地震超前探測(cè)技術(shù)在老窯采空區(qū)探測(cè)中的模擬與應(yīng)用

王曉康， 路 拓

(1.西安科技大學(xué)煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院,西安 710054； 2.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054)

0 引言

礦井水害是制約煤礦安全、高效生產(chǎn)的重要因素，其中，采空區(qū)積水及廢棄老窯水已成為主要的突水水源[1]。近年來(lái)，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的小煤窯被整合或關(guān)閉。由于原來(lái)的礦井缺少相關(guān)的技術(shù)資料，且在礦井廢棄關(guān)閉過(guò)程中沒(méi)有系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)程和工程保護(hù)措施，導(dǎo)致廢棄礦井采掘空間的分布及水文地質(zhì)情況不明，導(dǎo)致后期采掘工作時(shí)常揭露老窯水。老窯水分布無(wú)規(guī)律、瞬間涌水量大、突發(fā)性強(qiáng)，易造成淹井和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì),采空區(qū)及廢棄的充水小煤窯水每年占煤礦總突水事故的80%左右。因此，查明老窯的分布位置和富水性對(duì)預(yù)防煤礦突水事故、保障煤礦高效生產(chǎn)具有重要意義[2-3]。

地球物理勘探技術(shù)在老窯采空區(qū)的探測(cè)中發(fā)揮著重要作用，三維地震、高密度電法、礦井瞬變電磁、地震反射波法、地質(zhì)雷達(dá)、直流電法超前探等技術(shù)均在一些地區(qū)取得的較好的應(yīng)用效果[4-8]。大量研究和實(shí)踐證明，巷道地震超前探測(cè)技術(shù)由于距離異常體近、不受地面條件的影響，受巷道內(nèi)環(huán)境影響相對(duì)較小，因此在掘進(jìn)巷道前方地質(zhì)異常構(gòu)造的超前預(yù)報(bào)中具有一定優(yōu)勢(shì)[9-10]。本文采用巷道地震超前探測(cè)技術(shù)對(duì)掘進(jìn)巷道前方的老窯采空區(qū)進(jìn)行探查，并對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證。

1 探測(cè)原理

礦井地震超前探測(cè)技術(shù)借鑒隧道地震超前預(yù)報(bào)技術(shù)(TSP)，是一種沿巷道布置震源和傳感器來(lái)探測(cè)巷道前方斷層、采空區(qū)、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)[11-12]。由于煤層的開(kāi)采和覆巖的破壞打破了地層橫向上的連續(xù)性，在巷道內(nèi)激發(fā)的地震波在遇到采空區(qū)時(shí)將產(chǎn)生反射，反射波被布置在巷道內(nèi)的檢波器接收。通過(guò)分析反射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征來(lái)探測(cè)巷道前方地質(zhì)異常的分布情況[13]。

圖1 礦井地震超前探測(cè)原理圖Figure 1 Illustrative diagram of mine seismic advance prospecting

圖1為地震超前探測(cè)原理示意圖，地質(zhì)異常界面傾角為θ，接收點(diǎn)到異常界面出露點(diǎn)(界面和測(cè)線(xiàn)的交點(diǎn))距離為h，波速為υ1；坐標(biāo)系原點(diǎn)在激發(fā)點(diǎn)O點(diǎn)，當(dāng)在偏移距為x的S點(diǎn)接收時(shí)，S點(diǎn)接收的直達(dá)波的射線(xiàn)路徑為OS，反射波的傳播路徑為OR+RS。

直達(dá)波的時(shí)距曲線(xiàn)為：

(1)

異常界面的反射波時(shí)距曲線(xiàn)：

(2)

根據(jù)余弦定理可得：

(3)

(4)

從圖中可以看出和地面反射地震勘探基于水平或緩傾角反射界面不同，巷道前方的地質(zhì)異常一般與巷道內(nèi)的地震測(cè)線(xiàn)呈陡傾角或垂直空間關(guān)系，因此表現(xiàn)負(fù)視速度時(shí)距特征。當(dāng)異常界面直立時(shí)(θ=90°)，

(5)

反射波時(shí)距曲線(xiàn)為一直線(xiàn)并呈現(xiàn)負(fù)速度(負(fù)斜率)特征，其延長(zhǎng)線(xiàn)和直達(dá)波時(shí)距曲線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)兩者的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為界面出露點(diǎn)位置。根據(jù)巷道前方反射波負(fù)視速度的特征，采用線(xiàn)性Radon變換技術(shù)進(jìn)行上下行波的分離，以此提取巷道前方反射波進(jìn)行偏移成像[14-15]。

2 采空區(qū)地震波場(chǎng)模擬

為研究采空區(qū)存在條件下，檢波器后置觀(guān)測(cè)系統(tǒng)地震波場(chǎng)的傳播特征，建立了采空區(qū)地震超前探測(cè)模型。模型尺寸400m×400m，巷道軸線(xiàn)位于模型z=200m位置，迎頭中心坐標(biāo)(160，200)處，巷道高度6m；采空區(qū)底面坐標(biāo)(190，200)～(290，200)，模擬采高6m，“兩帶”發(fā)育高度140m，采空區(qū)模型如圖2所示。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行了簡(jiǎn)化，作為真空處理，模型參數(shù)見(jiàn)表1[16]。

圖2 采空區(qū)地震超前探測(cè)模型Figure 2 Gob area seismic advance prospecting model

層位縱波速度/m·s-1橫波速度/m·s-1密度/kg·m-3頂板3 5002 0202 275巷道000底板3 5002 0202 275采空區(qū)1 5009001 970

根據(jù)炮檢互換原理， 地震超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集采用1炮激發(fā)、21道接收。炮點(diǎn)坐標(biāo)為x=110m, 最小偏移距距10m，道間距2m。 模擬震源選用主頻300Hz 的Ricker子波進(jìn)行彈性波模擬。圖3為不同時(shí)刻地震波的波場(chǎng)快照。

由于縱波(P波)、橫波(S波)的速度差異，P波、S波在時(shí)間上存在一定的時(shí)差。P波具有較高的速度，所以P波首先被布置在巷道內(nèi)的檢波器接收，到達(dá)采空區(qū)后在采空區(qū)邊界發(fā)生波的反射(P-P波)、透射并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波P-S波，如圖3(b)所示。隨后S波傳播至采空區(qū)邊界發(fā)生波的反射(S-S波)、透射并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波S-P波。

圖3 采空區(qū)模型地震波場(chǎng)快照Figure 3 Gob area model seismic wave field snapshots

圖4為采空區(qū)模型地震記錄，記錄中主要存在4組能量較強(qiáng)的波組：直達(dá)P波、直達(dá)S波、P-P反射波、S-S反射波。轉(zhuǎn)換波(P-S波、S-P波)能量較弱，在地震記錄上難以識(shí)別。圖中可以看出，P-P反射波、S-S反射波的斜率和直達(dá)波的斜率相反，距離震源遠(yuǎn)的檢波器反而先接收到迎頭前方異常界面的反射波，表現(xiàn)為負(fù)視速度特征。據(jù)此特征，采用τ-p域?yàn)V波或F-K域?yàn)V波均可實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)的分離。

圖4 采空區(qū)模型地震記錄Figure 4 Gob area model seismic records

3 探測(cè)實(shí)例

山西臨汾某礦井田內(nèi)2號(hào)煤層分布多處老窯采空區(qū)，該礦目前正在布置礦區(qū)中部二采區(qū)的主體巷道。根據(jù)前期對(duì)老窯的地質(zhì)調(diào)查和資料收集，在二采區(qū)膠帶大巷掘進(jìn)前方可能存在老窯采空區(qū)，但具體位置不詳。根據(jù)“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水細(xì)則， 采用巷道地震超前探測(cè)技術(shù)對(duì)二采區(qū)膠帶大巷附近的老窯采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，為巷道掘進(jìn)和防水煤柱的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

地震超前探測(cè)采用檢波器后置觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，共計(jì)布置激發(fā)點(diǎn)21個(gè)(P1～P21)、接收點(diǎn)2個(gè)(R1、R2)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖如圖5所示。探測(cè)采用200g乳膠炸藥作為震源，100Hz速度檢波器進(jìn)行三分量接收，激發(fā)點(diǎn)間隔2m、接收點(diǎn)間隔5m，最小偏移10m。

圖6為經(jīng)過(guò)帶通濾波、AGC、反射波提取、繞射掃描疊加偏移處理后的偏移成像圖，圖中紅色代表地震波正相位、藍(lán)色代表地震波負(fù)相位。探測(cè)當(dāng)日迎頭中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。從圖中可以看出，探測(cè)范圍內(nèi)主要存在兩組反射波：在迎頭附近由于巷道空腔和圍巖松動(dòng)圈的影響存在一組能量較弱的反射波；在巷道前方35米左右反射波能量強(qiáng)(R1)，推測(cè)該位置為老窯采空區(qū)。

圖5 地震超前探測(cè)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖Figure 5 A schematic diagram of seismic advance prospecting observation system layout

圖6 繞射掃描疊加偏移深度剖面Figure 6 Diffraction scanning stack migration depth section

根據(jù)地震超前探測(cè)解釋成果，對(duì)巷道前方異常界面R1進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，分別在迎頭和后方鉆場(chǎng)施工了4個(gè)超前探孔，鉆孔平面位置見(jiàn)圖7。鉆探結(jié)果表明，在迎頭前方30m左右出現(xiàn)噴孔、頂鉆現(xiàn)象，并伴隨著瓦斯的涌出，隨后鉆孔內(nèi)流出白色的水，渾濁且有異味，推測(cè)為廢棄老窯的采空區(qū)積水。鉆探異常解釋見(jiàn)表2，鉆探結(jié)果與物探探測(cè)成果吻合。

表2 鉆孔施工參數(shù)和異常統(tǒng)計(jì)

圖7 超前探鉆孔布置平面圖Figure 7 Advance prospecting boreholes layout plan

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬，研究了采空區(qū)模型的地震波場(chǎng)傳播特征，在檢波器后置觀(guān)測(cè)系統(tǒng)下，迎頭前方反射波表現(xiàn)為負(fù)視速度的傳播特征，據(jù)此可以分離、提取來(lái)自迎頭前方的反射波進(jìn)行偏移成像。實(shí)踐證明，巷道地震超前探測(cè)技術(shù)在老窯探測(cè)中具有較高的探測(cè)精度，能夠?yàn)殂@探的施工提供“靶區(qū)”。但是由于巷道尺寸的限制，極小偏移孔徑下繞射掃描疊加偏移成像容易出現(xiàn)“畫(huà)弧”現(xiàn)象，并未實(shí)現(xiàn)真實(shí)反射點(diǎn)的歸位，影響了成像的精度，有效的偏移成像方法還需進(jìn)一步研究。