1、0引言煤炭依旧是我国最主要的能源，数十年内这种状况都不会改变1。在煤炭开采中，陷落柱是一种灾害性的地质异常，会严重影响煤矿安全高效生产。不但会影响井巷围岩的稳定性，还会破坏煤层的连续性，影响机械化采煤的效率，同时陷落柱还容易成为瓦斯富集区域，影响煤矿安全2，对于承压水矿井，陷落柱还会成为地下水通道3-5，整个矿井都有突水危险。为了煤炭安全高效生产，需要找到有效手段来对陷落柱进行探测分析。由于陷落柱地质及地球物理特征极其复杂，且不同地区地质条件不同，陷落柱在地震剖面上的表现相差甚大，陷落柱的识别十分困难。因此，需要对不同类型陷落柱进行数值模拟分析，总结得到一般特征。国内外已有很多学者在该方向上进
2、行了研究，如林建东等通过数值模拟总结出了大小陷落柱的一般特征6；张玉法等从进行陷落柱正演分析了煤矿中不同陷落柱地震正演研究高银贵，王宏伟，孔皖军（鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）摘要：陷落柱的准确识别对于煤矿安全开采有重要意义。为了研究不同陷落柱的地震响应特征，使用地震波场正演模拟有限差分方法，结合陷落柱在实际地质条件下的参数，建立不同内部构造和不同尺寸的陷落柱模型，然后使用子波模拟地震激发，得到不同的单炮记录，将这些单炮记录经过处理得到水平叠加剖面和叠后偏移剖面。综合对比分析这些剖面上的波组特征以及与陷落柱的对应关系，得到内部构造不同陷落柱的特点以及不同尺寸陷
3、落柱在地震剖面上的响应特征。关键词：陷落柱；正演模拟；内部构造；尺寸中图分类号：P631.4文献标识码：A文章编号：2095-5979（2023）05-0033-06Seismic forward modeling of different collapsecolumns in coal mineGaoYingui,WangHongwei,KongWanjun(Ordos Huaxing Energy Co.,Ltd.,Ordos 017000,China)Abstract：The accurate identification of collapse column is of great s
4、ignificance to the safety mining of coal mine.In ordertostudythe seismic response characteristics ofdifferent collapse columns,the finite difference method ofseismic wave fieldforward modeling was used to establish collapse column models with different internal structures and different sizesaccordin
5、g to the parameters of collapse columns under actual geological conditions.Then,wavelet was used to simulateseismic excitation,and different single shot records were obtained,These single shot records were processed to obtainhorizontal stack section and post stack migration section.Through comprehen
6、sive comparison and analysis of wave groupcharacteristics on these sections and the corresponding relationship with collapse columns,the characteristics of differentcollapse columns in internal structure and the response characteristics of collapse columns of different sizes on seismicsections were
7、obtained.Key words：collapse column;forward modeling;internal structure;size责任编辑：任伟DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.009作者简介：高银贵（1984），男，山西朔州人，高级工程师。引用格式：高银贵，王宏伟，孔皖军.煤矿中不同陷落柱地震正演研究J.煤炭与化工，2023，46（5）：33-38，42.地 测 与 水 害 防 治Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol
8、.46 No.5May 202333煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷地震响应情况7。但是他们都是将陷落柱假设为均匀异常体，并未考虑其内部构造。为了进一步研究陷落柱地震响应，本文在前人基础上，构造不同内部情况的陷落柱模型，进行地震正演分析，除此之外，由于陷落柱在地震剖面上解释范围与实际大小不一致，本文还探讨了不同规模的陷落柱地震响应特征。1内部构造不同的陷落柱模型通过对华北型煤田陷落柱的相关资料8-10进行查阅，设定表 1 的地质背景参数。通过有限差分进行数值模拟，同时设立对应的地震观测系统，对震源的波场进行模拟。陷落柱模型顶设置埋深 150 m，柱底设置为700 m，其中在煤层中陷
9、落柱直径为 100 m，柱底面宽 200 m，纵波速度 2 500 m/s，其他值用缺省值，煤层设置厚度为 5m，埋深在 400 m，陷落柱位于模型中间。观测系统参数设置如下。道间距 10 m，接收道数 101 道，炮间距 10 m，共 11 炮（450550 m），时间采样间隔 1 ms，采样长度为 1 000 ms，采用 Ricker 子波，主频为 60Hz。模型采用 PML 吸收边界条件，用来减少边界效应。此次模拟选用声波方程的计算方法来描述地震波在二维介质中的传播，计算如式（1）所示11-12。式中：为位移波场；x,z 分别为水平方向和垂直方向；（x,z）点在传播介质中速度为 v（x,
10、z）；s（t）为震源函数，其中 s（t）=0，t0。1.1内部均匀的陷落柱模型在这个模型中，陷落柱内部从上到下为一均匀体，密度为 2 200 kg/m3，纵波速度为 2 500 m/s。地质模型如图 1 所示。将所有单炮进行共中心点道集处理，速度谱拾取后进行动校正，并进行水平叠加和叠后偏移，水平叠加剖面和偏移剖面分别如图 2、图 3 所示。从图 2、图 3 可清楚看到，煤层反射波同相轴明显与实际的煤层产状相吻合，且由于波阻抗差异大，陷落柱模型边界突变点的存在，在叠加剖面上发现了突变点绕射波，绕射波则与煤层反射波相切，切点位置在陷落柱塌陷点；又由于陷落柱柱体内部设置为低速带介质，绕射波进入低速介
11、质后，产生了延迟绕射波。经偏移处理后，剖面上出现了与产状吻合的煤层反射波，由于介质的物性差异，煤层错断而产生的绕射波几乎得到了很好的收敛，但延迟绕射波的时间延迟性使得它经过偏移后不能归位为一个点，而是在塌陷位置形成短反射波。图2、图 3 的时间剖面均能够有效识别出陷落柱的外部形态。1.2内部连续变化的陷落柱模型设置陷落柱内部纵波速度值为连续变化，其他地质背景参数不变，模型如图 4 所示。水平叠加时间剖面和叠后时间偏移剖面，分别如图 5、图 6 所示。当柱内为连续性介质时，经处理后，在叠加剖面上，柱顶绕射波出现在 0.05 s，陷落柱塌陷点位置出现了突变点绕射波及延迟绕射波。偏移处理后，正常绕射
12、波都很好收敛到突变点，遇到陷落柱时，煤层错断，此时反射波为突变点的延迟绕表 1 地质背景参数Table 1 Geological background parameters纵波速度/（m s-1）3 5002 5003 800横波速度/（m s-1）2 0201 2702 194密度/（g cm-3）2.61.32.7厚度/m4005395备注砂岩煤层灰岩22x2+22Z2-1v2(x,Z)22t2=s(t)（1）图 1内部均匀陷落柱模型Fig.1 Internal uniformcollapse column model图 2水平叠加时间剖面（内部均匀）Fig.2 Horizontal st
13、ackingtime profile(internal uniform)图 3叠后偏移的时间剖面（内部均匀）Fig.3 Time profile ofpost-stack migration(internal uniform)0100 200300 400500 600 700800 900 1 0000100200300400500600700800050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 7500.10.20.30.40.5延迟绕射波绕射波煤层反射波柱顶绕射波0100200 300400 500600 700800 90
14、0 1 0000.10.20.3柱顶绕射波煤层反射波延迟绕射波342023 年第 5 期射波。1.3内部有块体的陷落柱模型陷落柱柱内物质主要是煤系地层上覆岩层塌落形成的，具有泥砾结构。将柱内充满块体以接近陷落柱的泥砾结构，块体的纵波速度为 3 200m/s、横波速度为 1 846 m/s、密度为 2.23 g/m3，其他参数与上述模型的参数相同，地质模型如图7 所示。经过处理得到水平叠加剖面及偏移剖面，如图 8、图 9 所示。在叠加剖面上，0.05 s 出现了柱顶绕射波，陷落柱塌陷点位置出现了突变点绕射波及延迟绕射波，剖面上还夹杂着充填物杂乱的反射波、绕射波。经过偏移处理后，正常绕射波都很好收
15、敛到突变点，块体反射波也很好归位，遇到陷落柱时，煤层错断，错断的反射波为突变点的延迟绕射波，在陷落柱内也出现了杂乱的反射波。2尺寸大小变化的陷落柱模型地震地质模型中陷落柱在煤层直径设置为200 m、400600 m，如图 10 所示。经处理得陷落柱水平叠加剖面和偏移剖面，如图 11、图 12 所示。对比陷落柱地震时间剖面，侵入煤层陷落柱直径 200 m 时，发现叠加剖面上反射波同相轴断开，被校正到水平产状，与实际的煤层产状相吻合。在 0.05 s 时出现柱顶绕射波，且能量很强。由于陷落柱突变点的存在，在叠加剖面上出现了突变点绕射波，又由于陷落柱柱体内部被低速介延迟绕射波绕射波煤层反射波柱顶绕射
16、波0100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 1000.10.20.3柱顶绕射波煤层反射波延迟绕射波0100 200300 400500 600 700800 900 1 0000100200300400500600700800图 4内部连续变化的陷落柱模型Fig.4 Internal continuouslychangingcollapse column model图 5水平叠加时间剖面（内部连续变化）Fig.5 Horizontal stackingtime profile(internal continuous change)图 6叠后偏移的时间剖面（内部连续变化）Fig.6 Time profile ofpost-stack migration(internal continuous change)图 7陷落柱地震地质模型（内部有块体）Fig.7 Seismic geological model ofcollapse column(internal block)图 8陷落柱水平叠加时间剖面（内部有块体）Fig.8 Horizonta
