地震反射波法探查煤礦采空塌陷區(qū)的應(yīng)用

李耀華,郭秀娟,李 旭

(1.北京航天勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100070；2.山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局， 山西 太原 030045)

0 引 言

煤炭資源的大規(guī)模開采利用，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但同時(shí)也破壞了礦山及周圍生態(tài)環(huán)境。由于原先小煤窯的亂采亂伐、煤礦的跨界開采、地質(zhì)和采礦資料丟失等原因，隱伏的大量采空區(qū)或塌陷區(qū)對(duì)礦業(yè)生產(chǎn)安全和工程建設(shè)形成了極大的安全隱患，采空區(qū)的探查則成為煤礦首要解決的關(guān)鍵問題。

地震反射波法因精度高、分辨率高、信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為目前采空區(qū)及煤層賦存探查的首選方法。某煤礦現(xiàn)有資料對(duì)地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存情況控制程度不夠，不能滿足礦井建設(shè)的需求，在巷道掘進(jìn)時(shí)為了避免采空區(qū)、塌陷區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害造成的安全隱患，采用地震反射波法對(duì)該區(qū)進(jìn)行探測(cè)與調(diào)查，以確定采空區(qū)的位置及分布情況，同時(shí)查明該區(qū)主采煤層的賦存情況，為礦井建設(shè)提供可靠的地質(zhì)資料。

1 煤礦采空區(qū)物性特征

采空區(qū)的物性特征除與“三帶”范圍、圍巖巖性、充填及含水情況等有關(guān)外，還與上覆巖層穩(wěn)定性、開采時(shí)間和深度有關(guān)。就正在開采所形成的采空區(qū)而言，冒落帶和裂隙帶發(fā)育程度較小，當(dāng)開采深度較大時(shí)，采空區(qū)的地球物理異常反映較弱；而開采后長(zhǎng)時(shí)間廢棄采空區(qū)的上覆巖層已達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，冒落帶和裂隙帶已發(fā)育完全。冒落帶由于塌陷作用使其密實(shí)度降低、巖體變疏松，進(jìn)而增大了采空區(qū)的規(guī)模和異常范圍，其地球物理異常反映明顯，有利于采空區(qū)的探測(cè)[1]。雖然裂隙帶的巖性沒有發(fā)生明顯的變化，但裂隙發(fā)育和分布情況復(fù)雜，若內(nèi)部裂隙空間有松散物或水充填，使得采空區(qū)上方的物性變得更為復(fù)雜。

煤層與圍巖巖性不同，二者之間存在明顯的波阻抗差異，煤層厚度足夠大時(shí)，可形成良好的反射界面。但煤層采空及其頂板遭受破壞后，地層變得疏松，介質(zhì)密度降低，地層對(duì)地震波的吸收頻散衰減作用增強(qiáng)，使得地震波在介質(zhì)中的傳播速度明顯下降，而它不論被何種介質(zhì)所充填，在其邊緣部位都存在一個(gè)明顯的波阻抗反射界面，采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)和圍巖介質(zhì)的波速存在明顯的差異[2,3]。

2 地震勘探原理

地震勘探方法種類較多，主要用于采空區(qū)探測(cè)的有反射波法、地震映像法、井間地震。地震反射波法采用人工激發(fā)震源，形成在地下介質(zhì)中傳播的地震波，當(dāng)其傳到不同彈性介質(zhì)界面時(shí)，便在界面位置產(chǎn)生反射，通過檢波器接收發(fā)射回波信號(hào)，根據(jù)反射波的傳播時(shí)間和空間位置關(guān)系來判斷不同的介質(zhì)，借助反射波的強(qiáng)度、頻譜、相位等特征解決相關(guān)的地質(zhì)問題。煤層采空區(qū)上覆破碎的圍巖及裂隙，對(duì)地震波有很強(qiáng)的吸收、頻散和衰減作用，使反射波頻率降低，在圖像上表現(xiàn)為反射波波形變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變；采空區(qū)下方則由于巖層相對(duì)完整而變化不明顯，據(jù)此可在地震時(shí)間剖面上識(shí)別煤層采空區(qū)及塌陷位置[4-5]。

3 采空區(qū)勘探實(shí)例

3.1 地質(zhì)背景及概況

某煤礦地形條件較為復(fù)雜，地層從老至新依次為奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組及第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)，含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。該區(qū)地層賦存形態(tài)為一走向NE57°的單斜，地層傾角5～18°不等，有褶曲和斷裂等次級(jí)構(gòu)造，無巖漿巖侵入現(xiàn)象。

由于地形起伏大，溝谷發(fā)育，河流、村莊的存在致使該區(qū)表層地質(zhì)條件較差，地形地貌如圖1所示。由于第四系黃土層或基巖風(fēng)化層結(jié)構(gòu)松散，巖性均一性差，使得淺部地震地質(zhì)條件也較差；區(qū)內(nèi)地層較平緩，煤層的密度、速度和其頂?shù)装鍑鷰r差異較大，可形成能量較強(qiáng)的反射波，是較好的反射界面，因此，中、深層地震地質(zhì)條件較好，具備地震勘探的前提。

圖1 勘探區(qū)地形地貌

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

(1) 數(shù)據(jù)采集。地震勘探使用Sercel 428XL高分辨數(shù)字地震儀，60 Hz數(shù)字檢波器，采用3串組合檢波器同坑，無組內(nèi)距組合方式。根據(jù)本區(qū)地震地質(zhì)條件和勘探目的，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇最佳的系統(tǒng)觀測(cè)參數(shù)、激發(fā)及接收參數(shù)等(見表1)，以獲取信噪比和分辨率較高的野外數(shù)據(jù)資料。本區(qū)地震勘探共完成探測(cè)線9條，物理點(diǎn)1665個(gè)。在測(cè)區(qū)黃土覆蓋區(qū)段井深為5～25 m，藥量為1～4 kg；基巖出露區(qū)段井深為2.5～3 m，藥量為1～2 kg，所有激發(fā)炮孔均進(jìn)行悶孔，以保證激發(fā)質(zhì)量。對(duì)于小于5 m的炮井采用埋井和壓土袋方法有效壓制面波、聲波和隨機(jī)干擾，提高信噪比。

為使CDP網(wǎng)格連續(xù)，在地表?xiàng)l件復(fù)雜、村莊建筑物等特殊地段通過適當(dāng)增加接收道數(shù)、改變偏移距；適當(dāng)增加激發(fā)炮數(shù)；或垂直測(cè)線適當(dāng)移動(dòng)、加密炮點(diǎn)的辦法改變觀測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)到觀測(cè)目的。

表1 地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置

(2) 數(shù)據(jù)處理。根據(jù)煤層采空區(qū)特征及可能存在的波場(chǎng)異常特征，資料處理的主要任務(wù)是正常煤系地層和采空區(qū)域地層的準(zhǔn)確成像，并保持正常煤層和采空層的波場(chǎng)特征。數(shù)據(jù)資料處理使用Sun Ultra 80工作站、GeovecturPlus地震數(shù)據(jù)處理軟件和Green V初至折射靜校正軟件，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行靜校正、地表一致性處理、球面擴(kuò)散及吸收衰減補(bǔ)償、精細(xì)速度分析、DMO疊加、去噪處理等多項(xiàng)處理，有效壓制干擾，提高信噪比和分辨率，增強(qiáng)反射信息，從而獲取能夠直接反映地下地質(zhì)信息的地震時(shí)間剖面。

3.3 解釋依據(jù)

正常情況下，煤層的反射系數(shù)0.3～0.5，在數(shù)值上與圍巖存在明顯差異，二者之間可形成一個(gè)良好的波阻抗反射界面，在地震波反射時(shí)間剖面上表現(xiàn)為一組連續(xù)的強(qiáng)反射波的同相軸。當(dāng)煤層被采空后，地震波遇到采空區(qū)或破碎帶時(shí)，由于衰減作用使波速減小，振幅降低，造成地下煤層反射層中斷，反射波波形變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變，反射波同相軸不可連續(xù)追蹤，跨越采空區(qū)后，反射波恢復(fù)。簡(jiǎn)而言之，煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)所表現(xiàn)出的地震波場(chǎng)特征為同相軸連續(xù)性較差，發(fā)生中斷；反射波能量強(qiáng)弱變化大；反射波形規(guī)律性差[6]。

3.4 地震資料解釋

圖2 L-a地震時(shí)間剖面

圖3 L-b地震時(shí)間剖面

將垂直時(shí)間剖面上能量強(qiáng)、信噪比高、連續(xù)性好、地震地質(zhì)層位明確的反射波定為標(biāo)準(zhǔn)反射波，勘探區(qū)T3波為山西組下部3#煤層的反射，T15波為太原組下部15#煤層的反射。從時(shí)間剖面的波場(chǎng)特征分析，L-a剖面中T3反射波前段能量強(qiáng)、連續(xù)性好，而在CDP 260～300號(hào)之間地震波散射嚴(yán)重，使地震波傳播路徑畸變、傳播能量損失嚴(yán)重，反射波的信噪比降低，波形特征變差，出現(xiàn)多組不連續(xù)的短反射波同相軸，推斷解釋為該處已采空并且塌陷；CDP 300號(hào)之后T3波反射零亂、頻率降低、振幅弱，顯然是原反射波波阻抗界面遭受破壞所造成的，由此解釋為采空區(qū)，見圖2。L-b剖面中T3反射波連續(xù)性好，在CDP 228～242號(hào)之間同相軸發(fā)生扭曲錯(cuò)動(dòng)，推斷為采空塌陷；而在CDP 278號(hào)之后T3波連續(xù)性差，反射零亂，解釋為3#煤部分被采空，見圖3。T15反射波能量強(qiáng)、連續(xù)性好，與T3反射波相互平行，由于地震波在采空區(qū)或塌陷位置頻率降低、振幅減弱，再經(jīng)15#煤層的反射波能量較弱，故在時(shí)間剖面上采空區(qū)下方的T15反射波同相軸不清晰。根據(jù)上述波組反射特征和地質(zhì)解釋依據(jù)，推斷3#煤層采空區(qū)(包括塌陷區(qū))2處，面積共計(jì)約0.43 km2。后經(jīng)核實(shí)驗(yàn)證，推斷解釋的結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

4 結(jié) 論

(1) 在地形起伏及地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇最佳的系統(tǒng)觀測(cè)參數(shù)、激發(fā)及接收參數(shù)是獲得高分辨率和信噪比地震反射波的必要前提。

(2) 采用靜校正、地表一致性處理、球面擴(kuò)散及吸收衰減補(bǔ)償、精細(xì)速度分析、DMO疊加、去噪等多項(xiàng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可有效壓制干擾，提高信噪比和分辨率，增強(qiáng)反射信息。

(3) 結(jié)合地震時(shí)間剖面波組反射特征和地質(zhì)解釋推斷出該煤礦采空區(qū)的位置及分布情況，同時(shí)還查明該區(qū)主采煤層的賦存情況，經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)推斷解釋結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

(4) 充分反映了地震反射波法在煤礦采空塌陷區(qū)探測(cè)方面的可行性和有效性，為地面安全及采空區(qū)治理提供可靠的技術(shù)支持，為礦井建設(shè)提供可靠的地質(zhì)資料。

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