新庄孜矿煤体瓦斯含量与震波衰减特征分析

　　摘 要：为了研究煤层动力学参数与煤层瓦斯地质参数之间的相关关系，采用矿井震波探测技术对淮南新庄获煤矿主采煤层进行了襄波衰减探浏试验，分析研究煤层的吸收衰减系数和煤层品质因子Q值特征。试脸结果表明：试验区煤层瓦斯压力与Q值成幕函数相关、瓦斯含量与Q值成近似负线性相关;衰减系数与瓦斯压力成正线性相关，与瓦斯含量成指数函数相关。研究结果为煤与瓦斯突出预测提供了新的参数。
　　关键词：衰减特征;品质因子;瓦斯压力;瓦斯含量;震波探测
　　引言
　　煤与瓦斯突出是煤矿开采危险性最大的自然灾害，瓦斯突出预测和防治一直是世界各主要产煤国十分关注的重大科研课题。目前世界各国普遍采用的瓦斯突出预测方法多以瓦斯参数为主的点预测;预测仪表多为依赖于钻孔工程的接触式，预测效率低、精度差。瓦斯突出区域预测仅局限于规律性分析和类比方法，远不能满足现代化矿井防治瓦斯突出灾害的要求。
　　通常情况下，岩石中波的衰减对岩石的物理状态变化的反应比波速更为敏感，在反映介质的本质属性方面地震波的衰减特征更为敏感，随着岩石结构特征、力学性质的变化而迅速变化。含瓦斯煤体在密度和其他力学及变形参数上存在着差异，弹性波在瓦斯含量各异的煤层中传播时存在着不同的响应，研究瓦斯突出煤体震波参数特征与瓦斯含量的关系，对实现通过地震勘探方法超前、实时、准确预测煤与瓦斯突出具有重要的指导意义和实用价值。淮南新庄孜煤矿目前主采煤层有7层，各煤层瓦斯含量不同，选取该矿进行煤层震波探测实验具有代表性。
　　1 测定方法原理
　　引起地震波衰减的因素有很多，从广义上来说，可分为两类。一类是与地震波传播特性有关的衰减，如球面扩散、与地震波波长有关的介质非均匀性引起的散射，主要为Rayleigh散射，由介质内部的裂纹、孔隙的存在使经过岩石的波发生反射、折射和衍射等，从而改变了部分波的传播方向，接收到的能量会因此减小，造成表观衰减;另一类是反映介质内在属性的本征衰减，即介质将波动的机械能转化为热能而造成的衰减。本征衰减能表征介质许多固有的性质和所处的物理条件，介质地震波的振幅衰减特性通常用品质因子Q来表征，其倒数(1/Q)即为衰减量。
　　测量Q值的方法有多种，本文采用的是频谱振幅比法，基本原理如下：
　　在均匀介质中沿x方向传播的平面谐波，其位移为

　　式中：A(x)为波的振幅。
　　波的振幅随着传播距离的增加按指数规律衰减，衰减的快慢取决于地震波的衰减系数，用a(f)表示。

　　式中：C为地震波在介质中传播速度;r₀，r_l为波的传播距离;A₁(f)，A₀(f)为对应r_l，r₀两个测点上的透射波(直达波)实测振幅;R(r)为几何扩散因子。
　　与频率无关，相对于频率而言为常数，令为c，并令K=a(r₁-r₀)，则有

           

　　根据实测振幅谱比值A₁(f)/A₀(f)，以 为纵坐标，以f为横坐标绘图，据其回归(最小二乘法拟合)直线斜率K，按式K=a(r₁-r₀)，即可求得a和Q值。
　　2 煤层衰减特征分析
　　2.1 煤层衰减系数的测定
　　煤层力学性质的各向异性是绝对的和客观存在的，而各向同性是相对的并在一定条件下可以视为存在的。对于同一煤体结构类型的分层来说，各向异性相对较小，在一定范围内可以视为各向同性。
　　为了对淮南矿区煤层的衰减特征和瓦斯含量关系进行研究，以高瓦斯含量矿井新庄孜煤矿为研究对象，对不同煤层进行了震波探测试验。淮南矿区主采煤层的衰减试验数据采集是用KDZlll4-3型便携式矿井地质探测仪，和速度、加速度系列传感器在井下完成数据采集的。根据研究煤层的实测波形数据在KDZ2OO4矿井震波资料解析处理软件系统下，对数据进行包括文头编辑、道数据编辑、头参修改、噪声剔除、二次采样、频谱分析、波速的求取、文件转换等预处理过程，并在KC2软件系统下对波形振幅谱文件进行幅值的读取(见图1、图2)。　　

图1 13煤层振幅谱和Q值计算　　

图2 11煤层振幅谱和Q值计算

　　2.2 震波参数与瓦斯含量分析
　　影响煤层衰减的因素是多方面的，如震源激发的能量，接收检波器的荆合条件，煤层物理力学性质，煤层瓦斯含量的高低等。在煤层衰减探测试验中数据采集使用同一台仪器，检波器直接安插在煤层中，激发震源采用实验室研制的震源枪，保证了不同煤层衰减特征探测试验中采集数据的一致性和准确性。
　　根据现场探测试验记录进行处理，实际计算煤层震波参数纵波波速V_P,横波波速Vs、煤层震波衰减系数a、煤层震波品质因子Q等和煤层瓦斯含量W与瓦斯压力P(见表2，图3-图6)。表2中波速参数偏低，是由于受到巷道围岩松动圈的影响。

图3 衰减系数随瓦斯压力变化曲线                图4 衰减系数随瓦斯含量变化曲线　　

图5 品质因子随瓦斯压力变化曲线             图6 品质因子随瓦斯含量变化曲线

　　通过煤层衰减试验表明：不同煤层具有不同的a(f)和Q值。由图3、图4看出，煤层瓦斯压力与煤层衰减系数有一定的相关性，即随着煤层瓦斯压力P的增大，煤层衰减系数增加，回归方程为a(f)=0.003P-0.0003，判定系数RZ为0.7641。煤层衰减系数a(f)和煤层瓦斯含量W呈指数相关，随着W的增加，a(f)增加，相关方程为a(f)=0.008e^0.1583w,判定系数R²为0.6975。
　　由图5、图6可知，随着煤层瓦斯压力的增加及煤层瓦斯含量的增加，品质因子Q值迅速减小。品质因子Q值与瓦斯压力呈幂指数相关，而与煤层瓦斯含量呈负线性相关，相关方程分别为Q=1.6408•P^-0.8809和Q=-0.1325W+2.54，判定系数R²分别为0.7283和0.6301。
　　3 结束语
　　试验结果表明，淮南矿区煤层的震波衰减特征与煤层中瓦斯压力和瓦斯含量的大小有关。煤层衰减系数随着瓦斯压力和煤层中瓦斯含量的增加而增加，煤层品质因子随着瓦斯压力和瓦斯含量的增加而减小;衰减系数与瓦斯压力呈线性关系，而与瓦斯含量呈指数关系;品质因子Q随瓦斯压力的增加呈幂指数减小，与瓦斯含量呈线性关系。
　　瓦斯压力、瓦斯含量与煤与瓦斯突出有着密切的相关关系，瓦斯压力为煤与瓦斯突出提供了一定的动力来源，煤层中高瓦斯含量是突出的地质基础。一般来说瓦斯压力愈大，其突出的危险性亦愈大，煤体中的瓦斯含量愈高，突出的强度及瓦斯涌出量亦会愈大，这不但表现在不同的煤层，且同一煤层不同的区段或深度亦有所体现。
　　煤层瓦斯压力和瓦斯含量与震波参数之间所表现出的相关性，其本质原因是由于固气多相介质的物理力学性质所决定的，特别是瓦斯含量参数，高瓦斯含量的煤层表现为煤体原生结构破坏，煤层孔隙率升高，煤体表面积增大，提供了瓦斯的赋存空间;震波衰减参数和品质因子对于破坏煤体具有极高的灵敏度，煤体破坏将导致波速降低，震波衰减系数升高，品质因子降低。
　　研究煤层瓦斯地质参数与震波在煤层中的波动力学参数的关系，就可以通过检测、监测煤层对震波参数的响应，实时计算震波衰减系数、品质因子等参数，预测、预报煤与瓦斯突出现象。煤层震波参数的进一步研究，将为煤矿瓦斯灾害的主动安全预报提供一种全新的、非接触式方法。