微動(dòng)一字形臺陣應(yīng)用于煤礦陷落柱探查

＊楊樂宇

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高陽煤礦 山西 032302）

前言

山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高陽煤礦地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造異常體發(fā)育，陷落柱、斷層等隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素嚴(yán)重影響工作面的安全掘進(jìn)與回采，需要采用相應(yīng)技術(shù)手段對其有效探測。微動(dòng)探測[1]技術(shù)屬于無源地震勘探技術(shù)方法的一種，該方法是在背景噪聲成像研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其利用地球本身的微弱振動(dòng)作為信號源，該方法不受野外強(qiáng)電磁環(huán)境、人文工業(yè)活動(dòng)的干擾，其無需主動(dòng)震源，因此對地面環(huán)境沒有損害；并且微動(dòng)信號在地球表面無處不在，使用起來不受區(qū)域限制，該技術(shù)理論在基巖地質(zhì)調(diào)查、城市活斷層探測、地基勘察、地鐵工勘、煤礦采區(qū)構(gòu)造探測、地?zé)峥碧降阮I(lǐng)域均取得了很好的應(yīng)用效果。文章通過在高陽礦選定勘探區(qū)域，對下組煤陷落柱的發(fā)育區(qū)域進(jìn)行探測應(yīng)用，經(jīng)過微動(dòng)觀測臺陣[2]試驗(yàn)，選定一字形臺陣進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，以確定能否對陷落柱[3]進(jìn)行有效探測。

1.微動(dòng)方法原理[4]

微動(dòng)利用的是地球表面微小的天然振動(dòng)，主要包括大自然中的火山、風(fēng)動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)、潮汐等運(yùn)動(dòng)及人文活動(dòng)中的機(jī)械振動(dòng)、道路交通活動(dòng)中的各種振動(dòng)。微動(dòng)是由包括縱波、橫波、瑞雷波和勒夫波等各種地震波組成的復(fù)雜振動(dòng)，其中面波能量為主導(dǎo)，占地震波能量中的70%以上，微動(dòng)中存在的面波特征信息與地層中的各種介質(zhì)密切相關(guān)，在實(shí)際勘探應(yīng)用中最經(jīng)常用的為瑞雷面波。

瑞雷面波存在頻散特性，其在地下介質(zhì)中傳播時(shí)波速隨著頻率的變化而變化，微動(dòng)地震信號具有振幅、頻率隨時(shí)間、空間的變化而發(fā)生變化的特點(diǎn)。微動(dòng)探測方法是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，利用空間自相關(guān)（SAC）法從微動(dòng)信號提取瑞雷面波的頻散曲線，通過計(jì)算出波速在垂直上的分布，依據(jù)不同時(shí)代不同巖性地層的波速差異，即可推測出地下各種地層的分布情況。微動(dòng)探測的技術(shù)特點(diǎn)主要如下：

（1）信號的普遍與及時(shí)性：地球表面和內(nèi)部在任何地點(diǎn)任何時(shí)間都存在微小的振動(dòng)；

（2）信號的隨機(jī)性：微動(dòng)中振動(dòng)動(dòng)源的觸發(fā)時(shí)刻時(shí)間、空間分布位置及能量強(qiáng)度都是隨機(jī)的；

（3）信號來源的不確定性：在單一固定的接收位置，微動(dòng)地震波的來向一般不能確定；

（4）低頻：微信信號的頻率一般比較低，在0.3～ 5.0Hz之間。

2.微動(dòng)臺陣試驗(yàn)

在工業(yè)性試驗(yàn)測區(qū)附近布置測線進(jìn)行臺陣試驗(yàn)，分別進(jìn)行了一字直線型臺陣、L型臺陣及三重圓臺陣3種臺陣觀測試驗(yàn)，觀測時(shí)間為40min，根據(jù)不同臺陣類型采集數(shù)據(jù)的頻散特征對比分析并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要綜合確定觀測臺陣[2]類型。試驗(yàn)詳情如下：

試驗(yàn)布置：

采用15個(gè)臺站進(jìn)行試驗(yàn)，臺站按照一字直線型布置，分別為1～15#，其中8#位置為觀測中心點(diǎn)，臺站間距為20m，臺陣最大觀測半徑為140m；采用15個(gè)臺站進(jìn)行試驗(yàn)，臺站按照L形狀布置，分別為1～15#，其中8#位置為觀測中心點(diǎn)，臺站間距為20m，臺陣最大觀測半徑為140m；采用10個(gè)臺站進(jìn)行試驗(yàn)，分別為1～10#，其中1#位置為觀測中線點(diǎn)，2#、3#、4#按等邊三角形布置，距離1#的距離r=35m，5#、6#、7#按等邊三角形布置距離1#距離2r=70m，8#、9#、10#按等邊三角形布置，距離1#距離4r=140m，其中最大臺陣半徑為4r=140m，三種臺陣類形布置示意，如圖1。

圖1 不同臺陣類形布置示意圖

經(jīng)處理分析，一字直線型、三重圓臺陣對低頻信號中深部信息反映較好，在施工過程中優(yōu)先選擇三重圓、一字直線型臺陣。結(jié)合工業(yè)性試驗(yàn)測區(qū)的地形條件、施工難易程度、施工效率，野外實(shí)測工作選擇一字直線型臺陣。

3.陷落柱探測

(1)試驗(yàn)工區(qū)地質(zhì)概況

①地形地貌

本次試驗(yàn)工區(qū)為屬低山丘陵地貌，整體地形西北高、東北低，研究區(qū)南北穿越一條深溝，兩條淺溝，研究區(qū)地面有兩條高壓線，無其他建筑物。最高點(diǎn)位于研究區(qū)西北部，海拔標(biāo)高945.9m，最低點(diǎn)位于勘探區(qū)東北部，海拔標(biāo)高850m，相對高差95.9m，地表多被第四系覆蓋，未發(fā)現(xiàn)地表河流。

②試驗(yàn)工區(qū)地質(zhì)概述

試驗(yàn)工區(qū)內(nèi)可采煤層主要為2號煤、9號＋10號＋11號煤，2號煤埋深約232～345m，9號＋10號＋11號煤埋深約330～428m。研究區(qū)內(nèi)2#煤已經(jīng)采空，9號＋10號＋11號煤層準(zhǔn)備布置21106工作面，研究區(qū)南北向包含設(shè)計(jì)21106工作面自切眼向外走向長490m左右，研究區(qū)東北角為21107工作面，西北方向?yàn)?1105工作面，研究區(qū)的東邊界包含21105工作面運(yùn)輸巷的部分，21105、21107工作面已回采完畢。研究區(qū)地層整體為西北東南軸向的向斜構(gòu)造，工區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要為：A.斷層：東南角發(fā)育有F12斷層，落差20m左右，西北部F60斷層，落差1.4m左右。其中F12斷層為主要研究斷層，F(xiàn)12斷層為地面桑灣村揭露斷層，斷層走向NE，傾向NW，傾角35°左右，為較可靠斷層，同時(shí)F12斷層在2號煤、9號＋10號＋11號煤揭露產(chǎn)狀未知；B.陷落柱：Z15陷落柱位于研究區(qū)東北角，為21107運(yùn)輸巷揭露陷落柱，陷落柱預(yù)計(jì)長軸91m、短軸25m，實(shí)際大小未知；Z206陷落柱為21105工作面運(yùn)輸巷揭露陷落柱，預(yù)計(jì)長軸131m、短軸77m，實(shí)際大小未知，其中Z206陷落柱為本項(xiàng)目重點(diǎn)研究陷落柱。C.采空破壞區(qū)：采空破壞區(qū)主要為高陽煤礦上組煤原411（1、2號煤）、413（1、2號煤）工作面采空區(qū)，原山西孝義凱乾煤業(yè)公司上組煤小窯巷道，原山西孝義凱乾煤業(yè)公司可能在9號＋10號＋11號煤的采空破壞區(qū)，原山西孝義凱乾煤業(yè)公司井筒未在勘探區(qū)范圍內(nèi)。

(2)試驗(yàn)工區(qū)21106工作面地質(zhì)概況

①工作面概況：21106工作面開采9＋10＋11煤層，為高陽礦二采區(qū)第六個(gè)工作面，地面標(biāo)高+845～+943，工作面標(biāo)高+507～+534，工作面地面位置位于高陽煤礦工貿(mào)公司金屬網(wǎng)廠東145m處，地表為黃土覆蓋，井下其北為二采軌道巷保安煤柱，東為21107工作面，南為F12（H＞20m）斷層，西為二采軌道巷保安煤柱。工作面設(shè)計(jì)走向長1459～1566m，平均1512.5m，傾斜長190m。

②工作面煤層及頂?shù)装澹罕竟ぷ髅骈_采太原組9＋10＋11號煤，煤層厚度7.95～9.30m，平均8.69m，煤層傾角 0～10°，平均5°，根據(jù)臨近二采大巷以及21107、21105工作面揭露的實(shí)際煤層情況知：該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，尤其工作面切眼附近，煤巖層產(chǎn)狀變化較大，工作面煤層結(jié)構(gòu)平均1.47(0.25)1.95(0.21)2.03(0.03)0.95(0.27)0.85(0.1 8)0.47，屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，穩(wěn)定可采，煤種為瘦煤。

③工作面地質(zhì)構(gòu)造：21106工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，根據(jù)臨近工作面及上組煤揭露情況預(yù)計(jì)揭露陷落柱7個(gè)，斷層11條。

④工作面水文地質(zhì)條件：21106工作面煤層上覆含水層為煤層頂板K2灰?guī)r，還有K3、K4灰?guī)r含水層，其含水量豐富，但補(bǔ)給不足，以靜儲量為主，在裂隙發(fā)育處有淋水現(xiàn)象，對本工作面掘進(jìn)影響不大；下伏含水層為奧陶系石灰?guī)r，其含水量豐富，根據(jù)水文補(bǔ)勘資料知，該工作面整體帶壓、范圍內(nèi)最大突水系數(shù)約0.014＜0.06MPa/m，正常情況下預(yù)計(jì)不會影響工作面掘進(jìn)。預(yù)計(jì)本工作面涌水量為10～ 30m3/h。

(3)現(xiàn)場布置

圖3為本次陷落柱探測測點(diǎn)布置示意圖，共布置2條測線，測點(diǎn)間距20m，測點(diǎn)間距20m，單條測線長600m，現(xiàn)場探測時(shí)使用RTK進(jìn)行放點(diǎn)。Z206陷落柱為21105工作面運(yùn)輸巷揭露陷落柱，21105運(yùn)輸巷揭露陷落柱的北邊界，其范圍大小未完全揭露，陷落柱揭露位置對應(yīng)研究區(qū)X1線400m（樁號20）左右位置。

圖3 微動(dòng)測線布置示意圖

(4)資料分析

①資料分析原則

依據(jù)微動(dòng)勘探原理及地層速度分布特征，當(dāng)?shù)貙映练e分布均勻，未受任何破壞和改變，其視S波分層均勻變化；如遇有斷層、陷落柱、采空破壞區(qū)時(shí)，其介質(zhì)密度及應(yīng)力結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，視S波速度對應(yīng)發(fā)生變化，其變化特征主要描述如下：

A.斷層：當(dāng)產(chǎn)生斷裂構(gòu)造時(shí)，斷層破碎帶煤巖體密度變小，斷層帶發(fā)育范圍內(nèi)相對正常地層視S波速度表現(xiàn)相對低速，斷層上下盤受地應(yīng)力的擠壓或拉伸影響視S波速度表現(xiàn)為相對高速或相對低速，斷層上下盤視S波速度變化特征需結(jié)合已知資料進(jìn)行反演；

B.陷落柱：根據(jù)陷落柱形成原理，陷落柱是在地下溶洞垮塌的情況下，由上覆非可溶性巖層坍塌充填形成，陷落柱內(nèi)巖性特征表現(xiàn)為巖石成分混雜，未膠結(jié)或弱膠結(jié)，無分選，巖石碎塊成棱角狀，形狀不規(guī)則，排列混亂。根據(jù)以上陷落柱發(fā)育位置的地質(zhì)條件變化特征，分析陷落柱發(fā)育位置視S波速度變化特征為相對低速；

C.采空破壞區(qū)：當(dāng)煤層開采后采空區(qū)內(nèi)存在空腔、富水或頂板垮落，采空區(qū)的垮落帶、裂隙帶會在煤層頂板發(fā)育一定高度。根據(jù)以上采空破壞區(qū)發(fā)育范圍內(nèi)的地質(zhì)條件變化特征，分析采空破壞區(qū)及頂板范圍內(nèi)其視S波速度整體呈現(xiàn)相對低速變化。

②成果資料

根據(jù)以上資料分析原則可對本次微動(dòng)探測試驗(yàn)的成果資料進(jìn)行分析，詳情如下：

圖4為微動(dòng)1線視S波速度等值線斷面圖，從圖上可以看出在測線360m（樁號18）左右至測線480m（樁號24）左右出現(xiàn)一出上下聯(lián)通的相對低速區(qū)域，埋深自標(biāo)高+760m至+400m左右發(fā)育，低速區(qū)形態(tài)橫向由埋深+760m至+460m逐步擴(kuò)大，埋深+460m至+400m逐步收斂，視S波速度范圍為 1200～1600m/s，詳情見圖4中洋紅色虛線圈定范圍。根據(jù)21105運(yùn)輸巷實(shí)際揭露資料及諧振探測相對低速發(fā)育規(guī)律及特征，推斷其為Z206陷落柱的響應(yīng)特征。

圖4 微動(dòng)1線視S波等值線斷面圖

圖5為微動(dòng)2線視S波速度等值線斷面圖，從圖上可以看出在測線380m（樁號19）左右至測線460m（樁號23）左右出現(xiàn)一出上下聯(lián)通的相對低速區(qū)域，埋深自標(biāo)高+750m至+400m左右發(fā)育，低速區(qū)形態(tài)橫向由埋深+750m至+550m逐步擴(kuò)大，埋深+550m至+400m逐步收斂，視S波速度范圍為 1200～1600m/s，詳情見圖5中洋紅色虛線圈定范圍。根據(jù)21105運(yùn)輸巷實(shí)際揭露資料及諧振探測相對低速發(fā)育規(guī)律及特征，推斷其為Z206陷落柱的響應(yīng)特征。

圖5 微動(dòng)2線視S波等值線斷面圖

綜上所述，微動(dòng)一字直線形臺陣對煤礦陷落柱具有良好的分辨能力。

4.結(jié)論

（1）微動(dòng)技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、施工便捷等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)；

（2）經(jīng)過試驗(yàn)微動(dòng)一字形臺陣對低頻信號中深部信息反映較好，且施工相對便捷，在煤礦地形復(fù)雜礦區(qū)滿足勘探要求的情況下施工效率相對較高；

（3）實(shí)測應(yīng)用結(jié)果可得，微動(dòng)一字形臺陣能對一定規(guī)模（直徑大于50m）的陷落柱能有效分辨。