多煤层物理模型的构建及固体采集数据的波场分析

《Frontiers in Earth Science》：Fabrication of multi-coal seam physical model and wavefield analysis of solid acquisition

地质异常体定量检测方法研究：基于多煤层固体物理模型构建与超声地震波场分析，通过优化环氧树脂与硅藻土（100:130）、环氧树脂与硅橡胶（100:60）配比，误差控制在±5%内。采用分层浇筑与模具控制技术成功制备含断层（45°/90°）和陷落柱的三维物理模型，通过直接接触式换能器实现二维固体数据采集与成像分析，验证了直接波、表面波及阻抗界面反射波的可分离性，为后续高精度定量反演提供实验基础。

　　在煤炭开采过程中，地质异常的定量检测对于构建透明地质模型和降低潜在灾害风险具有重要意义。随着浅层煤炭资源的逐渐枯竭，煤矿开采正向更深、更复杂的地质条件区域转移，这使得对隐藏的地质结构进行高精度和高效率的识别成为一项紧迫的科学和技术挑战。传统的地质勘探技术虽然在定性识别方面已经较为成熟，但在工程应用中的定量和准确检测仍面临诸多技术瓶颈。当前的数值模拟方法虽然在多个技术方向上取得了突破性进展，如通道波勘探、地震随采和地震随掘等，但在复杂地质结构中的精确参数反演能力仍显不足。特别是在对断层和采空区等灾害源进行定量分析时，其在真实地质条件下的波场响应和动态特性仍存在较大的偏差。

相比之下，物理模型技术能够在一个可控的实验环境中高保真地再现地震波在复杂地质结构中的传播过程，提供更为真实的波场响应。这种方法不仅能够准确研究单一地质因素对波场的影响机制，还能为高精度定量反演方法提供实验基础和物理理解。因此，建立包含断层和采空区的多煤层三维地震物理模型，并通过超声波地震物理模拟系统进行二维固体数据采集和迁移成像分析，成为解决上述问题的关键手段。

本研究中，首先进行了煤与岩体材料配比的相似性实验，通过33组实验，最终确定了适用于围岩的环氧树脂与滑石粉质量比为100:130，适用于煤层的环氧树脂与硅橡胶质量比为100:60。所制作的煤岩试件在P波速度、S波速度和密度等参数上均控制在±5%的误差范围内，这为后续模型构建提供了可靠的基础材料。随后，通过模具控制层、防模控制结构、分层浇筑和三维雕刻等方法，构建了具有45°和90°倾角以及采空区的三维地震物理模型。通过表面反射数据采集，实现了对模型中每个煤层顶部和底部界面的直接波、表面波、波阻抗界面反射波和层间多次波的识别，丰富的波场响应验证了模型的构建成功，为后续的异常体定量分析奠定了基础。

为了提高模型的精度和可靠性，研究过程中采用了分阶段的双层方法。首先，通过分层浇筑和粘结协同技术，在中间煤层区域形成了封闭的空气腔，以模拟采空区的结构。随后，通过分层固化工艺，逐步完成整个模型的构建。这一过程控制了单层浇筑厚度在1厘米以内，并确保每层的固化时间不少于12小时，从而有效抑制了材料固化过程中可能产生的温度升高变形，避免了残余应力累积导致的开裂风险。

在模型的构建过程中，采用了多种工艺来提高其精确度和稳定性。例如，为了确保煤层位置的准确性和结构的稳定性，模具的内部尺寸被设计为1500 mm × 500 mm × 400 mm，其高度小于模型总高度550 mm。同时，为了防止在围岩浇筑过程中材料渗入采空区，采用了一种薄片材料（厚度约为0.1毫米）作为防护层。该材料与围岩具有相同的组成成分，能够有效隔离内部空气腔，确保模型结构的完整性。此外，为了防止薄片在后续浇筑过程中受损，还采用了一层2毫米的围岩应力缓冲层进行保护。

在数据采集方面，为了减少水箱环境中可能产生的表面多次波和鬼影反射，采用了超声波固体数据采集方式。通过将模型放置在超声波数据采集系统中，并使用高精度电子水准仪对模型表面进行校准，确保其水平偏差小于0.5度。在模型表面的二维数据采集点上，涂覆了一层石油焦作为耦合剂，以增强超声波信号的传递效率。随后，将接收器和发射器精准地布置在模型表面，并在对齐后启动数据采集过程。整个数据采集系统包括270个发射点和451个接收点，发射点沿着模型的X轴方向布置，覆盖了三个异常位置。第一发射点位于模型X轴方向的480毫米处，最后一发射点位于1018毫米处，总发射线长度为538毫米，发射间距为2毫米。接收点则从30毫米开始，最后延伸至1468毫米，总接收线长度为1438毫米，接收间距也为2毫米。数据采集过程中采用了最小偏移距离20毫米，采样间隔为0.1微秒，每条接收线采集6000个样本。这些详细的采集参数为后续的波场分析提供了充分的数据支持。

在数据处理阶段，对原始的发射接收数据进行了能量平衡处理，以提高波场的清晰度和分辨率。处理后的波场特征如图11所示，其中波群①代表直接波，波群②对应表面波，波群③展示了煤层顶部和底部界面的连续反射波，具有较强的阻抗对比特征。波群④（用蓝色圆圈标注）清晰地显示了断层引起的衍射波及其可识别的断点，波群⑤则表现出中间煤层界面的较强反射波，但采空区的响应特征不够明显。波群⑥展示了下部煤层的不连续和模糊的反射波，由于煤层之间的吸收和衰减作用，其波场强度较弱，使得断层难以识别。

进一步的数据处理包括迁移成像分析，以获取更清晰的地下结构图像。迁移成像的结果如图12所示，能够清晰地观察到三个煤层的分布情况，并准确识别出每个煤层的上下界面。图中展示了上部煤层中形成的45°正断层和下部煤层中形成的90°逆断层，其成像效果良好。采空区的响应特征虽然在某些情况下不够显著，但在使用变面积波形表示法时，仍能观察到采空区引起的振幅异常，这为后续定量分析提供了重要的信息。

本研究的成果表明，通过合理的材料配比和模型设计，能够构建出高精度的多煤层地震物理模型，并通过超声波地震物理模拟系统实现对模型的二维固体数据采集和迁移成像分析。该方法不仅能够获取清晰的直接波、表面波、波阻抗界面反射波和层间多次波，还能够有效模拟实际地质条件下的波场响应，从而为煤矿中的地质异常定量检测提供可靠的技术支持。

研究还发现，尽管数值模拟方法在某些方面取得了进展，但在复杂地质结构中的应用仍存在一定的局限性。例如，数值模拟依赖于波方程的近似解和计算域的网格离散化，这可能导致高频成分的虚假散射、复杂各向异性介质中波场响应的模拟失真，以及对波场动态特性（如振幅和波形）的描述不够精确。而物理模型方法则能够避免这些问题，因为它能够在受控环境中真实再现地震波的传播过程，从而提高模拟结果的准确性和可靠性。

此外，本研究还探索了多种材料配比和模型构建技术，以优化模型的物理特性。例如，通过调整环氧树脂与滑石粉的比例，可以有效提高围岩材料的密度和波速；而通过调整环氧树脂与硅橡胶的比例，则可以更好地模拟煤层的物理特性。这些优化措施不仅提高了模型的仿真精度，还为实际地质条件下的参数反演提供了更加可靠的实验依据。

研究过程中，还特别关注了模型制造过程中可能遇到的技术难点，如如何确保采空区的空气密封性和稳定性，以及如何避免煤层位置偏移和结构失稳等问题。通过采用分层浇筑、粘结协同、模具控制层和三维雕刻等方法，成功克服了这些挑战，实现了高精度的模型制造。同时，通过合理的材料选择和配比，以及精确的模具设计和制造工艺，确保了模型的物理特性和几何结构与实际地质条件的高度相似，从而提高了模型的适用性和推广性。

总的来说，本研究构建了一个包含断层和采空区的多煤层三维地震物理模型，并通过超声波地震物理模拟系统实现了对模型的二维固体数据采集和迁移成像分析。该方法不仅能够有效识别和定量分析地质异常的特征，还为煤矿深部安全高效开采提供了重要的技术支撑。未来的研究方向将包括进一步提高煤层内部的波场检测精度，以及开发更高效的定量反演方法，以实现对复杂地质结构的更精确理解和预测。