煤田采空區(qū)RVSP地震響應特征及其判識研究＊

劉正銀張明晶王揚州邢濤潘冬明胡明順

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煤田采空區(qū)RVSP地震響應特征及其判識研究＊

劉正銀1，張明晶1，王揚州2，3，邢濤2，3，潘冬明4，胡明順4

（1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟南 250031；2.兗礦東華建設(shè)有限公司物探所，山東 濟寧 273500； 3.北京探創(chuàng)資源科技有限公司，北京 100071；4.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

地下隱性采空區(qū)由于資料缺失、私挖亂采等，無法確定其位置和邊界，給公路工程建設(shè)帶來了極大的安全隱患。地球物理勘探技術(shù)在采空區(qū)探測中具有重要的作用，但各種方法均存在一定的局限性。通過建立煤田采空區(qū)模型，采用有限差分數(shù)值模擬方法，在RVSP觀測方式下，研究了采空區(qū)的地震響應特征，分析總結(jié)了采空區(qū)在RVSP成像剖面上的對應波場特征，為實際RVSP探測中的采空區(qū)準確判識提供了依據(jù)。

煤田采空區(qū)；RVSP勘探；數(shù)值模擬；地震響應

1 引言

煤礦采空區(qū)分布往往是孤立、不連續(xù)、無規(guī)律可尋的，長期以來嚴重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，由于其形成年代、埋藏深度、空間結(jié)構(gòu)、圍巖條件、冒落、充填和積水情況都存在較大差異，因此不同采空區(qū)的物性差異也較大，給探測工作帶來困難[1]。地下隱性采空區(qū)由于資料缺失、私挖亂采等，無法確定其位置和邊界，給公路工程建設(shè)帶來了極大的安全隱患。而物探手段在采空區(qū)探測中越來越具有舉足輕重的作用，目前國內(nèi)外對于采空區(qū)的探測技術(shù)手段較多，各探測手段具有一定的效果，但也存在局限性，例如地質(zhì)雷達探測分辨能力強但深度有限且易受金屬物干擾；直流電法受接地條件和地形起伏影響較大；地面瞬變電磁法受地形及高壓電線影響嚴重，縱向分辨率較低；常規(guī)地震反射法探測采空區(qū)是基于連續(xù)均勻的、光滑的反射界面，而在采空區(qū)域，受采掘活動影響，反射界面受到破壞，采空區(qū)的大小、范圍不能得到直觀的體現(xiàn)[2-3]。

垂直地震剖面（Verticle seismic profile，VSP）是一種震探的觀測方法，逆向垂直地震剖面法（Reverse verticle seismic profile，RVSP）是對VSP方法的改進。相比VSP方法，RVSP采用井中激發(fā)地面接收的觀測方式，體現(xiàn)出來的優(yōu)勢包括：①數(shù)據(jù)采集接收系統(tǒng)要求低；②大面積高密度采集更容易實現(xiàn)；③有利于采用規(guī)則化觀測系統(tǒng)；④能量一致性更好；⑤地震數(shù)據(jù)頻帶更寬主頻更高；⑥數(shù)據(jù)采集成本更低；⑦規(guī)避了面波的產(chǎn)生。因此，對于上述煤炭資源開發(fā)過程中的勘探的高效低成本要求，RVSP觀測方式更具有優(yōu)勢。

近年來，RVSP觀測方法得到快速應用。美國煤礦安全與健康部與Zapata Engineering公司合作開展了煤礦采空區(qū)RVSP地震探測試驗研究（2006）。Hoekstra（2006）綜合運用RVSP和鉆孔聲納成像對煤礦采礦區(qū)進行有效探測。Yin etal（2014）采用多孔聯(lián)合的三維RVSP觀測方式，采用初至走時層析技術(shù)調(diào)查了煤礦采礦區(qū)，取得了較好的效果[4-5]。

本文將通過數(shù)值模擬的方法，研究了采空區(qū)的RVSP反射地震響應特征，用于在地震數(shù)據(jù)中識別采空區(qū)，從而提高基于RVSP資料的采空區(qū)探測精度，為采空區(qū)綜合治理提供可靠依據(jù)。利用研究結(jié)論，在實際應用中取得了較好的效果。

2 RVSP反射地震探測原理

采空區(qū)二維RVSP觀測系統(tǒng)如圖1所示，在井中激發(fā)地震波，地面布置檢波點測線，接收地下反射回地面的地震波信息。與地面地震類似，可以通過對接收到的反射波進行分析處理，從而獲得反映地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。但是，由于RVSP觀測系統(tǒng)的特殊性，其數(shù)據(jù)處理方法與地面地震數(shù)據(jù)處理有所不同，而采用疊前深度偏移方法，能夠準確獲得反映地下地質(zhì)信息的地震剖面。

圖1 采空區(qū)RVSP反射地震探測原理

3 采空區(qū)RVSP地震響應特征數(shù)值模擬

為提高采空區(qū)探測精度，建立了如圖2所示的采空區(qū)RVSP數(shù)值模型。煤層埋深為500 m，模型中包含兩處采空區(qū)，分別位于鉆孔的兩側(cè)，模型中的地層參數(shù)如圖2所示。地面100個檢波器接收，道距10 m，鉆孔中震源炮數(shù)為10炮，炮距為10 m。圖3所示為震源深度60 m的波場快照（240 ms）。從波場快照中可以看出，當?shù)卣鸩ㄓ龅讲煽諈^(qū)后，由于采空區(qū)頂部冒落帶影響，地震反射波散射嚴重，未形成能量較強的連續(xù)同相軸，這與煤層連續(xù)的地方形成的反射波不同。

圖2 采空區(qū)RVSP數(shù)值模型

圖3 采空區(qū)RVSP地震波傳播快照（240 ms）

根據(jù)圖2所示模型，利用有限差分數(shù)值模擬，對所得的模擬RVSP地震數(shù)據(jù)，采用疊前深度偏移的成像方法進行成像處理，處理結(jié)果如圖4所示。圖4中清晰地刻畫出了采空區(qū)的空間位置。由于采空區(qū)所在位置反射波能量弱，因此在成像剖面中，采空區(qū)的出現(xiàn)使得煤層的反射波連續(xù)性發(fā)生中斷。據(jù)此特征，可作為識別采空區(qū)的主要依據(jù)。此外，采空區(qū)所在之處，在煤層底板深的位置出現(xiàn)強能量反射同相軸，這是由于模型中的采空區(qū)底部是連續(xù)的，未考慮填充物的散色作用。實際采空區(qū)因內(nèi)部充填不均，其底部同樣具有較強的散射現(xiàn)象，而無法形成連續(xù)的強能量反射同相軸。圖5所示為采空區(qū)RVSP探測的一個實際例子，采空區(qū)位于虛線指定處，可見在采空區(qū)分布的地區(qū)，無連續(xù)的煤層反射波，且該區(qū)域波場復雜，屬于典型的具有不均勻充填、且冒落帶發(fā)育突出的采空區(qū)特征。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，研究了采空區(qū)的RVSP反射地震響應特征。研究結(jié)果表明：①利用RVSP觀測系統(tǒng)，可以有效獲得地下介質(zhì)的反射波信息，通過對RVSP數(shù)據(jù)的成像處理，在成像剖面中，采空區(qū)所在區(qū)域表現(xiàn)出無連續(xù)的反射波同相軸；②實際資料顯示采空區(qū)分布區(qū)域具有與模擬結(jié)果相同的特征，據(jù)此可用于有效判識采空區(qū)的分布特征，從而提高基于RVSP資料的采空區(qū)探測精度，為采空區(qū)綜合治理提供可靠依據(jù)。

圖4 數(shù)值模型疊前深度偏移成像剖面

圖5 采空區(qū)RVSP探測實例

［1］李娟娟，潘冬明，胡明順，等.煤礦采空區(qū)探測的幾種工程物探方法的應用［J］.工程地球物理學報，2009，6（6）：728-732.

［2］王立會，潘冬明，張興巖.三種探測煤層采空區(qū)的方法［J］.物探與化探，2008，32（3）：291-294.

［3］張華，潘冬明.探地雷達在探測煤礦采空區(qū)的應用［J］.能源技術(shù)與管理，2006（4）：6-8.

［4］徐紅利，潘冬明，李紅立.淺層地震勘探技術(shù)在探測公路采空區(qū)中的應用［J］.能源技術(shù)與管理，2008（3）：76-78.

［5］尹奇峰，潘冬明，于景邨，等.基于三維RVSP多孔聯(lián)合技術(shù)煤礦采空區(qū)的探測［J］.煤炭學報，2014，39（7）：1338-1344.

2095－6835（2019）07－0066－02

P631.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.066

山東省交通科技項目（編號：2016B32）

劉正銀（1965—），男，研究員，主要從事工程地質(zhì)勘查研究。

〔編輯：王霞〕