地震勘探方法在探測(cè)煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用研究

摘要：近來(lái)，隨著開(kāi)采深度和開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，地質(zhì)構(gòu)造趨于復(fù)雜，尤其是大量老窯采空區(qū)的存在，直接影響煤礦的安全生產(chǎn)，成為嚴(yán)重危害煤炭采掘的地質(zhì)因素。廈早發(fā)現(xiàn)圈定采空區(qū)的存在范圍，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，不僅保證了煤炭安全生產(chǎn)，煤礦的效率將得到大幅度提高。本文夼紹的利用地面三維地震勘探資料，圉定采空區(qū)等地質(zhì)異常體的分布范圍，為煤礦生產(chǎn)提供地質(zhì)資料，減小地質(zhì)因素的生產(chǎn)臆惠，將產(chǎn)生重要的意義。

關(guān)鍵詞：采空區(qū) 三維地震 時(shí)間剖面 反射波異常 相干體

中圖分類號(hào)lTD82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1074-098X(2012)02(b)-0100-02

1煤層采空區(qū)的地質(zhì)特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中。煤層被開(kāi)采后形成采空區(qū)，破壞了原有的地應(yīng)力平衡，采區(qū)周圍巖體的原始應(yīng)力失去原來(lái)的平衡狀態(tài)，應(yīng)力將重新調(diào)整直至達(dá)到新的平衡，從而致使巖體發(fā)生移動(dòng)。這類運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，視具體條件不同而不同，具有顯著的個(gè)性與隨機(jī)性。

采空區(qū)上覆巖層的變化形式是極其復(fù)雜的。當(dāng)開(kāi)采面積較小，且煤層頂板為塑型巖性并保存完整時(shí)，同時(shí)由于殘留煤柱較多，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤柱上，未引起地層變動(dòng)，采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來(lái)。

但多數(shù)采空區(qū)在重力和地層應(yīng)力作用下，頂板塌陷、冒落，由此形成了塌落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

采空區(qū)上覆巖層的變化形式大體可歸結(jié)為以下幾種。

(1)采空區(qū)上方巖石的垮落煤層采出后，其上方巖石在重力的作用下，所受應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度極限而破裂、垮落。

(2)上覆巖層的裂隙巖層的連續(xù)性未受破壞，不發(fā)生垮落，而是產(chǎn)生裂縫、裂隙。

(3)上覆巖層的彎曲巖石不發(fā)生破裂，而是在自重作用下產(chǎn)生法向彎曲。這部分巖層將保持其整體性，共移動(dòng)過(guò)程連續(xù)而有規(guī)律：

當(dāng)采空區(qū)范圍較小而采深較大時(shí)，采空區(qū)上覆巖體的移動(dòng)可能不波及地表。而當(dāng)采空區(qū)范圍較大而采深較小時(shí)，其上覆巖體的移動(dòng)就會(huì)波及到地表，并引起地表下沉，下沉所涉及的整個(gè)范圍稱之為下沉盆地，在礦區(qū)稱為塌陷區(qū)。當(dāng)開(kāi)采空間跨度足夠大，即使完整堅(jiān)硬的頂板，也會(huì)因受力強(qiáng)度超過(guò)極限而垮塌、冒落實(shí)際上，由于大多數(shù)巖體都含有各類地質(zhì)弱面，將巖體切割成一系列弱聯(lián)接的嵌合體或各式各樣的組合體，這種巖塊體在圍巖應(yīng)力與自重共同作用下保持平衡。當(dāng)?shù)V體被采空后，緊靠采空區(qū)的巖體應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，巖體產(chǎn)生移動(dòng)、垮落并將這種過(guò)程傳遞給相鄰的巖塊體，隨之垮落相繼發(fā)生，頂板巖塊的移動(dòng)逐漸發(fā)展，破裂區(qū)逐漸擴(kuò)大。同時(shí)，采空區(qū)被垮落巖體填充，被破壞的巖體的應(yīng)力狀態(tài)逐漸恢復(fù)平衡。在此過(guò)程中，上覆巖層產(chǎn)生的移動(dòng)、變形從性質(zhì)上可以分為以下幾個(gè)帶。

(1)冒落帶

冒落帶又稱垮落帶，是指由采空區(qū)上覆巖體在自重的作用下破碎、冒落、堆積而成的區(qū)段，其范圍主要由頂板巖層碎脹性、采礦方法與礦層厚度所決定。

(2)裂隙帶

裂隙帶又叫裂縫帶或破裂彎曲帶，是指位于冒落帶之上，具有與采空區(qū)連通的導(dǎo)水裂隙，但連續(xù)性未受破壞的那一部分巖層。

(3)彎曲帶

彎曲帶又叫整體移動(dòng)帶，是指裂隙帶頂界到地表的那部分巖層。

上述三帶的劃分，是建立在巖體連續(xù)移動(dòng)變形條件下的。一般來(lái)說(shuō)只適用于層狀結(jié)構(gòu)巖體，且各帶相互之間沒(méi)有明顯界線。并不是說(shuō)地表的移動(dòng)一定同時(shí)存在著三個(gè)帶。對(duì)于有些淺部開(kāi)采的礦山，可能不存在三個(gè)帶而只有一個(gè)或兩個(gè)帶，有的礦山開(kāi)采后直接冒落到地表。此時(shí)就只有冒落帶。如圖1。

2三維地震勘探資料對(duì)采空區(qū)的控制

三維地震勘探獲得的是勘探區(qū)內(nèi)三維空間的資料一一即三維數(shù)據(jù)體，如圖2。圖中數(shù)據(jù)體圖a是2260m×4000m×1.OOs的數(shù)據(jù)體，數(shù)據(jù)體圖b是1320m×1700m×1.50s的數(shù)據(jù)體?？碧絽^(qū)內(nèi)的地質(zhì)異常體只要存在形成反射界面的條件，那么在三維數(shù)據(jù)體內(nèi)均應(yīng)該有所反映，只是表現(xiàn)的特征有所不同。如反射波消失、錯(cuò)斷、不連續(xù)等現(xiàn)象。

2.1采空區(qū)三維數(shù)據(jù)體中的反映

2.1.1時(shí)間剖面上煤層標(biāo)準(zhǔn)反射波中斷或變?nèi)酰好簩臃瓷涠赏噍S明顯中斷或能量變?nèi)?，其中斷點(diǎn)或能量變化位置即為邊界的反映。

2.1.2時(shí)間剖面上煤層標(biāo)準(zhǔn)反射波頻率的突變：在地震剖面上，采空區(qū)處煤層標(biāo)準(zhǔn)反射波的頻率突然降低，其頻率變化位置即為邊界的反映。

2.1.3時(shí)間剖面上煤層標(biāo)準(zhǔn)反射波同相軸產(chǎn)狀扭曲突變：一系列反射波同相軸向采空區(qū)體內(nèi)側(cè)扭曲，其扭曲起始點(diǎn)之連線即為采空區(qū)的邊界，由于采空區(qū)塌落，使其周圍的地層常產(chǎn)生向采空區(qū)中心方向下傾。

2.1.4時(shí)間剖面上煤層標(biāo)準(zhǔn)反射波相位轉(zhuǎn)換：反射波極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，其反轉(zhuǎn)起始點(diǎn)即為采空區(qū)邊界。

2.1.5異常波出現(xiàn)：異常波包括繞射波、延遲繞射波等。繞射波產(chǎn)生于巖性間斷點(diǎn)，在有采空區(qū)的地層中，采空區(qū)內(nèi)巖性與圍巖不同。按廣義繞射理論，繞射是普遍存在的，沿邊界面均可產(chǎn)生繞射波，但幾何的點(diǎn)或線不能產(chǎn)生有一定能量的繞射渡，一個(gè)繞射體必須與地震波長(zhǎng)相當(dāng)才可產(chǎn)生可觀察到的繞射能量，繞射波強(qiáng)度與繞射物體長(zhǎng)度成正比。因此，在采空區(qū)的煤層斷面反射段中斷點(diǎn)處(即斷陷點(diǎn))，可產(chǎn)生繞射波。

2.2在數(shù)據(jù)體作相干分析，在沿層切片上出現(xiàn)環(huán)行構(gòu)造帶

對(duì)數(shù)據(jù)體利用相干技術(shù)作相干分析，即利用相鄰地震信號(hào)的相似性來(lái)描述地層和巖性的橫向不均勻性，當(dāng)界面上存在構(gòu)造異常時(shí)，相鄰地震道之間的反射波在旅行時(shí)、振幅、頻率和相位等方面產(chǎn)生不同程度的變化，表現(xiàn)為相干值小，當(dāng)界面上不存在構(gòu)造異常時(shí)，相鄰地震道之間的反射波不發(fā)大的變化，表現(xiàn)為相干值大。利用不同的相干算法，對(duì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行逐點(diǎn)求取相干值，可以得到相干體數(shù)據(jù)。采空區(qū)發(fā)育之處，反射渡發(fā)生很大變化，相干值變的很小，所以可以利用這一特征圈定采空區(qū)發(fā)育異常帶。圖4、是三維資料的相干體沿層切片圖，圖中反射波異常帶即是采空發(fā)育帶。

3應(yīng)用實(shí)例

3.1實(shí)例1

3.1.1勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)概況

勘探區(qū)位于霍西煤田的中西部，地勢(shì)西高東低，溝谷發(fā)育。屬中朝準(zhǔn)臺(tái)地中部二級(jí)構(gòu)造單元。區(qū)內(nèi)地層由老至新有太古界的界河口群，古生界的寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界的三疊系和新生界的第三系、第四系。

區(qū)域內(nèi)含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組。本溪緝和下石盒子組為魄要含煤地層，僅含煤線；太原組和山西組為主要含煤地層。

太原組：含煤8余層，編號(hào)自上而下為5上下號(hào)煤，其中穩(wěn)定可采為9、10、11號(hào)煤層。該組為主要含煤地層之一。

山西組：含煤4層，編號(hào)自上而下1上、1、2、3號(hào)，其中2號(hào)煤層為該區(qū)主要可采煤層，賦存在本組的中下部。

2號(hào)煤層位于山西組中下部，全區(qū)穩(wěn)定可采，厚度1.20～1.82m，平均1.35m，結(jié)構(gòu)-簡(jiǎn)單，一般無(wú)夾石。

9、10、ll號(hào)煤層位于太原組下段上部，上距2號(hào)煤層81.82 93.55m，平均87.88m，-厚度4.80 5.09m，平均4.95m，壘區(qū)穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有1～2層夾石，夾石單層最大厚度0.38m。

3.1.2圈定的采空區(qū)分布圖

三維勘探范圍7.0Km，獲得cDP網(wǎng)格5m×5m的數(shù)據(jù)體。根據(jù)三維數(shù)據(jù)體內(nèi)主要煤層反射波變化情況，圈出了3個(gè)采空區(qū)異常帶，如圖3。

3.2實(shí)例2

3.2.1勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)概況

本區(qū)屬“華北型”石炭二疊系呈隱蔽含煤區(qū)，據(jù)鉆孔揭露，地層由老到新依次為：奧陶系、石炭系、二疊系、第四系。

井田可采煤層位于=迭系的山西組和石盒子組，山西組：下部以太原組頂部一灰之頂為界，上界鋁質(zhì)泥巖下駱駝脖砂巖之底，地層厚度85～160m，平均108.4m。巖性由砂巖、砂泥巖互層、粉砂巖、泥巖和煤層組成，含6煤層(組)，煤層發(fā)育較好。局部地段有巖漿巖侵入，6煤層變質(zhì)成天燃焦。下石盒子組：下界為駱駝脖砂巖，上界為3煤下K3砂巖。地層厚度235-290m，平均250.1m。巖性由砂巖、粉砂巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖及煤層組成。含3、4、5等3個(gè)煤層(組)，其中5煤層為可采煤層，3、4煤組發(fā)育較差，煤層薄不可采。

井田可采煤層4層，主要可采煤層為5、

6煤層。

3.2.2圈定的采空區(qū)分布圖

三維地震勘探面積1.5km2，cDP面元5m×5m，三維地震勘探后，查出2個(gè)地質(zhì)異常帶，經(jīng)查驗(yàn)后，為采空區(qū)。

4結(jié)語(yǔ)

煤層采空區(qū)三維地震勘探結(jié)果表明，煤層采空和由此引起的覆巖破壞效應(yīng)在地震時(shí)間剖面和相干切片上的反映特征明顯，主要有以下特征。

(2)反射波(組)中斷

采空區(qū)造成地下反射層(煤層)的中斷，變得不可連續(xù)追蹤，跨越采空區(qū)后，反射波(組)恢復(fù)；同時(shí)由于采空區(qū)下方巖層未遭開(kāi)采破壞，所以仍能保持原有趣好的反射波而可連續(xù)追蹤。地震時(shí)間剖面上反射波不連續(xù)追蹤是識(shí)別煤層采空區(qū)的重要標(biāo)志。

(2)反射波頻率變化

煤層采空區(qū)引起的覆巖破壞區(qū)對(duì)地震波具有很強(qiáng)的吸收、頻散衰減作用，在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)反射波的頻率的降低。

(3)波形變化

煤層采空區(qū)對(duì)地震波影響還表現(xiàn)為振幅的衰減，反射波波形變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變，而采空醫(yī)下方則由于巖層保持相對(duì)完整而變化不明顯，這也是在地震時(shí)間剖面上識(shí)別煤層采空區(qū)的另一個(gè)重要標(biāo)志。

(4)相干特征

采空區(qū)發(fā)育之處，反射波發(fā)生很大變化，相干值變的很小，在相干體切片上表現(xiàn)為異常帶，可以利用這一特征圈定采空區(qū)的平面分布范圍。

利用采空區(qū)在三維地震資料上的顯示特征，能夠準(zhǔn)確、快速圈定采空區(qū)的平面分布范圍及發(fā)育情況，能夠?yàn)槊旱V安壘開(kāi)采提供準(zhǔn)確、可靠的采空區(qū)地質(zhì)資料。

參考文獻(xiàn)

[1]李增學(xué)，馬興祥等.實(shí)用礦井地質(zhì)研究[M]，地質(zhì)出版社，1993.

[2]陸基孟，王永剛.地震勘探原理(第三版)[M]，中國(guó)石油大學(xué)出版社，2009.

[3]鄒才能，油氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)用地震新技術(shù)[M].北京：工業(yè)出版社，2002.