地震頻率諧振技術(shù)在深埋煤層采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

朱聰聰，李 海

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 引 言

煤層采空區(qū)在鐵路施工和運(yùn)營(yíng)安全中存在重大隱患，鐵路選線時(shí)一般盡量繞避，當(dāng)必須通過(guò)時(shí)，應(yīng)該查明其地質(zhì)及空間展布特征，對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)并提出工程措施意見(jiàn)[1-2]。因此，對(duì)煤層采空區(qū)的分布規(guī)律、規(guī)模、埋深等情況的探測(cè)尤為重要[3-7]。目前國(guó)內(nèi)在探測(cè)采空區(qū)方面開(kāi)展了大量的地球物理方法和勘探設(shè)備的研究工作，并取得了顯著成果。例如，牟義等[8]以鄂爾多斯范家村煤礦為工程背景，采用高密度電法對(duì)淺埋采空區(qū)精細(xì)探測(cè)體系進(jìn)行了研究；徐曉培[9]采用瞬變電磁法對(duì)某煤礦采空區(qū)的分布特征進(jìn)行了探測(cè)；王延濤等[10]在山西中南部鐵路勘察期間，曾嘗試電磁法對(duì)潞安北礦區(qū)內(nèi)峪里、掩村村辦小煤礦的采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，但工區(qū)附近由于電磁信號(hào)干擾嚴(yán)重導(dǎo)致效果較差。在深埋煤層采空區(qū)[11-13]，常規(guī)的物探手段受限于抗干擾能力弱、縱向分辨率低等問(wèn)題，效果并不太理想，故本次針對(duì)川東地區(qū)深埋煤層采空區(qū)探測(cè)，采用新型物探手段地震頻率諧振技術(shù)，分析研究采空區(qū)的地球物理特征，進(jìn)而查明其空間展布特征。

2 工區(qū)概況

線路段內(nèi)以沉積巖類(lèi)為主，第四系土層較薄，且零星分布，基巖出露相對(duì)較好。工區(qū)地層自上而下依次為第四系地層粉質(zhì)黏土，局部夾含較多崩坡積塊、碎石和角礫，厚約5 m；下伏侏羅系粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，厚約300～400 m；三疊系粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤層組成，為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，厚約500 m。根據(jù)已有井田勘探報(bào)告和煤礦揭露，隧道區(qū)內(nèi)可采和局部可采煤層共計(jì)5層，賦存于須家河組第七段(T3xj7)的有K25、K24、K23、外連和內(nèi)連煤層，其中K25、K23、外連和內(nèi)連煤層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層，本次主要對(duì)隧道及兩側(cè)圍護(hù)帶寬度下伏最下一層煤層(內(nèi)連)邊界角圈定區(qū)域(兩側(cè)寬度約300 m范圍內(nèi))內(nèi)的煤礦采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)和評(píng)價(jià)，本次物探工作的主要目的是查明工區(qū)內(nèi)采空區(qū)的大小及范圍、采空區(qū)塌陷范圍及邊界等情況。

3 工作原理及方法

3.1 方法原理

地震波頻率諧振勘探技術(shù)[14-20]是近幾年提出的一種新興物探方法。該方法利用自然界廣泛存在的頻率諧振原理來(lái)進(jìn)行地震勘探，獲得地下地質(zhì)體的幾何、屬性特征。自然界每一種物體都有自身的固有頻率，地下介質(zhì)也完全一樣，當(dāng)其受到振動(dòng)，且振動(dòng)頻率與自身固有頻率相當(dāng)時(shí)，介質(zhì)將發(fā)生自激，外界輸入的震動(dòng)振幅將被放大，圖1為地震波典型共振圖。地震波也存在諧振特征，地震波頻率諧振勘探技術(shù)就是基于諧振原理，通過(guò)自然界噪聲采集、處理、成像，達(dá)到對(duì)地下介質(zhì)的探測(cè)目的。該方法具有以下幾種特點(diǎn)：

圖1 地震波典型共振曲線Fig.1 Typical resonance of seismic waves

1)不受地震波初至影響，避免了初至拾取造成的誤差；

2)抗干擾能力很強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜地表情況有更強(qiáng)的適應(yīng)性；

3)對(duì)密度變化敏感；縱向和橫向分辨率很高；勘探深度大，最大勘探深度可達(dá)50 km；

4)可以進(jìn)行無(wú)源方式采集和數(shù)據(jù)處理；

5)作業(yè)簡(jiǎn)單快速，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

鑒于本次探測(cè)煤層埋深超-300 m，上覆厚層碎屑巖，且區(qū)內(nèi)電磁干擾較大。地層存在波阻抗差異，如煤層一般呈低速度、低密度的物性特征。當(dāng)煤層被開(kāi)采后，頂板巖石垮落、破碎、產(chǎn)生裂隙變形，會(huì)造成圍巖速度和密度發(fā)生變化，與完整基巖有明顯的速度、密度差異，存在明顯的波阻抗特征，在波阻抗剖面上表現(xiàn)為連續(xù)性變差等現(xiàn)象。測(cè)區(qū)具有開(kāi)展地震波頻率諧振勘探法的地球物理前提。因此，本次物探方法選用地震波頻率諧振勘探法。

3.2 工作方法

本次地震波頻率諧振勘探選用北京派特森科技股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)PSG-PAQ-001的采集站及頻率成像儀，頻帶寬度為0.05～150 Hz， 該設(shè)備是一種寬頻帶、微功耗地震儀；施工前進(jìn)行道間一致性試驗(yàn)，保證各道間幅度一致性小于5 %，道間相位差小于0.1 ms；點(diǎn)距5 m，采集時(shí)長(zhǎng)不低于40 min，共對(duì)3條橫測(cè)線合計(jì)1 930 m 長(zhǎng)度進(jìn)行了地震波頻率諧振探測(cè),測(cè)線布置以盡可能垂直隧道兩側(cè)煤礦采空區(qū)調(diào)查邊界為原則，以探測(cè)影響隧道施工安全的采空區(qū)范圍(兩側(cè)寬度約300 m)為目的。測(cè)線示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 橫測(cè)線布置示意圖Fig.2 Diagram of horizontal survey line layout

4 數(shù)據(jù)處理與資料解釋

4.1 數(shù)據(jù)處理

地震波頻率諧振勘探法利用S波諧振頻率對(duì)地下介質(zhì)波阻抗變化的敏感性完成地下一定深度的地質(zhì)體成像。地下某介質(zhì)波阻抗率對(duì)應(yīng)某一特定的地震諧振頻率。分析諧振頻率可以同時(shí)獲得地下介質(zhì)位置和波阻抗率(或稱梯度)信息。

數(shù)據(jù)處理采用派特森公司地震波頻率諧振勘探數(shù)據(jù)處理PSGBench軟件系統(tǒng)，具體流程如下：

1)外業(yè)采集的地下介質(zhì)響應(yīng)信號(hào)形成地震波頻率諧振勘探時(shí)間序列數(shù)據(jù)；

2)對(duì)采集的地震波頻率諧振勘探時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；

3)將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)波場(chǎng)分析后通過(guò)傅里葉變換形成頻率域數(shù)據(jù)；

4)對(duì)頻率域數(shù)據(jù)的各分量進(jìn)行多次疊加，獲得多次疊加數(shù)據(jù)；

5)對(duì)疊加后的頻率域數(shù)據(jù)進(jìn)行噪音壓制和磨光處理；

6)對(duì)頻率域數(shù)據(jù)進(jìn)行諧振遴選和深度分析即可得到整個(gè)探測(cè)剖面的S波波阻抗圖。

4.2 資料解釋原則

工區(qū)地層巖性反應(yīng)出的波阻抗分布范圍較大，從幾百kg/(m2·s)到三千多kg/(m2·s)不等。根據(jù)物探反演結(jié)果結(jié)合地質(zhì)資料，推測(cè)工區(qū)巖層及目的層的波阻抗對(duì)應(yīng)關(guān)系可知：①泥質(zhì)砂巖、泥巖、砂巖的波阻抗范圍為1 400～1 900 kg/(m2·s)； ②煤層及煤層采空區(qū)的波阻抗范圍為800～1 500 kg/(m2·s)。

煤層采空區(qū)在地震上的地球物理特征主要取決于采空區(qū)與圍巖之間的速度及密度差異(波阻抗差異)。采空區(qū)由于其周?chē)鷰r石多為脆性，因此在采空冒落帶內(nèi)通常為碎石、空氣和水充填，新形成的采空區(qū)一般存在波阻抗低值。裂隙帶、彎曲帶由于巖石所受應(yīng)力的變化，導(dǎo)致在此兩帶內(nèi)的巖石多呈疏松狀，其速度、密度有所降低。煤系地層多夾軟弱巖層，相對(duì)完整巖層，呈現(xiàn)低阻波阻抗反應(yīng)帶，波阻抗異常比較明顯。

4.3 探測(cè)成果解釋與分析

對(duì)上述三條橫測(cè)線成果進(jìn)行分析和解釋?zhuān)斠?jiàn)表1，反演成果圖見(jiàn)圖3～圖5。

表1 橫測(cè)線成果解釋

圖3 橫測(cè)線1地震頻率諧振反演剖面Fig.3 Inversion profile of seismic frequency resonance on horizontal line 1

圖4 橫測(cè)線2地震頻率諧振反演剖面Fig.4 Inversion profile of seismic frequency resonance on horizontal line 2

圖5 橫測(cè)線3地震頻率諧振反演剖面Fig.5 Inversion profile of seismic frequency resonance on horizontal line 3

5 鉆探深度標(biāo)定與物性驗(yàn)證

為了進(jìn)一步對(duì)成果的深度進(jìn)行標(biāo)定與物性驗(yàn)證，在測(cè)線范圍內(nèi)鉆了8個(gè)孔，文中取3個(gè)鉆孔進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

1)橫測(cè)線1中W1-29測(cè)點(diǎn)位置，鉆孔編號(hào)D3Z3-CTLS3：在巖芯496～500 m段揭露外連煤層，且頂?shù)装鍨楹诨疑鄮r，巖芯呈碎塊及柱狀，與反演剖面圖中的層狀低波阻抗區(qū)域?qū)?yīng)較好；

2)橫測(cè)線2中W2-107測(cè)點(diǎn)位置，鉆孔編號(hào)A1Z1-SNZW2：在巖芯305～309 m段揭露煤層采空區(qū)，巖芯破碎。而反演剖面圖中在該深度附近表現(xiàn)為等值線雜亂、低波阻抗值，物探推測(cè)為煤層采空區(qū)冒落巖層破碎區(qū)，物探和鉆探結(jié)果對(duì)應(yīng)較好；

3)橫測(cè)線3中W3-7測(cè)點(diǎn)位置，鉆孔編號(hào)A1Z1-SNZW7：在巖芯288～292 m段揭露K24煤層，頂?shù)装鍨楹诨疑鄮r，巖芯呈碎塊及柱狀，與反演剖面圖中的層狀低波阻抗區(qū)域?qū)?yīng)較好。

圖6 D3Z3-CTLS3鉆孔巖芯圖片(496～500 m)Fig.6 Porous core image of D3Z3-CTLS3(496～500 m)

圖7 A1Z1-SNZW2鉆孔巖芯圖片(305～309 m)Fig.7 Porous core image of A1Z1-SNZW2(305～309 m)

圖8 A1Z1-SNZW7鉆孔巖芯圖片(288～292 m)Fig.8 Porous core image of A1Z1-SNZW7(288～292 m)

6 結(jié) 論

1)地震波頻率諧振勘探技術(shù)效率高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，抗干擾能力強(qiáng)，勘探深度大，橫向和縱向分辨率高，尤其對(duì)煤系地層反映靈敏，呈明顯的低波阻抗特征，可以較準(zhǔn)確地確定煤層采空區(qū)的大小及范圍、采空區(qū)塌陷范圍及邊界等情況。

2)地震波頻率諧振勘探技術(shù)在數(shù)據(jù)建模反演中，應(yīng)該充分結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪、鉆探等地質(zhì)信息，做到物探和鉆探相互驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)模型的不斷修正，獲得更趨近于真實(shí)的地層信息。