煤巷地震超前探测数值模拟及波场特征研究.pdf

第 3 5卷第 1 0期 2 0 1 0年 l 0月 煤 炭 学 报 J OUR NAL OF C HI N A C 0AL S OC I E T Y V0 1 ． 35 0c t ． No． 1 0 2 O1 0 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 0 1 0 1 6 3 3 0 5 煤巷地震超前探测数值模拟及波场特征研 究 杨思通 ， 程久龙 1 ．山东科技大学 矿山灾害预防控制 教育部重点实验室 ， 山东 青岛2 6 6 5 1 0； 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 京1 0 0 0 8 3 摘 要 用交错网格有限差分法对煤巷 内不同地质模型 中的弹性波场进行 了数值模拟 ， 分析 了不同 地质模型中的波场特征和各类波型的传播特征 。研 究表明 在 _ T - 作 面前方的构造界面上会产生能 量较强的绕射波 ， 绕射波波至最迟与其它波波至时间间隔较大， 波列较 宽是识别工作 面前方存在构 造界 面的特征波。虽然在工作面前方构造界 面上产 生的反射波也标 志工作面前 方存在构造界 面， 但 易与干扰波混杂在一起不易识别提取。 关键词 煤巷超前探测 ； 地震波场； 交错 网格有限差分法 ； 绕射波 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 文献标志码 A Nu m e r i c a l s i mu l a t i o n o f f o r e d e t e c t i n g wi t h s e i s mi c i n c o a l r o a dwa y a nd s t ud y o f wa v e fie l d c h a r a c t e r i s t i c s YAN G S i t o n g ． CHE NG J i u l o n g ’ 1 ． K e y L a b o r a t o r y o fMi n e D i s a s t e r P r e v e n t io n a n d C o n t r o l ， S h a n d o n g U n i v e r s i tofS c i e n c e ＆ T e c h n o l o g y ． Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0 ， C h i n a 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y of C o a l R e s o u r c e s a n d 5 Mi n i n g ， C h i n a U n iv e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Abs t r a c t S e i s mi c wa v e fie l d i n t wo g e o l o g i c a l mo d e l s o f c o a l s e a m wa s s i mu l a t e d b y u s i n g s t a g g e r e d g r i d fin i t e di f f e r e nc e me t h o d， a n d s e i s mi c wa v e fie l d c h a r a c t e r i s t i c s a n d pr o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f v a r i o us wa v e p a t t e r n s i n d i f f e r e nt mo d e l s we r e a na l y z e d． As a r e s u l t ， i f t h e r e i s a g e o l o g i c a l i n t e rfa c e b e f o r e c o a l f a c e， t h e h i g h a mp l i t u d e d i f f r a c t i o n wa v e o f g e o l o g i c a l i n t e rfa c e wi l l b e r e c o r d e d． Th e d i f f r a c t i o n wa v e i s r e c o r d e d l a s t ．T he t i me i n t e r v a l b e t we e n d i f f r a c t i o n wa v e a r r i v a l t i me a n d o t h e r s ’i s l o n g e r ． The d i f f r a c t i o n wa v e t r a i n i s wi d e r t h a n o t h e r wa v e s ．S o d i f f r a e t i o n wa v e c a n b e u s e d t o i de n t i f y g e o l o g i c a l i n t e rfa c e b e f o r e c o a l f a c e． Re fle c t e d wa v e s o f g e o l o g i c a l i nt e rfa c e a r e ma r k s o f g e o l o g i c a l i n t e r f a c e b e f o r e c o a l f a c e a l s o． Bu t r e fle c t e d wa v e s a r e us ua l mi x i n g wi t h o t he r wa v e s， S O t h e y c a n’ t b e d i s t i n g u i s h e d u s u a l l y． Ke y wo r d s a d v a n c e d d e t e c t i o n i n c o a l r o a d wa y； s e i s mi c wa v e fie l d c h a r a c t e r i s t i c s； s t a g g e r e d g r i d f i n i t e d i f f e r e n c e me t h o d； di f f r a c t i o n wa v e 在煤层采掘中， 存在着许多影响安全生产的地质 构造因素 ， 如 采煤巷道 内的断层构造 、 陷落柱 、 采空 区、 煤体结构特征变化等 。 地震超前探测技术是近年发展起来 的一种 较简 单易行且行之有效 的预测掘进工作 面前方地质情况 的地球物理探测新技术 ， 已经在隧道施工地质预报中 发挥了巨大 的作用。巷道地震超前探测技术具有有 效探测距离长 ， 对地质异常反应灵敏 、 定位准确 ， 探测 成本低 ， 基 本不 影 响生产 等优势 J ， 能够及 时对 断 层 、 陷落柱 、 煤层厚度变化 、 溶洞 、 老空 区及 围岩的稳 定性作出预测预报 ， 从而为煤矿安全生产提供有力保 障。 近年 来 ， 朱光 明 J ， 沈 鸿 雁 J ， 张平 松 等在 2 0 0 3 --2 0 0 9年进行 了反射 波法隧道 、 井巷 地震探测 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 4 责任编辑 韩晋平 基金项目 国家自然科学基金重点资助项 目 5 1 0 3 4 0 0 3 ； N； g自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 4 0 8 1 ， 5 0 7 7 4 0 5 1 ； 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项 目 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 6 ； 教育部长江学者和创新团队发展 计划项 目 I R T 0 8 4 3 ； 山东科 技大学科学研究 “ 春蕾 计划 ” 资助 项 目2 0 0 8 AZ Z 0 1 2 作者简介 杨思通 1 9 7 8 一 ， 男 ， 河北 沧州人 ， 讲师 ， 博 士研究生 。T e l 0 5 3 2 8 0 6 8 1 1 0 7 E - m a i l y s t_2 s i n a c o n 1 6 3 4 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 数值模拟研究和地震地质超前预报研究 ； C ． C o s m a和 N ． E n e s c u在 2 0 0 1年研究 了应用 高频扫频冲击技术 S I S T 探测巷道附近裂 隙岩体 的施工方法和波场特 征_ 4 ； A n d i s h e h A l i m o r a d i 等在 2 0 0 8年用基于隧道地 震勘探资料的人工神经 网络方法探测隧道工作面前 方的灾害性地质构造 。 由于煤层巷道空间有限 ， 工作环境相对普通隧道 复杂 ， 这就决定了其地震波波场复杂 ， 这为实 际煤层 巷道地震反射地质超前预报工作 带来 了相当大 的困 难。因此要准确进行超前预报 ， 必须首先进行地震波 场正演模拟 ， 对 可能产生 的波场特征、 各类波型 包 括有效波和干扰波 的传播特点进行数值模拟 ， 为现 场施工和资料的处理解释提供可靠的理论依据 。 1 弹性 波动方程交错网格有 限差分数值模拟 二维波动方程应力与速度关系 为 O t P ＼ 。 ／ O t P O x O z ＼ ‘ ／ O 0 “ x x 鲁 A ‘ O U x A O t A O z A Z “ a 、 等 警 式中， 一 分别为沿 、 方 向的正应力 ； 为剪应 力 ； A 为拉梅参数 ； 、 为质点沿 、 z 方向的振动 速度 ； ￡ 为传播时间。 对一阶速度一 应力弹性波动微分方程进行 2阶 时间差分精度和 4阶空 间差分精度的交错 网格有限 差分 ， 其紧致差分格式 为 k-1／2 A t [ 塞 c ‰ 吒 H ,j-2n-1／2 】 1／2 V ／ -1／z2川 ／2 [ 4 c 破 岍 一 破 川 川 一 ] 2 ， 兰 n l c 、 I一 7 k 1 ， ／ 2 一 u k 一 l ／ 2 L i l ／ 2 j At c ， 1，／2 一 ， g， 1，／ 2 ,／ - 2 n - I 2 ％。 n圭l c [ [ k l ／ 2一 uk l ／ 2 n l c u ⋯k 1 ／ 2 一 1 ／ 2 ,／ - 2 n - I 2 L t 4 c i ～l k l 2一 u ～ k- 1 。 ／ 2 一 k l ／ 2 uk ⋯ - 1 ／ 2 ％ n至l c [ [ k 一I ／ 2 k l ／ 2 n至 l c 略 M V ／ i／ 2 - 1 ／2 ,j 1／ 2 式中， 譬 、 1／ 2 为速度 和 的离散值； R Ⅲ2 - 『 、 。 、 J 2 分别为应力 ⋯ 、 的离散 值 ； P 、 M 、 L 分别为密度 P和拉梅参 数 A离散 值 ； A x和 分别为模型 和 z 方 向上的空间差分步 长； A t 为时间差分步长； i ， 表示空间离散点 i A x ， j A z i ， J ． 0 ， 1 ， 2 ， ⋯⋯ ； 为时间离散点 k A t 1 ， 2 ， ⋯ ⋯ 。 模拟过程 中取 1 m， A t 0 ． 1 ms ， 震源函 数采用频率为 1 5 0 H z 的雷克子波纵波源激发， 在施 工现场考虑安全因素可采用机械震源和小药量炸药 震源等。 模型边界采用 C e r j a n吸收边界 ， 以减 小人 工边 界产生的边界干扰。根据 以上差分格式和边界条件 自主设计开发了采煤巷道地震超前探测波场数值模 拟软件。 2 水平层状地层采煤巷道 内激发 的地震波场 特征 煤系地层是典型 的层状结构 ， 可将煤层 与层状 顶 、 底板看作横 向各 向同性均匀介质 J 。据此 ， 设计 了采煤巷道工作面的层状模型 1 图 1 。为了接 收全波场信号 ， 避免工作面产生反射波 ， 激发点布置 在工作面内5 m底板上。考虑到巷道两侧煤层受采 煤影响松动 ， 在巷道两侧布置检波器， 其耦合性会受 到影响， 导致接收信号质量不高 ， 因此选择在底板布 置检波 器 。 图 2为模型 1地震波波场在不 同时刻的波场快 第 l 0期 杨思通等 煤巷地震超前探测数值模拟及波场特征研究 l 6 3 5 照 ， 由图可知其波场复杂。 图2 a 表 明， 波场 中存在顶板纵波 、 顶板横波 、 底板纵波 、 底板横波 、 巷道 内管波、 巷道内声波 、 煤层 纵波 、 煤层横波 以及在顶底板界面和工作面上产生的 多次反射波 、 转换波 、 绕射波等。由于传播时间较短 ， 在煤层内的煤层纵波和煤层横波及顶 、 底板之间的多 次反射波混叠在一起 。 3 5 1 5 0 2 0 0 3 0 0 图 1 模型 1 地质剖面 Fi g ．1 Ge o l o g i c a l s c h e ma t i c di a g r a m o f mo d e l 1 顶板 。 2 6 0 0 m ／ s ， 1 7 0 0 m ／ s ， p 2 0 0 0 k g ／ m ； 巷道 。 3 4 0 n r ／ s ， 0 ， p 1 0 0 k g ／ m ； 煤层 。 2 2 0 0 m ／ s ， l 2 0 0 m／ s ， P1 4 0 0 k g ／ m ； 底板 。 3 0 0 0 m ／ s ， 2 1 0 0 m ／ s ， P 2 4 0 0 k g ／ m ； 底板下岩层 2 6 0 0 m ／ s ， 1 7 0 0 m／ s ， P 2 0 0 0 k g ／ 11 1 ； 。为纵波速度 ； 为横波速度 ； p为密度， 下 同。 ／ m 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 25 0 3 0 0 5 O l 0 O l 5 O 2 0 0 a X分璇 ／ m O 5 0 l 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 5 0 l o 0 1 5 0 2 0 0 f b、 z分 j 图 2 模型 1地震 波场 9 0 m s 快照 F i g ． 2 S n a p s h o t o f s e i s mi c w a v e fi e l d o f mo d e l 1 a t 9 0 ms 图 3为采用模型 1中的激发接收方式 的 2 0 0 m s 地震记 录， 其 中同相轴 1为底板直达纵波 ； 同相轴 2 为底板直达横波和巷道内管波混叠 ； 同相轴 3为底板 下界面反射波 ； 同相轴 4为巷道内声波。从图 3地震 记录中没有发现能量较强的在顶板 中传播的各类波 ， 因此采用工作面激发地板接收 的观测接收方式可以 有效排除顶板波的干扰 。 记录点水平坐标 ／ m 0 2 0 4 0 6 O 8 O 1 0 0 1 2 O 1 4 0 5 0 1 0 0 1 5 O a X分 疑 记录点水平坐标 ／ m 0 2 0 4 O 6 0 8 O 1 0 O l 2 O 1 4 O 5 0 口1 O 0 1 5 O 2 0 0 f b1 z分毓 图3 模型 1的2 0 0 ms 接收地震记录 F i g ． 3 S e i s mi c r e c o r d o f mo d e l 1 a t 2 0 0 ms 3 巷道前方存在地质异 常体 的地震 波场 特征 在模型 1的基础上设计了采煤工作面前方1 0 0 m 处存在界面为倾斜的侵入地质体模型 2 ， 如图 4所 示 。为 了对 比研究工作 面前方构造界面引起 的波场 特征变化 ， 模型 2同样采用模型 1的激发接收观测方 式 。 】 1 5 0 2 0 0 图 4 模型 2地质剖面 F i g ． 4 Ge o l o g i c a l s c h e ma t i c d i a g r a m o f mo d e l 2 侵入地质体 3 6 0 0 m／ s ， 2 7 0 0 m ／ s ， p 3 0 0 0 k g ／ m 图 5为模型 2地震波波场在不 同时刻 的波场快 照 ， 与图 2相 比可见 ， 模型 2波场更 为复杂。模型 2 波场中除了存在模型 1波场中的各类波外 ， 还存在各 类波在地质体界面产生 的透射波和反射 波。各类波 沿煤层 向前传播 ， 当遇到煤层 的不整合 体的突变点、 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 地层尖灭点 、 断层 的棱角、 侵人体边缘等岩石物性显 著变化的点时 ， 根据惠更斯原理， 将以这些“ 棱“ ” 角 ” 点作为一个新震源产生振动 ， 再次发射球面波向周围 传播绕射波 。绕射波沿煤层 向回传播时 ， 在巷道 底板上的检波器就可以收到绕射波信息， 如图 6中同 相轴 1 。 ／ m 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 5 O 三l 0 0 ～ l 5 O 2 0 O f a 分量 x| m 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 f b z分最 图 5 模 型 2地震波场 9 0 ms 快 照 Fi g ． 5 S n a p s h o t o f s e i s mi c wa v e fie l d o f mo de l 2 a t 9 0 ms 记录点水平坐标 ／m 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 O O l 2 0 1 4 O ∞ 5 O 互1 0 0 1 5 0 a 分 记录点水平坐标 ／m O 2 O 4 O 6 O 8 O 1 0 0 l 2 O 1 4 O 5 0 二 1 0 0 1 5 0 2 0 0 b z 分馈 图 6 模 型 2的 2 0 0 m s 接收地震记录 F i g ． 6 Se i s mi c r e c o r d o f mo d e l 2 a t 2 0 0 ms 图 6为模型 2的2 0 0 ms 地震记录， 与图3模型 1 的地震记录相 比较 ， 可以发现其中除了含有模型 1 接 收记录中的各类波同相轴外 ， 还存在在工作面前方构 造界面上产生的绕射波同相轴 1和反射波同相轴 2 。 由于煤层和顶、 底板岩层波阻抗差异很大， 弹性波在 煤层中传播时， 受上 、 下顶底的大角度反射 ， 弹性波大 部分能量保留在煤层 中， 所 以在煤层中传播的绕射波 能量较强。由于绕射波在顶 、 底板 的发射角度不同， 绕射波在顶 、 底板上产生多个不 同角度 的反射波 ， 多 个反射波相互干涉 、 叠加 ， 与绕射直达波混在一起 ， 因 此接收到的绕射波波列较宽。 接收器接收到的在时间域可 以识别 的各类波型 同相轴按初至先后顺序分别为 底板直达纵波、 底板 直达横波 、 巷道内管波 、 巷道内声波 、 在工作面前方构 造界面上产生的反射波 、 绕射波。其 中绕射波到达接 收器所用时间最长， 与其它波波至时间间隔较大 ， 能 量较强， 波列较宽容易识别 ， 分量和 分量接收均 有较好显示 ， 是识别工作面前方存在构造界面的有效 波。虽然在工作面前方构造界面上产生的反射波也 标志工作面前方存在构造界面 ， 但它们波至与底板直 达纵波、 底板直达横波 、 巷道 内管波等波波至时间间 隔不大 ， 易与以上各波混杂在一起不易识别提取。 4 结 论 1 用交错 网格有限差分法可以实现在煤巷工 作面以纵波点震源激发产生 的弹性波场的数值模拟 ， 以实现利用地震波超前探测工作面前方的构造界面。 通过对比研究不同时刻的水平层状地层采煤巷道 内 激发和工作面前方存在地质体 的采煤巷道 内激发的 地震波波场快照和地震记录 ， 分析得到在不 同地质模 型中的不同时刻产生 的各类波型及其传播 的运动学 和动力学特征。 2 在工作面前方存在构造界面 的采煤巷道 内 以纵波点震源激发产生的弹性波场 中存在构造界面 绕射波， 并且绕射波波至最迟与其它波波至时间问隔 较大 ， 能量较强， 波列较宽是识别工作面前方存在构 造界面的特征波。 3 虽然在工作 面前方构造界面上产生的反射 波也标志工作面前方存在构造界面， 但它们初至与各 类干扰波初至时间间隔不大容易与 以上各波混杂在 一 起不易识别拾取。 参考文献 [ 1 ] 张平松 ， 刘盛东 ， 李培根． 井巷煤岩体 内构 造特征反射波 探测技 术与应用 [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 6， 3 3 6 4 3 4 6 Z h a n g P i n g s o n g ， L i u S h e n g d o n g， L i Pe i g e n ． Re fl e c t i v e wa v e t e c h n o l o g y f o r d e t e c t i n g g e o l o g i c a l s t r u c t u r e i n r o c k o r c o a l b o d y i n mi n e 第 1 0期 杨思通等 煤巷地震超前探测数值模拟及波场特征研究 1 6 3 7 2 0 1 1年 J OU R N A L OF C OA L S C I E NC E E N GI N E E R I N G C HI N A 煤炭学报 英文版 征订启事 J O U R N A L O F C O A L S C I E N C EE N G I N E E R I N G C H I N A 是 由中国煤炭学会主 办的、 向国内外公 开发 行的英文版煤炭科学技术方面的综合性学术刊物。主要刊载煤 田地质与勘探 、 煤矿开采、 矿 山测量、 矿 井建设、 煤矿安全 、 煤矿机械工程 、 煤矿 电气工程 、 煤炭加 工利用、 煤矿环境保护等方 面的科学研 究成果论著和学术论 文 ， 以及煤矿生产建设、 企业管理经验的理论总结， 也刊载重要 学术 问题的讨论及 国内外煤炭科学技术方面的 学术 活动 简讯 。 煤炭 学报 英文版 J 0 u R N A L O F C O A L S C I E N C EE N G I N E E R I N G C HI N A 是向世界传播我国煤炭科 学技术的重要媒体 ， 对加强中外科学技术交流， 宣传我 国煤炭科学成就 ， 提高我 国煤炭科 学技术的国际地位将 起到重要的作用。及 时报道我 国煤炭科技新理论 、 新技术、 新经验也是 煤炭学报 英文版的主要任务。 煤炭 学报 英文版和 中文版具有不 同的刊登 内容和各 自的特点。 煤炭学报 英文版为季刊 ， 每期 1 1 2页， 每册国内订价 2 8元 ， 全年共收费 1 l 2元。订阅者可直接和本编辑 部联 系， 订单函索即寄， 编辑部随时办理订阅手续。 本刊地址 北京市和平里煤炭科 学研究总院内 煤炭 学报 编辑部 邮政编码 1 0 0 0 1 3 联系电话 0 1 0 8 4 2 6 2 9 3 0， E ma i l mt x b b y h 1 2 6 ． c o rn， mt x b v i p ． 1 6 3 ． c o n