面回采期間瓦斯涌出進行驗證。根據瓦斯涌出情況,在斷層與裂隙發育區瓦斯涌出有較明顯的增大,瓦斯涌出規律對探測結果呈現出較好的工程響應,有效驗證了工作面地質構造與瓦斯富集區域震-電探測結果。另一方面,根據震-電探測結果與工作面推進期間瓦斯涌出變化情況,充分說明煤體內部斷層等地質構造對煤層瓦斯賦存有較大影響。震-電探測結果驗證為礦井瓦斯賦存規律研究與礦井瓦斯抽采提供了理論依據,尤其對地質構造區域煤與瓦斯突出防治和煤體瓦斯強化抽采提出了超前預警[24]?；谕咚褂砍龅恼?電探測驗證如圖13所示。

4.4 震-電探測佐證分析

無線電波透視實際區域較大,異常區域多為貫穿式帶狀分布。由于斷層等地質構造低電阻體特性使電磁波產生反射、折射和吸收,當電磁波在煤層中傳播時,穿透斷層等地質構造的衰減強度大于正常煤層,衰減系數較大、實測場強值較低。對于單個斷層,當斷層走向與工作面走向垂直,衰減曲線呈較小的V形、接收場強值中只有極少的明顯低值、在CT圖中陰影區呈條帶狀;當斷層走向與工作面走向平行,衰減曲線整體較正常煤層偏低、無明顯跳變。地震槽波探測實際區域相對較小,異常區域多在邊界,邊緣相對清晰,異常區形態延展呈現U型、帶狀、凹凸形、三角形等不規則。工作面內部存在較多速度異常區域,局部高速異常區未貫穿整個工作面,速度差異較大;工作面整體呈中間位置速度低,兩側位置整體速度偏高。根據無線電波透視與地震槽波反演探測結果,在斷層等地質構造區域異常區劃分具有較好的一致性,2種不同方式的探測結果互為驗證[25]。

5 結論

1)通過無線電波現場試驗,0.30 MHz頻率無線電波穿透工作面后穩定接收到16～52 dB,采用定點掃描(1對11)方法,基于90個發射點、491個接收點、1 089個采集點、4 760 m測線長度的系統布置,實測數據穩定在10～60 dB,原始數據達到探測要求。根據探測衰減系數大于0.431 8、相對衰減值大于10 dB的原則圈定探測區域異常區,實現工作面無線電波透視的層析成像與地質解釋。

2)通過地震槽波現場試驗,工作面內體波發育且相軸連續,槽波發育區域與工作面煤厚趨近一致,基于4個測站、134個炮孔、268個觀測點、2 640 m測線長度的雙透射探測觀測系統,射線在探測區域覆蓋次數與疊加次數大于10次,符合震波探測行業標準要求。根據體波與槽波聯合反演,在探測區域圈定大型構造發育異常區以及部分小型構造發育異常異常區,實現工作面地震槽波反演與地質解釋。

3)根據無線電波透視與地震槽波探測結果,結合巷道布置與地質揭露等情況,將工作面綜合區劃,包括斷層與裂隙發育段、正常煤層段、斷層與裂隙發育且瓦斯富集段。根據工作面回采期間瓦斯涌出情況,在斷層與裂隙發育區的瓦斯涌出有較明顯增大,瓦斯涌出規律對探測結果呈現出較好的工程響應,有效驗證工作面地質構造與瓦斯富集區域震-電探測結果,可為工作面通風與瓦斯治理提供較好的理論依據與技術指導,也可為礦井智能精準開采的透明地質提供參考借鑒。