淺層地震勘探技術(shù)在老窯采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究

張小波，陳清通，牟 義，張永超，孫慶先

(1.榆林市能源局，陜西 榆林 719000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

榆林市是煤炭資源富集區(qū)，是國(guó)家規(guī)劃的大型煤炭建設(shè)基地之一[1]。早期的礦井主要采用資源回收率低、安全可靠性差的“房柱式”或“殘柱式”的炮采采煤方法，生產(chǎn)技術(shù)裝備水平低、生產(chǎn)工藝落后，以掘代采，采掘不分，管理粗放，遺留了大量采空懸頂區(qū)[2，3]。隨著關(guān)井壓產(chǎn)、資源整合、兼并重組的深入推進(jìn)，原老采空區(qū)所誘發(fā)的采空區(qū)塌陷、礦震、有毒有害氣體涌出、水害、火災(zāi)等問題成為困擾礦井安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要問題[4，5]。為查清礦井采空區(qū)分布范圍，以及水、火、采空區(qū)懸頂和塌陷等安全隱患情況，進(jìn)一步預(yù)防、控制采空區(qū)引發(fā)的災(zāi)害，為采空區(qū)治理提供科學(xué)依據(jù)[6，7]，張三溝礦采用淺層地震法對(duì)采空區(qū)探測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)成果，采用物探先行、鉆探驗(yàn)證的綜合手段查明了井田范圍內(nèi)的2-2煤層采空區(qū)分布狀況。

1 淺層地震探測(cè)原理與方法

淺層地震勘探是通過人工激發(fā)的彈性波在地殼內(nèi)傳播，以此來探查地質(zhì)構(gòu)造。由震源激發(fā)的彈性波，從激發(fā)點(diǎn)開始，逐漸向外傳播擴(kuò)散，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ膫鞑ビ龅綇椥越橘|(zhì)不同的界面，界面對(duì)地震波產(chǎn)生反射作用，如圖1所示。采用高精度檢波器將由界面反射的彈性波產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ傻卣鹂碧綔y(cè)試儀經(jīng)過濾波、放大作用后，把信號(hào)記錄下來。對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋，以此推算不同地層分界面的埋藏深度以及產(chǎn)狀、構(gòu)造等。淺層地質(zhì)勘探技術(shù)常用于探測(cè)埋藏較淺煤層、采空區(qū)、火燒區(qū)、覆蓋層或風(fēng)化殼的厚度，確定斷層破碎帶[8，9]。

式中，φ為界面傾角，(°)；h為界面法線深度，m；v為波速，m/s；x為炮檢距，m；t為傳播時(shí)間，s。

圖1 淺層二維地震激發(fā)與接收

由于淺層地震探測(cè)深度較小，要求分辨率高，因此除要求震源有適當(dāng)?shù)哪芰?、安全可靠和便于使用外，往往還要求采用能產(chǎn)生較高頻率成分的震源。常用的震源有：錘擊震源、雷管和炸藥震源、地震槍震源、電火花震源等，此外還有一種振動(dòng)頻率范圍和震動(dòng)持續(xù)時(shí)間可以調(diào)節(jié)的可控震源，以及用于產(chǎn)生橫波和面波的各種專用震源等。檢波器是把地震波到達(dá)地面后將微弱振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的換能裝置，用于接受反射地震波。

2 試驗(yàn)工作

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

野外試驗(yàn)的根本目的是檢驗(yàn)擬定的勘查方法的有效性，并對(duì)待定的參數(shù)進(jìn)行合理選擇，確定最佳的方法和施工參數(shù)。為了獲得測(cè)區(qū)內(nèi)全面而準(zhǔn)確的第一手資料和野外的各項(xiàng)施工參數(shù)，保證野外施工質(zhì)量，更好的完成本次地震勘探，在正式探測(cè)前要進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)本次勘查地質(zhì)任務(wù)的要求，并結(jié)合工作區(qū)地震地質(zhì)條件，本區(qū)設(shè)計(jì)1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，4條試驗(yàn)線，通過試驗(yàn)獲得適合本區(qū)最佳的施工參數(shù)。試驗(yàn)工作安排在勘探區(qū)東部離大路較近的地段，試驗(yàn)工作包括試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)和試驗(yàn)線試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)位于郭家灣地震測(cè)線D13線764樁號(hào)上，試驗(yàn)線1、試驗(yàn)線2位于DF13線(激發(fā)樁號(hào)604～756，接收樁號(hào)476～880)，試驗(yàn)線3、試驗(yàn)線4位于DF12線(激發(fā)樁號(hào)762～850，接收樁號(hào)698～912)。試驗(yàn)工作采用法國(guó)產(chǎn)428LITE數(shù)字地震儀，在正式施工前對(duì)儀器進(jìn)行年檢、月檢、日檢并且均合格。對(duì)檢波器進(jìn)行道一致性檢查，要求其精度滿足《煤炭煤層氣地震勘探規(guī)范》及設(shè)計(jì)要求。

圖2 夯重激發(fā)條件下垂疊次數(shù)試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)效果

激發(fā)方式采用夯重激發(fā)的單點(diǎn)單炮試驗(yàn)，記錄如圖2所示，其中，圖2(a)—圖2(f)疊加次數(shù)分別為12次，14次，……，22次(每2次為一個(gè)試驗(yàn)單位)，對(duì)夯重激發(fā)條件下的各類疊加次數(shù)頻率、信噪比和能量的振幅參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

激發(fā)方式采用人工錘擊激發(fā)的單點(diǎn)單炮試驗(yàn)記錄如圖4所示，其中，圖4(a)—圖4(e)疊加次數(shù)分別為14次，16次，……，22次(每2次為一個(gè)試驗(yàn)單位)，對(duì)人工錘擊激發(fā)條件下的各類疊加次數(shù)頻率、信噪比和能量的振幅參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。

通過不同激發(fā)方式、不同單點(diǎn)垂疊次數(shù)單炮、能量、道集間頻率、信噪比估算等不同手段綜合分析，夯重激發(fā)單點(diǎn)垂疊次數(shù)采用14次或16次綜合效果較好；人工錘擊激發(fā)單點(diǎn)垂疊次數(shù)采用16次或18次綜合效果較好。

圖3 夯重激發(fā)條件下分析對(duì)比

圖4 人工錘擊激發(fā)條件下垂疊次數(shù)試驗(yàn)

2.3 試驗(yàn)線試驗(yàn)效果

在初步確定激發(fā)因素試驗(yàn)效果的基礎(chǔ)上，采用上述激發(fā)方式布置了4條試驗(yàn)線，以驗(yàn)證試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)的成果。試驗(yàn)線1為4m道距接收，采用夯重激發(fā)方式激發(fā)；試驗(yàn)線2為4m道距接收，采用人工錘擊激發(fā)方式激發(fā)；試驗(yàn)線3為2m道距接收，采用夯重激發(fā)方式激發(fā)；試驗(yàn)線4為2m道距接收，采用人工錘擊激發(fā)方式激發(fā)。試驗(yàn)線1—4線的疊加剖面圖分別如圖6所示。

通過4條試驗(yàn)線初步疊加剖面分析：2m和4m道距接收，夯重激發(fā)目的煤層對(duì)應(yīng)反射波連續(xù)性較好，頻率相對(duì)較高；人工錘擊激發(fā)目的煤層對(duì)應(yīng)反射波連續(xù)性相對(duì)較差，頻率相對(duì)較低；采用夯重激發(fā)，2m道距目的煤層對(duì)應(yīng)反射波頻率相對(duì)較高。

圖5 人工錘擊激發(fā)條件下分析對(duì)比

圖6 試驗(yàn)線1—4線的疊加剖面圖

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

在地形較為平坦的區(qū)域(夯重設(shè)備可以到達(dá)的區(qū)域)，采用夯重激發(fā)，單點(diǎn)垂疊次數(shù)為14次或16次，4m道間距接收；在地形復(fù)雜的區(qū)域，采用人工錘擊激發(fā)方式，單點(diǎn)垂疊次數(shù)為16次或18次，2m道間距接收。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

榆林市府谷縣張三溝礦位于陜西省榆林市府谷縣城西北50km處，由3個(gè)小煤礦資源整合而成。目前礦井生產(chǎn)能力為1.2Mt/a，開采深度標(biāo)高為+1240～+1155m，井田面積為14.3629km2。該礦礦井西部原2-2煤采空區(qū)邊界不明；礦井井田東南部區(qū)域，資源整合前兩座煤礦形成的采空區(qū)分布范圍不明，均會(huì)影響到礦井工作面的布置。為查明采空區(qū)的分布及范圍，在劃定的1.2162km2的區(qū)域內(nèi)采用淺層二維地震勘探技術(shù)對(duì)2-2煤采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。

3.2 探測(cè)設(shè)計(jì)

探測(cè)區(qū)地層傾角較小，2-2號(hào)煤層平均埋深約90m，最大埋深約101m。將上述試驗(yàn)結(jié)論用于本次現(xiàn)場(chǎng)施工中，采用夯重設(shè)備激發(fā)，選用接收道距4m，CDP點(diǎn)距2m，采用16次錘疊次數(shù)，檢波器組合方式為檢波器3個(gè)串聯(lián)，挖坑埋置。

最大炮檢距Xmax要考慮目的層埋深、動(dòng)校正拉伸、分辨率、折射波的干涉等因素，本次取Xmax=160m。最小炮檢距Xmin取決于最大炮檢距以及聲波、面波發(fā)育情況及目的層埋深等諸多因素，根據(jù)本區(qū)情況來，取Xmin=4m。綜上所述本次淺層二維地震系統(tǒng)的觀測(cè)參數(shù)見表1，觀測(cè)系統(tǒng)如圖7所示，其中，80道接收，中間激發(fā)。

表1 施工參數(shù)

圖7 觀測(cè)系統(tǒng)

3.3 施工布置

本次淺層二維地震勘探工作主測(cè)線間距不大于160m，每平方公里物理點(diǎn)不低于667個(gè)，依此為依據(jù)，共布置地震測(cè)線8條，測(cè)線總長(zhǎng)9376m，生產(chǎn)物理點(diǎn)1167個(gè)，獲得生產(chǎn)記錄1167張，剖面總長(zhǎng)8534m，測(cè)線布置如圖8所示。

圖8 測(cè)線布置(m)

3.4 成果解釋

勘探區(qū)主要查明2-2煤層采空區(qū)賦存情況，本次地震時(shí)間剖面主要表現(xiàn)為以下幾種情況：推斷賦煤區(qū)域表現(xiàn)為2-2煤層對(duì)應(yīng)同向軸較為穩(wěn)定，連續(xù)性較好，在地震剖面解釋圖上以線框圈出；異常區(qū)(推斷采空區(qū))表現(xiàn)為煤層反射波突然消失或反射波非常凌亂、沒有成層跡象，在地震剖面解釋圖上以線框圈出。異常區(qū)(疑似采空區(qū))煤層對(duì)應(yīng)反射波較為凌亂、扭曲，局部地段煤層對(duì)應(yīng)反射波減少，偏重于局部地段采空或煤層變化。煤層結(jié)構(gòu)變化區(qū)煤層對(duì)應(yīng)反射波與正常地層對(duì)應(yīng)反射波存在明顯區(qū)別，但仍有成層痕跡，排除采空區(qū)的可能性，可能是煤厚、夾矸變化或存在構(gòu)造現(xiàn)象引起。DZ3測(cè)線局部探測(cè)成果如圖9所示。

圖9 DZ3測(cè)線局部探測(cè)成果

通過分析測(cè)區(qū)內(nèi)地下煤層的開采條件，主要包括開采方法、現(xiàn)有已知井下開采開拓布局、采空區(qū)分布情況等，根據(jù)掌握的地質(zhì)、開采條件對(duì)探測(cè)成果剖面的電阻率分布特征和地震同相軸特征進(jìn)行正確的地質(zhì)解釋，基本查明了勘探區(qū)內(nèi)2-2煤采空區(qū)分布范圍。綜合解釋異常區(qū)3處，如圖10所示，其中，2處為推斷采空區(qū)，1處推斷為煤層結(jié)構(gòu)變化區(qū)。異常區(qū)1(推斷采空區(qū)I)：位于物探測(cè)區(qū)北部，1號(hào)鉆孔與2號(hào)鉆孔連線以東區(qū)域采空面積約0.2702km2；異常區(qū)2(推斷采空區(qū)II)：位于物探測(cè)區(qū)東部邊界附近，面積約0.0644km2；煤層結(jié)構(gòu)變化區(qū)位于測(cè)區(qū)東部，面積約0.0378km2。

圖10 探測(cè)成果

3.5 鉆探驗(yàn)證

為驗(yàn)證探測(cè)區(qū)淺層二維地震的探測(cè)成果的準(zhǔn)確性，在探測(cè)采空區(qū)施工5個(gè)鉆孔(施工參數(shù)見表2)。根據(jù)鉆孔揭露情況可知，1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)及5號(hào)鉆孔均揭露2-2煤采空區(qū)，2號(hào)鉆孔未揭露采空區(qū)主要是由于原有房柱式采空區(qū)回采率較低，煤柱留設(shè)不規(guī)范，可能打到遺留煤柱上?？傮w驗(yàn)證效果較好，表明淺層二維地震可有效探測(cè)淺部采空區(qū)。

表2 鉆孔施工參數(shù)

4 結(jié) 論

1)通過對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化了激發(fā)震源、垂疊次數(shù)、道間距等施工參數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)夯重激發(fā)單點(diǎn)垂疊次數(shù)采用14次或16次綜合效果較好；人工錘擊激發(fā)單點(diǎn)垂疊次數(shù)采用16次或18次綜合效果較好；經(jīng)過試驗(yàn)線試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2m和4m道距接收，夯重激發(fā)目的煤層對(duì)應(yīng)反射波連續(xù)性較好，頻率相對(duì)較高，而人工錘擊激發(fā)目的煤層對(duì)應(yīng)反射波連續(xù)性相對(duì)較差，頻率相對(duì)較低，因此，采用夯重激發(fā)，2m道距目的煤層對(duì)應(yīng)反射波頻率相對(duì)較高。

2)根據(jù)榆林礦區(qū)的地質(zhì)條件，結(jié)合優(yōu)化參數(shù)，采用淺層二維地震地球物理勘探方法對(duì)張三溝礦2-2煤采空區(qū)的分布情況進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)面積為1.2162km2，布置測(cè)線8條，測(cè)線總長(zhǎng)9376m，共探測(cè)出2處為采空區(qū)，1處為煤層結(jié)構(gòu)變化區(qū)。并通過地面鉆孔對(duì)物探成果進(jìn)行了驗(yàn)證，表明淺層地震可有效探測(cè)采空區(qū)，物探成果可靠，可為采空區(qū)的普查、治理提供依據(jù)。