非煤礦山采空區(qū)三維地震解釋技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例

袁興賦,虞永征,湯正江

（安徽省勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230031）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，非煤礦山開(kāi)采量越來(lái)越大，多數(shù)礦山由過(guò)去的散小亂狀態(tài)，逐漸轉(zhuǎn)化為規(guī)?；蚵短扉_(kāi)采，但過(guò)去開(kāi)采留下的眾多采空區(qū)，有的年份久遠(yuǎn)資料遺失，有的私采亂挖根本沒(méi)有資料可尋，有的透水坍塌造成礦難，給國(guó)家和社會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，這些采空區(qū)的存在成為后續(xù)礦山開(kāi)采人員、設(shè)備的重大安全隱患，而且嚴(yán)重影響開(kāi)采效率，因此查明非煤礦山采空區(qū)的分布、大小及其穩(wěn)定性，為下一步治理規(guī)劃及地質(zhì)災(zāi)害防治提供依據(jù)是十分必要的。

1 非煤礦山采空區(qū)特征及危害

將采空區(qū)以是否為煤礦來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，可分為煤礦采空區(qū)和非煤礦山采空區(qū)，非煤采空區(qū)是在非煤礦山由人為挖掘或水溶地下礦體產(chǎn)生的“空洞”。兩者顯注的區(qū)別是煤礦采空區(qū)成層狀，高度基本一致，空間形態(tài)相對(duì)規(guī)則，而非煤礦山采空區(qū)空間形態(tài)不規(guī)則，大小迥異，分布無(wú)規(guī)律，埋深差異大等特點(diǎn)，因此非煤礦山采空區(qū)的探測(cè)難度相對(duì)更大。

對(duì)于非煤礦山采空區(qū)勘測(cè)主要有兩個(gè)方面的地質(zhì)任務(wù)，一是查明隱伏非煤礦山采空區(qū)空間分布，二是評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性。由于我國(guó)早期礦山開(kāi)采秩序較為混亂，亂采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重，在一些礦山及其周邊留下了大量的采空區(qū)，這些采空區(qū)主要特征是隱伏性強(qiáng)、空間分布規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測(cè)等，使得對(duì)采空區(qū)的分布范圍、空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等難以量化評(píng)價(jià)，隨著礦山向深部開(kāi)采，地應(yīng)力增大，容易發(fā)生坍塌事故。尤其對(duì)地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采的礦山影響更大，早期地下開(kāi)采殘留的采場(chǎng)、硐室、巷道如不進(jìn)行及時(shí)處理，對(duì)地表作業(yè)的礦山工作人員和設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。已經(jīng)開(kāi)采或正在開(kāi)采的顯性采空區(qū)隨著開(kāi)采量的進(jìn)一步擴(kuò)大目前穩(wěn)定性狀態(tài)如何，頂板是否冒落，采空區(qū)是否充填，填充物和填充度如何，采空區(qū)狀態(tài)的了解是采取應(yīng)對(duì)措施的依據(jù)。目前使用三維地震技術(shù)對(duì)采空區(qū)的空間特征及其狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)，既而對(duì)具有潛在危害的采空區(qū)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)和治理取得較好的效果。

2 非煤采空區(qū)地震波場(chǎng)特征

2.1 非煤采空區(qū)地震時(shí)間剖面特征

煤礦采空區(qū)是在煤層反射波作為參照標(biāo)志，煤層波在多數(shù)地震剖面上具有較強(qiáng)反射，容易識(shí)別，當(dāng)煤層波突然局部變異、中斷、繞射波、空白段、低能量或反射波下沉等現(xiàn)象，可能都是煤礦采空區(qū)的反映，而非煤礦山采空區(qū)的地震時(shí)間剖面上的反射特征要遠(yuǎn)比煤礦采空區(qū)的地震反射特征復(fù)雜得多。首先是空間位置的不確定性，導(dǎo)致采空區(qū)在時(shí)間剖面上無(wú)參照可尋，多數(shù)非煤礦山礦層與圍巖之間并非突變波阻抗界面，而是一個(gè)波阻抗?jié)u變過(guò)度帶，有的時(shí)候礦體與圍巖波阻抗差異并不明顯（非煤礦山地震勘探的難點(diǎn)所在），依據(jù)地震反射原理，難以產(chǎn)生礦層參照反射波，當(dāng)?shù)V體被挖采后形成采空洞體 ，無(wú)論是空氣充填，還是水充填，亦或是其它松散物充填，都能在洞體圍巖與充填物之間形成較大的波阻抗差異界面，當(dāng)洞體大于第一菲涅爾帶半徑時(shí)，在地震時(shí)間剖面上出現(xiàn)有較強(qiáng)的反射波，依照洞體大小規(guī)模以及形狀差異，出現(xiàn)反射波的特征也有所不同，規(guī)模較小時(shí)往往只有幾道強(qiáng)反射波，水平層狀采空區(qū)呈條帶狀強(qiáng)波，球狀采空區(qū)呈弧狀強(qiáng)波，在疊加剖面上有明顯繞射波出現(xiàn)，偏移成象后繞射波得到收斂，在地震信噪比較高的剖面上多數(shù)容易識(shí)別，但在復(fù)雜礦區(qū)往往得到地震資料信噪比較低，局部構(gòu)造、礦體也能產(chǎn)生強(qiáng)反射的情況下，在解釋過(guò)程中首先要全面掌握和熟習(xí)礦區(qū)已知地質(zhì)構(gòu)造和采空區(qū)資料。其次要找出已知采空區(qū)在地震剖面中的表現(xiàn)特征，然后根據(jù)此特征再推測(cè)出末知采空區(qū)，依照這樣一個(gè)工作思路來(lái)分析解釋采空區(qū)，必要時(shí)可結(jié)合水平切片和地震屬性來(lái)進(jìn)行判別。

2.2 非煤采空區(qū)地震水平切片特征

三維地震水平切片可以直觀地反映采空區(qū)在不同高度的大小、位置和分布情況，理想的信噪比較高的地震資料采空區(qū)水平切片反射波呈水波汶狀，有多個(gè)暈圈，隨著時(shí)間變化大小也發(fā)生變化，直到消失，但在復(fù)雜礦區(qū)此種情況較為少見(jiàn)，多數(shù)表現(xiàn)為局部強(qiáng)振幅或局部弱振幅反映，視時(shí)間值不同而有所不同。

2.3 非煤采空區(qū)三維地震屬性特征

地震波屬性是疊前或疊后的地震數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換而得到的有關(guān)地震波動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的特征參數(shù)，是表征和研究地震數(shù)據(jù)內(nèi)部所包含的時(shí)間、振幅、頻率、相位以及衰減特征的指標(biāo)，稱(chēng)之為地震屬性。研究表明這些指標(biāo)度量值（地震屬性）與地下地層巖性、物質(zhì)成份以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，不同的地震屬性能夠表征不同地質(zhì)體的物性及構(gòu)造特征，在非煤礦區(qū)地震勘資料中就包含有采空區(qū)的地質(zhì)信息，利用有些地震屬性對(duì)采空區(qū)的地震波反射特征具有放大作用的功能，來(lái)有效識(shí)別采空區(qū)反射波，提高采空區(qū)的解釋精度。通過(guò)對(duì)GEFRAM、LANDMARKE、VVA三種解釋系統(tǒng)中提供的5大類(lèi)幾十種地震屬性的研究發(fā)現(xiàn)，地震波振幅類(lèi)屬性對(duì)采空區(qū)反應(yīng)較為敏感，其中最大最小振幅和均方根振幅屬性較為突出。另外一些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類(lèi)屬性效果也明顯，如螞蟻體、相干體、曲率體等，這些屬性的共同點(diǎn)就是對(duì)地質(zhì)體的地震反射特征具有放大作用，使我們更容易識(shí)別采空區(qū)異常。

3 應(yīng)用實(shí)例

安徽定遠(yuǎn)東興鹽礦首采區(qū)于1988年建井開(kāi)采，至今開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30年，期間發(fā)生了三次開(kāi)采溶腔地面塌陷，考慮到安全因素，大部分開(kāi)采井未達(dá)設(shè)計(jì)開(kāi)采資源量被迫停用。為充分利用資源，提高資源利用率，必須查明礦區(qū)地質(zhì)情況以及溶腔的開(kāi)采情況，為后續(xù)礦區(qū)開(kāi)采井設(shè)計(jì)布置提供依據(jù)，為此開(kāi)展三維地震勘查工作。本次勘測(cè)主要位于礦區(qū)西部（圖1）礦體中部礦層傾角較小，一般只有8～10°，礦體周邊的傾角較陡，巖層傾角30～40°，局部達(dá)80°（圖2）。

圖1 測(cè)區(qū)位置及構(gòu)造圖Figure 1. Location and structure of the surveyed area

礦區(qū)采用水溶開(kāi)采模式，主要有單井法和雙井連通法，不同開(kāi)采方式所產(chǎn)生的采空區(qū)形狀有所不同，單井法產(chǎn)生的采空溶洞呈梨形，而雙井連通法產(chǎn)生的采空溶洞亞啞鈴形，兩頭靠近井口位置采空溶洞較大，中間通過(guò)管狀通道聯(lián)結(jié)，隨著開(kāi)采時(shí)間加長(zhǎng)，使溶洞逐漸發(fā)展成為兩端呈半圓柱、中間成長(zhǎng)方形的槽狀溶洞。根據(jù)巖鹽的溶蝕規(guī)律，巖鹽的溶蝕以上溶為主，側(cè)溶次之，下溶緩慢；巖鹽溶腔是隨開(kāi)采進(jìn)程逐步發(fā)展擴(kuò)大，跨度逐漸增大，底板上開(kāi)始堆積不溶物；當(dāng)頂板所受的拉應(yīng)力達(dá)到頂板巖石強(qiáng)度極限，頂板就會(huì)發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂縫、冒落、垮陷。當(dāng)頂板大規(guī)模垮塌后，原來(lái)井下的溶腔堆積松散物。一旦溶腔破壞與地表溝通，就會(huì)出現(xiàn)地面冒鹵、沉降和塌陷。這里介紹幾個(gè)開(kāi)采不同時(shí)期的溶腔實(shí)測(cè)地震反射波特征，便于以后對(duì)此類(lèi)溶腔參考解釋。

圖2 測(cè)區(qū)I線(xiàn)地質(zhì)剖面圖Figure 2. Geological profile of survey area line I

（1）開(kāi)采早期。圖3僅開(kāi)采半年采空區(qū)，橫向擴(kuò)展已具一定規(guī)模，約35x15m長(zhǎng)寬大小，高度約10m左右，在地震剖面呈局部強(qiáng)波反射，不具有采空區(qū)形態(tài)上反映。

（2）開(kāi)采中期。圖4開(kāi)采5年以上采空區(qū)，呈標(biāo)準(zhǔn)梨形，采空寬度約100m，高度約80m，是規(guī)模較大的采空區(qū)，由于采空區(qū)頂界的上部是高阻抗的鹽巖和下部低阻抗的鹵水接觸關(guān)系，反射系數(shù)為負(fù)值，因此解釋采空區(qū)頂界時(shí)對(duì)應(yīng)反射波的負(fù)相位。

圖3 開(kāi)采早期采空區(qū)地震剖面Figure 3. Seismic profile of goaf in early mining period

圖4 開(kāi)采中期采空區(qū)地震剖面Figure 4. Seismic profile of goaf in the middle mining period

（3）開(kāi)采晚期。圖5開(kāi)采8年以上采空區(qū)，采空寬度達(dá)209×154m，頂板石膏層和其上覆泥巖在自然重力作用下向下彎曲張裂，被鹵水浸蝕后變得松散，然后逐層崩塌冒落，在采空區(qū)底部形成錐狀松散堆積物，形成底部錐形反射，上部已有約80m地層坍塌，如不即時(shí)采取措施將很快引起地面塌陷，我們將這一勘測(cè)結(jié)果即時(shí)告知礦方，礦方立即采取停采措施，四個(gè)月后又進(jìn)行一次重復(fù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)上部地層沒(méi)有進(jìn)一步坍塌，有效地阻止了一次地面塌陷事故，該采空區(qū)目前使用微地震方法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5 開(kāi)采晚期破頂采空區(qū)地震剖面Figure 5. Seismic profile of goaf with broken roof in late mining period

（4）已塌陷采空區(qū)。圖6采空寬度達(dá)121x160多米，是目前該礦區(qū)三個(gè)已經(jīng)塌陷采空洞體中的2號(hào)塌陷坑，此塌陷坑在塌陷之前我們采用二維地震方法進(jìn)行勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情后即時(shí)通報(bào)礦方，礦方接報(bào)后立即轉(zhuǎn)移地面設(shè)施，改變?cè)缙阡佋O(shè)的地面鹽鹵輸送管道，三個(gè)月后塌陷，由于預(yù)報(bào)準(zhǔn)確即時(shí)沒(méi)有給礦方造成重大損失。三維地震剖面顯示，塌陷坑邊界清晰，底部有一些雜亂反射為崩塌堆積物所致。

圖6 已塌陷采空區(qū)地震剖面Figure 6. Seismic profile of collapsed goaf

圖7 三維地震330ms水平切片F(xiàn)igure 7. Horizontal slice of 3D seismic profile at 330ms

圖8 T47波順層振幅均方根屬性Figure 8. Root mean square attribute of T47 wave bedding amplitude

（5）地震屬性分析，圖7為330ms水平切片，圖8為鹽巖頂板石膏層順層振幅均方根屬性圖。水平切片顯視整個(gè)測(cè)區(qū)呈半橢圓形洼陷構(gòu)造，北部被斷層切割，局部振幅變強(qiáng)或變?nèi)趸蜃兾蓙y為采空區(qū)反映，測(cè)區(qū)構(gòu)造和采空區(qū)十分清晰可分辨。順層振幅均方根屬性是沿某一反射層提取地震屬性，反映了某一地層地震波的變化情況，當(dāng)鹽巖頂板石膏層發(fā)生溶蝕、壓裂、崩塌時(shí)地震波的振幅、頻率、相位也隨之發(fā)生變化，從T47(頂板)順層振幅均方根屬性圖可以看出測(cè)區(qū)已有9個(gè)采空區(qū)破頂，東中部1、2、3三個(gè)為已塌陷區(qū)，中部4為圖5所述的半塌預(yù)警采空區(qū)，其它破頂采空區(qū)頂部崩塌高度不大，危害性次之，但也要密切關(guān)注其發(fā)展情況。從地震屬性圖上反映的采空區(qū)水波汶狀暈圈范圍要大于實(shí)際解釋范圍，這是因?yàn)榈卣鸩ǖ难苌渥饔盟鸬模欠系卣鸩碧皆?，解釋時(shí)通常以?xún)?nèi)圈圈定采空區(qū)平面投影范圍。

4 結(jié)論

非煤礦山采空區(qū)（或溶腔）三維地震解釋識(shí)別標(biāo)志：

（1）在時(shí)間剖面上反射波組中斷或能量變?nèi)?，在弱波中突然出現(xiàn)局部強(qiáng)反射。礦層反射波同相軸明顯終斷或能量變?nèi)酰渲袛帱c(diǎn)或能量變化位置即為采空或溶腔邊界的反映。

（2）地震波頻率的突變。在地震剖面上，采空區(qū)（或溶腔）處地震波的頻率突然降低，其頻率變化位置即為邊界的反映。

（3）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)（或溶腔）邊界。

（4）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。因此，在采空區(qū)（或溶腔）的礦層斷面反射段中斷點(diǎn)處（即斷陷點(diǎn)），可產(chǎn)生繞射波。

（5）在水平切片上有明顯的能量突變和能量擾動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，突變邊界即為在采空區(qū)（或溶腔）平面投影邊界。在振幅均方根屬性圖上出現(xiàn)水波汶狀暈圈反映，暈圈內(nèi)側(cè)邊界為采空區(qū)（或溶腔）邊界。