地震波CT技术在煤矿工作面煤层变薄带探测中的应用

潘乐荀，任 川，兰鹏波

(安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202)



地震波CT技术在煤矿工作面煤层变薄带探测中的应用

潘乐荀，任 川，兰鹏波

(安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202)

为了准确划分工作面的薄煤层区域。应用地震波CT技术，获取介质弹性波波场的初至、波速、振幅、频率等参数，通过层析成像，反演介质内部的结构、构造等的分布图像。以实际煤矿工作面地震波CT技术探测煤层变薄带为例，对该方法工作中的规律及效果进行总结，提高地震波CT技术的准确性，为类似条件下的煤层变薄带探测提供参考。

地震波CT；煤层变薄带；层析成像；反演

煤层变薄是煤田地质中比较常见的地质现象，工作面的地质构造常造成煤层厚度的变化，煤层变薄带的分布影响矿区的采区布置、采面划分及采煤方法的选择，也直接影响矿井安全生产和经济效益，因此准确圈定煤层变薄带的范围十分重要。地震CT技术自20世纪80 年代初进入地学研究领域以来，广泛应用于地球内部结构成像，石油、金属矿产、地热等资源勘探，以及土木建筑、灾害防治等的领域。我国于80 年代中期开始开展地震CT 研究工作，并先后在大同、平顶山、枣庄、徐州和铁法等矿区应用，取得了一定的成果。近年来，该技术在煤矿领域的应用日益广泛，主要用于推断煤岩体内部地质构造、应力异常区域、煤层厚度变化等典型异常区域的分布情况，可为煤矿生产过程中的工作面开采设计、动力灾害预测预报、防治效果检验及安全措施制定等提供参考依据。

一般的钻探方法只能得到煤层的局部特征，“一孔之见”很难准确划分整个工作面的薄煤层区域。利用地震波CT技术，在整个工作面布置观测系统，对煤层顶板稳定性、煤体破碎等特征进行解释[1]，对采面内影响开采的地质因素进行详细探测，以保证采面的安全、高效回采[2]。

1 地震波CT技术基本原理

地震CT(Computerized Tomography)勘探技术，即地震波层析成像勘探技术，是利用地震波对地质体的透射投影，来重建构成地质体内部地震波速度的分布形态，并根据地震波速度与地质体的对应关系，进行岩体的分类和评价。地震CT通过地质体(结构)的外部地震波走时和衰减的观测数据，来准确可靠地反演出地质体内部结构的直观图像。通过接收在物体外部发射并且穿过物体而携带有物体内部各种信息的物理信号，利用计算机重建技术，重现物体内部结构。地震走时层析成像技术能够通过接收炮点与检波点之间的地震波旅行时，利用计算机技术反演得到勘探区域的速度结构。

地震波在二维介质中传播时，旅行时间是对地下介质慢度函数沿着波的传播射线路径进行线性积分，旅行时间与地下介质的速度分析V(x,y)的关系可表示为

(1)

式中：r为震源a与接收点b之间的连线；s(x,y)为介质慢度，为V(x,y)的倒数；dr即波的射线路径的增量[3]。

对(1)式进行离散化处理，可以得到

T=AS

(2)

式中：T为所有激发点到接收点之间的旅行时矩阵，A为距离矩阵，与传播路径相关，S为介质的慢度矩阵，即速度的倒数矩阵。

对于式(2)，可以分为正演和反演两种求解方法。在慢度S已知时，对于给定的激发点和接收点，应用多种方法求解距离及旅行时，即为正演；相反，在旅行时已知时，反推速度的分布情况为反演。

一般情况下，首先需要假定一个初始的慢度模型，对S做出假设，用正演的方法得到理论旅行时矩阵T，再进行射线追踪，得到射线路径矩阵A，这样正反演相结合，得到理论走时与实际走时的时差矩阵ΔT，慢度矩阵S的修正量为ΔS，则反演方程可以表示为

ΔT=AΔS

(3)

式中：ΔT及A均为已知，可以用多种方法求解方程(3)，得到介质的近似速度分布。关于这类线性方程组求解方法有代数迭代算法ART(Algebraic reconstruction technique)、同步迭代算法SIRT(Simultaneous iterative reconstruction technique)、最小平方QR分解法LSQR(Least square QR-factorization)等，进而对近地表速度结构进行速度结构成像分析[4-10]。

2 应用实例

2.1 地质概况

井田东西长约5 km， 南北宽约2.8 km， 面积11.51 km2， 地处构造剥蚀侵蚀低中山区， 区域地势西高东低，北高南低。11061回采工作面总体呈一走向NEE、倾向SSE的单斜构造， 并伴有9条规模不大走向与地层走向基本一致的断层。区域褶皱构造为一北东向的宽缓向斜构造——三塘向斜，轴向北东，轴面倾向126°～152°，倾角72°～74°。北西翼岩层倾角一般10°～30°，南东翼岩层倾角一般6°～36°。

回采工作面主要含煤地层为二迭系龙潭组(P3l)，含煤29～37层，一般31层。各煤层总厚平均21.95 m，含煤系数7%，可采和局部可采煤层5层。主采和首采的煤层厚度虽有一定变化，但规律明显，其它煤层为较稳定的大部可采或基本全区可采煤层，煤类单一，总体上煤层较稳定～稳定类型。

2.2 探测布置

在11061工作面中利用震波CT方法对整个工作面进行探测。结合11061工作面的实际情况，本着工作面CT测线设计中应尽量让地震波旅行射线在工作面中分布比较平均，不出现射线空白区等原则，本次激发点测线布置于11061切眼和运输顺槽，测线总长约500 m，炮间距约为6 m，设计总炮数88个，表示为P1～P88。接收测线布置于11061联切眼和回风顺槽，现场共布置1站，接收测线总长约470 m，道间距10 m，测点总数48个，表示为R1～R48。

接收点按要求布置在煤层中心部位，将钢钎插入煤层，要求钢钎需平行于顶底板，并将传感器固定在钢钎上保证传感器的良好耦合。炮点孔径42 mm，以炮点为激发点，进行震波激发；检波点为接收点，放入TZBS系列传感器。现场实际布置测线、测点如图1所示。

图1 工作面测线及测点布置

2.3 数据采集

地震数据的采集采用1台多道数字地震仪在机巷接收透射CT数据，形成单站一次接收48道的数据采集装置，将48个TZBS系列传感器固定于机巷中所打入的钢钎上，安装时严格控制传感器和钢钎的安装方向。爆破使用300 g乳胶炸药，将药卷送至孔底，使用炮泥将孔封好，并接好爆炸起爆器和仪器启动器，待接收站和激发站安装就绪后，电话联络开启仪器，设置好参数，由接收站指挥激发站放炮，记录各炮波形信号数据。数据初至清晰，反射波分辨率较高，部分单炮记录波形如图2所示。

图2 部分单炮记录

现场探测地震仪器工作参数设置为：多道数字地震仪通道数：48道；采样间隔：100 us；采样频带：2 500 Hz低通；固定增益：-48～-81 dB；采样长度：4 K；采样延迟：0.0 ms。数据采集时采用连续高效放炮，同组接收点固定接收的作业方式，目的保证了扇形的最大覆盖范围和探测区域。

2.4 探测结果及解释

1) 资料处理。数据处理时通过数据解编及格式转换，并将单炮数据拼接及道集重排，生成共炮点道集(CSP)、共检波点道集(CRP)等。预处理的内容还包括道编辑、二次采样、频谱分析及去噪，并建立相应的观测系统。网格划分后进行射线追踪及叠加次数计算，保证射线在探测区域内的覆盖次数基本上超过20次，且较均匀。获得观测系统坐标参数及各道对应的初至时间后，将网格划分参数及炮、检点位置坐标等分别输入至BPT、ART、SIRT三种CT成像模块，并以BPT的计算结果作为CT计算的慢度初值，再进行ART、SIRT迭代计算得出CT反演结果。

2) 探测结果及解释。通常，当煤层均匀分布时，地震波在煤层中传播的波速分布图也较均匀，由于相对于巷道及围岩，煤层是低速介质，因此在震波CT速度切片图中，煤层速度相对于巷道及围岩也较低。当煤层中存在断层、陷落柱等构造时，构造部分为煤层顶底板岩石，因此一般表现为高速异常区。另外，当煤厚发生变化时，煤层变薄带也表现为高速异常区[9]。

地震CT反演时，SIRT算法与BPT和ART法相比，具有收敛性好，重建图像的分辨率高，对初值选取精度依赖程度低等优点，因此本次采用SIRT算法进行层析成像，比较对照地震波速CT反演切片，结合11061工作面巷道地质编录剖面及相关资料对本次探测解释进行同步验证，在探测工作面得到SIRT 法纵波及横波速度CT 反演切片图(见图3～图4)，以纵波结果为主进行解释判断。

1. 煤层厚度变薄区；2. 煤层厚度变薄区-煤层较薄分区；3. 煤层厚度变薄区-薄煤层与正常煤层过渡分区；Vp. 纵波速度(m/ms)图3 纵波速度CT反演切片及解释

1. 煤层厚度变薄区；2. 煤层厚度变薄区-煤层较薄分区；3. 煤层厚度变薄区-薄煤层与正常煤层过渡分区；Vs. 横波速度(m/ms)图4 横波速度CT反演切片及解释

综合分析纵波及横波速度CT反演切片，结合波速大小阀值判断，探测区域内共解释3个高速异常区，其中C1为煤层厚度变薄区，靠近11061运输顺槽，对工作面回采有一定影响，此煤层厚度变薄区可分为C1-1(煤厚0.5～1.0 m)、C1-2(煤厚1.0～1.4 m)两个区间，其中C1-1煤层较薄，C1-2为薄煤层与正常煤层过渡区；C2异常区为煤层厚度变薄区或断层构造影响带，在此高速异常区内存在断层构造，由于煤层变薄形成高速异常区，延展范围大，对工作面回采很大，为重点防范区域，同样C2可以分为薄煤层区域C2-1(煤厚0～0.5 m)及薄煤层与正常煤层过渡区C2-2(煤厚0.5～1.4 m)； C3异常区为煤层变薄区或夹矸增厚区， 对应位置为11061回风顺槽， 速度切片表现为高速异常。

3) 验证情况。11061工作面由于受煤层变薄带影响，改造切眼位置设计在横坐标160 m附近，如图5所示，A位置在回风顺槽，B位置在运输顺槽。2014年8月5日，改造切眼迎头处对应的素描图如图6所示，正常煤层煤厚约1.5～2 m，靠近回风顺槽附近煤厚约0.2～1.0 m，靠近运输顺槽附近煤厚约0.5～1.4 m，与地震波CT资料解释中C1-2及C2-2煤层变薄带划分相符合。且回采过程中，实际揭露情况与探测解释基本吻合，证明地震波CT技术对于煤层变薄带的划分有较好的效果。

图5 改造切眼位置示意图

图6 改造切眼迎头处素描图

3 结论

地震波CT技术对于采煤工作面内地质异常体的探测较为有效可靠，可避免构造异常造成的采煤损失，提高回采效率，为矿井高产高效建设提供了保障。

1) 地震波CT在工作面的探测结果及验收资料表明，该技术可用于探测及划分煤层变薄带，其结果较为清晰直观，一般双巷系统进行采集时，布点密集，数据量较大，分辨率较高，具有较好的应用价值及应用范围。

2) 引起介质物性差异的地质因素多种多样，因此物探解释常具有多解性，对不同煤层探测时，地震波CT探测的结果与实际地质情况的吻合程度，需要多次探采资料对比，并结合物探资料与地质资料进行综合分析及解释，进一步完善地震波CT解释技术，为类似工作面构造及煤层变薄带探测提供重要依据。

[1] 张平松, 刘盛东. 断层构造在矿井工作面震波CT反演中的特征显现[J]. 煤炭学报, 2006，31(1):35-39．[2] 刘盛东, 吴军, 张平松. 地下工程震波技术与应用[J]. 中国煤炭地质,2001,13(3):59-61．

[3] 邢庆祝. 地震CT成像技术中正演模拟技术的研究与应用[D]. 福州：福州大学,2005:8-9．

[4] 刘盛东, 李承华. 地震走时层析成像算法与比较[J]. 中国矿业大学学报, 2000, 29(2): 211-214．

[5] ASAKAWA E, KAWANAKA T. Seismic raytracing using linear travel-time interpolation[J].Geophysical Prospecting, 1993,41(1):99-112.

[6] 王书文, 徐圣集, 蓝航, 等. 地震CT技术在采煤工作面的应用研究[J]. 煤炭科学技术, 2012, 40(7):24-27.

[7] 程久龙. 岩体破坏弹性波CT动态探测试验研究[J]. 岩土工程学报,2000,22(5):565-568．

[8] 张宁, 韩洪德, 刘晓晨, 等. 地震波CT技术在煤矿采空区探测中的应用[J]. 河北工程大学学报(自然科学版), 2008, 25(3):95-97.

[9] 周官群, 刘盛东, 郭立全, 等. 采煤工作面地质异常体震波CT探测技术[J]. 煤炭科学技术, 2007, 35(4):37-40．

[10] 蔡连初, 缪念有. 利用地震波CT技术精细化探测隧洞间岩溶构造[J]. 大坝与安全, 2014(1):57-58.

(责任编辑：李 丽，编辑：丁 寒)

Application of Seismic Wave CT Technology to Getect the Thinning Zone of Coal Seam

PAN Le-xun, REN Chuan, LAN Peng-bo

(Anhui Huizhou Geology Security Institute CO.,LTD, Hefei Anhui 230088, China)

In order to accurately divide the thin coal seam area, in this paper, a series introduction of seismic wave CT technology has been put forward, including basic theory, prospecting methods and data analyzing approach. This technology was used to get such parameters of elastic wave field as first-break, velocity, amplitude and frequency, which makes a significant difference to invert geological structures underground by seismic tomography. Then the principles and results of actual application in detecting thinning zone of coal seam were summarized, in the light of improving accuracy and precision of seismic wave CT technology and providing reference for the detection of thin coal seam under similar conditions.

seismic wave CT; thinning zone of coal seam; tomography; inversion

2015-11-12

潘乐荀(1975-)，男，安徽望江人，高级工程师，本科，研究方向：矿井物探技术工程应用。

P631.5

A

1672-1098(2016)05-0072-06