巷道地震波法在金屬礦山采空區(qū)探測中的應用

郭美延, 丁向南， 許新驥

(1.山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 濟南 250061; 2.山東大學齊魯交通學院， 濟南 250061)

礦產(chǎn)資源是社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是支撐人民生活水平提升和社會經(jīng)濟穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的重要前提[1]。然而，在地下礦產(chǎn)資源開發(fā)中，分布不明的采空區(qū)、斷層等致災構(gòu)造給生產(chǎn)安全帶來了嚴重威脅，若未能提前處置與有效應對，作業(yè)過程中極易發(fā)生地質(zhì)災害(采空區(qū)突水、塌方等)，造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，亟需較準確探明作業(yè)巷道前方采空區(qū)等致災構(gòu)造的分布情況。常規(guī)的地表勘察方法如高密度電阻率法[2]、電磁波法(地質(zhì)雷達法、瞬變電磁法等)[3]、地震波法[4]等，因受金屬電磁強干擾、地表起伏、礦脈深埋等原因，難以較準確探明巷道前方采空區(qū)的分布、規(guī)模等信息。為此，鑒于巷道作業(yè)近距離觀測的優(yōu)勢，開展礦山巷道內(nèi)超前地質(zhì)預報，是提高采空區(qū)探測準確率的有效方法。

地震波法因具有探測距離遠、對界面較敏感等優(yōu)勢，被廣泛用于礦山巷道、水工隧洞、公路隧道等不良地質(zhì)構(gòu)造探測。研究者們將地震波法用于巷(隧)道的不良地質(zhì)探測與相應特征分析：如竇文武等[5]研制了礦井分布式地震超前探測系統(tǒng)，并將其用于煤窯采空區(qū)及高瓦斯礦井探測；程久龍等[6]基于正演數(shù)值計算分析了巷道地震探測散射波成像特征；Liu等[7]提出了SAP (seismic ahead-prospecting)技術(shù)，并在高黎貢山隧道、吉林引松隧道等掌子面前方斷層或破碎帶探測中取得了成功應用；李娜等[8]對巷道環(huán)境地震波波場特征識別進行了分析；郭立全等[9]應用礦井震波超前探測技術(shù)探明了巷道前方的斷層。綜上，地震波法為巷道/隧道地質(zhì)探測提供了有效手段，為礦區(qū)安全開采提供了重要支撐。

鑒于巷道地震波法對不良地質(zhì)構(gòu)造的較好探測效果，將其用于解決弓長嶺鐵礦和眼前山鐵礦巷道前方不良地質(zhì)探測難題，開展巷道地震波超前預報技術(shù)的適應性研究，重點探明巷道前方的采空區(qū)分布特征。應用工程弓長嶺鐵礦和眼前山鐵礦同屬于沉積變質(zhì)型鐵礦床，是鐵礦石原料生產(chǎn)重要基地之一。在礦區(qū)前期開采過程中，揭露了多個采空區(qū)和民采巷道，給生產(chǎn)作業(yè)帶來了困擾；隨著開采的逐漸深入，未知采空區(qū)等災害源對作業(yè)安全威脅也愈加嚴重。為探明巷道前方未知采空區(qū)、民采巷道等災害源的分布情況，保證當前工作面作業(yè)安全，采用地震波法超前地質(zhì)預報技術(shù)進行采空區(qū)探測：首先，基于前期勘察資料和開采作業(yè)揭露情況，進行礦區(qū)地質(zhì)分析；進而選取并介紹了適用于巷道地震波探測的觀測方式和數(shù)據(jù)處理方法；在此基礎(chǔ)上，對弓長嶺鐵礦巷道和眼前山鐵礦巷道前方采空區(qū)進行探測和解譯；此外，開展了數(shù)值模擬與分析，揭示了超欠挖導致的非平整表面對巷道地震波探測的影響特征，為優(yōu)化探測解譯和結(jié)果驗證提供了支撐。研究成果可為同類工程采空區(qū)等地質(zhì)探測提供借鑒和指導。

1 工程概況

1.1 弓長嶺鐵礦地質(zhì)概況

弓長嶺鐵礦自 1949 年建礦以來，一直是鞍鋼的主體礦山和高品位富礦的主要供應地。從2005年12月開始，國家和遼寧省共投入地質(zhì)勘查資金1 760萬元，在遼陽市弓長嶺鐵礦二礦區(qū)外圍和深部開展鐵礦資源勘查，探明鐵礦資源量1.2億t，其中富鐵礦超7 400萬t，平均品位達63%，成為遼寧省近40年來發(fā)現(xiàn)的最大富鐵礦。然而，弓長嶺鐵礦地下存在許多采空區(qū)，尤其是地方小礦點不規(guī)范濫挖, 加劇了采空區(qū)的分布和隱蔽性。這些采空區(qū)形態(tài)復雜, 在空間位置、深度、規(guī)模不同, 且大多數(shù)采空區(qū)已經(jīng)坍塌或充水，嚴重威脅著礦山大型設(shè)備及人身安全。在施工過程中常發(fā)現(xiàn)并測量到民采巷道的分布，在巷道掌子面前方探明存在橢球形民采空區(qū)，為查明民采老廢巷道分布情況，在弓長嶺礦盲斜井54 m水平剖面開展井下地震超前探測試驗。

1.2 眼前山鐵礦地質(zhì)概況

眼前山鐵礦地處鞍山市東部，距鞍山市中心約15 km，占地面積約1 km2。主要經(jīng)營礦種為磁鐵礦，保有資源儲量為7 198萬t。自2012年由露天開采全面轉(zhuǎn)入地下開采，區(qū)域出露地層以震旦系變質(zhì)巖系為主，并有震旦系、寒武系及第四系, 同時還有不同時期的火成巖侵入。該礦區(qū)與齊大山、王家堡子、胡家廟子及關(guān)寶山等鐵礦床構(gòu)成了一條東西走向、長約14 km的狹長鐵礦帶[10]。隨著眼前山鐵礦開采深度不斷下降，礦山地壓活動日益突出，地下采空區(qū)圍巖在拉壓應力作用下開始脫離，誘發(fā)采空區(qū)塌陷，對巷道作業(yè)面施工帶來嚴重威脅。為查明斷裂破碎帶采空區(qū)賦存情況，在中茨采區(qū)主斜坡道A19～A20方向進行地震波法探測。

礦山作業(yè)施工面臨的重要任務就是礦內(nèi)的老廢巷道和破碎帶等采空區(qū)進行探測, 查清采空區(qū)位置、形狀、規(guī)模, 為地下資源的開發(fā)、礦山開拓計劃的執(zhí)行和地質(zhì)災害的預防、治理提供依據(jù)。為預測巷道工作面前方的采空區(qū)等災害源情況，支撐資源開采安全，研究采用地震波法進行探測。工程位置示意圖如圖1所示。

2 巷道地震波超前地質(zhì)預報方法

2.1 觀測系統(tǒng)

巷道探測采用地震波法超前地質(zhì)預報設(shè)備，如圖2所示，設(shè)備主要包括：① 便攜式地震主機，用于數(shù)據(jù)采集控制、質(zhì)量檢查與處理分析；② 12個無線采集模塊和高精度三分量地震波檢波器，用于在邊墻上采集地震波信號；③ 1個人工震源(錘)和觸發(fā)器等。該儀器采用人工錘敲擊巷道邊墻以實現(xiàn)地震波的激發(fā)，地震波在巖體中傳播，當遭遇波阻抗界面時產(chǎn)生反射波，通過安裝在巷道邊墻上得檢波器觀測地震信號并無線傳輸?shù)街鳈C，主機對信號處理分析以完成探測工作。

數(shù)據(jù)采集是地震探測的重要基礎(chǔ)，為在有限的巷(隧)道空間采集較充分的有效波信息，選用地震探測觀測方式如圖3所示：① 兩條檢波器測線分布在巷道兩側(cè)邊墻上，每條測線上均有6個檢波器，相鄰檢波器之間的間距為2 m；②震源點設(shè)置在接收測線與掌子面之間，每側(cè)邊墻設(shè)置6個震源點，共12個震源點。以上觀測系統(tǒng)在巷道的軸向、垂直和水平方向上都有偏移距[7]，有利于獲取較全面的波場信息，為異常體探測識別及定位提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Location of the project

圖2 巷道地震波法超前地質(zhì)預報探測設(shè)備及工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of ahead-prospecting detection equipment of roadway seismic wave method

圖3 觀測系統(tǒng)示意圖Fig.3 Observation system

數(shù)據(jù)采集主要參數(shù)如表1所示。共設(shè)置12個激震點，每個激震點錘擊3次，然后將地震記錄進行疊加以達到壓制巷道中隨機噪聲并增強有效信號的目的。

表1 地震探測采集主要參數(shù)Table 1 The main parameters of seismic exploration acquisition

2.2 數(shù)據(jù)處理

巷道地震波超前探測數(shù)據(jù)處理主要包括三部分：數(shù)據(jù)預處理、波形處理及偏移成像[11]。

2.2.1 預處理

高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)是準確成像的基礎(chǔ)，為此對觀測原始記錄進行壞道切除、時窗選擇和數(shù)據(jù)疊加處理。其中，時窗以目標探測距離和巖體波速為基礎(chǔ)進行計算，確定所需窗長后對數(shù)據(jù)進行分段處理和疊加，提高有效反射波的能量，壓制噪聲干擾影響。

2.2.2 波形處理

① 對直達波進行速度分析，估算巷道近距離巖體波速；② 切除直達波，提高后方反射波場的可辨識度；③ 基于頻譜特征分析，采用帶通濾波濾除高、低頻噪聲干擾；④頻率波數(shù)域(frequency wave-number, F-K)濾波，基于巷道前方反射波與巷道環(huán)周干擾波的視速度差異進行濾波，重點保留來自巷道掌子面前方的有效反射信息；⑤ 垂直波慢度-水平波慢度(τ-p濾波)，進一步細化視速度差異，從波場信號中提取主要的縱波波場信息用于后續(xù)的偏移成像。

2.2.3 偏移成像

通過波形處理，可獲得探測目標體的有效反射波場。為進一步預測目標體的空間位置，采用等旅行時偏移成像方法，將時間域的地震反射記錄轉(zhuǎn)換到深度域的空間位置，最終實現(xiàn)采空區(qū)等災害源的位置和分布，支撐地質(zhì)解釋[12-13]。

3 鐵礦巷道前方采空區(qū)探測

3.1 弓長嶺鐵礦巷道前方采空區(qū)探測

本次采用巷道地震波法對工作面前方120 m范圍內(nèi)的民采空區(qū)等災害源進行探測。數(shù)據(jù)采集過程中，巷道環(huán)境較為安靜，噪聲干擾較小；巷道邊墻呈不規(guī)則起伏狀，平整性較差。因此在圖3所示觀測系統(tǒng)上的基礎(chǔ)上，適應性調(diào)整布設(shè)方式，實際觀測方式如圖4所示：① 12個檢波器(A1～A6，B1～B6)通過耦合劑固定在巷道兩側(cè)邊墻，檢波器間距沿巷道方向約3 m；② 共布置6個震源點(S0～S5)，均位于檢波點前方左側(cè)巷道壁，高程約2 m，最小偏移距約為5 m；③ 每個震源點錘擊3次，進行數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)場觀測系統(tǒng)布設(shè)、數(shù)據(jù)采集與處理如圖5所示。

通過觀察圖5(c)原始地震數(shù)據(jù)，地震記錄較為雜亂，尾波干擾明顯，影響同相軸識別，推測由于非平整邊墻檢波器安置產(chǎn)生繞射干擾導致；由圖5(d)頻譜圖可知，信號頻帶位于250～1 250 Hz，主頻為500～900 Hz。

圖4 弓長嶺鐵礦探測觀測系統(tǒng)Fig.4 Observation system of Gongchangling iron mine 6

通過2.2節(jié)所述數(shù)據(jù)處理，獲得前方地質(zhì)情況的探測結(jié)果如圖6所示，結(jié)果顯示，在巷道工作面前方80～110 m范圍內(nèi)存在強反射區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)分析，推斷前方地質(zhì)體結(jié)果如下：① 在工作面前方0～20 m，存在零星弱反射，推斷非平整干擾導致假成像；② 工作面前方20～80 m，雖有零星弱反射，但無明顯強反射，因此推斷巖體巖性較單一，完整性較好；③ 在工作面前方80～110 m，存在能量較強反射，推斷可能存在采空區(qū)。

圖5 弓長嶺鐵礦現(xiàn)場探測Fig.5 Exploration of Gongchangling iron mine

圖6 弓長嶺鐵礦探測偏移成像結(jié)果Fig.6 Migration imaging results of Gongchangling iron mine

3.2 眼前山鐵礦巷道前方采空區(qū)探測

采用巷道地震波法對工作面前方120 m范圍內(nèi)的采空區(qū)等災害源進行探測。數(shù)據(jù)采集過程中，巷道環(huán)境較為安靜，噪聲干擾較小；巷道邊墻表面平整規(guī)則，無異常凸起或凹陷。因此觀測系統(tǒng)的布設(shè)略有調(diào)整，實際觀測方式如圖7所示：① 12個檢波器通過耦合劑固定在巷道兩側(cè)邊墻(A1～A6，B1～B6)，檢波器沿巷道軸線方向間距約3 m；② 共布置12個震源點分兩側(cè)邊墻布置(S1～S12)，分別位于巷道的拱低、拱腰和拱肩，高差約2 m，與檢波器的最小偏移距為5 m；③ 每個震源點錘擊三次，進行數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場觀測系統(tǒng)布設(shè)、數(shù)據(jù)采集與處理如圖8所示。

由圖8(c)和圖5(c)對比可知，平整邊墻下檢波器接受地震數(shù)據(jù)質(zhì)量更優(yōu)，地震記錄中無明顯尾波和繞射干擾現(xiàn)象，同相軸相較易于識別；圖8(d)頻譜圖顯示信號頻帶位于200～1 000 Hz，主頻為300～700 Hz。

通過數(shù)據(jù)處理，獲得前方地質(zhì)情況的探測結(jié)果如圖9所示，結(jié)果顯示，在巷道工作面前方20～40 m和70～90 m范圍內(nèi)存在強反射區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)分析，推斷前方地質(zhì)體結(jié)果如下：① 在工作面前方40～70 m，雖有零星弱反射，但無明顯強反射，因此推斷巖體巖性較單一，完整性較好；② 在工作面前方20～40 m和70～90 m，存在能量較強反射，推斷可能存在采空區(qū)。

圖7 眼前山鐵礦探測觀測系統(tǒng)Fig.7 Observation system of Yanqianshan iron mine

圖8 眼前山鐵礦現(xiàn)場探測Fig.8 Exploration of Yanqianshan iron mine

對比圖9和圖6成像結(jié)果可知，不同邊墻條件下接受地震數(shù)據(jù)成像結(jié)果存在差異，非平整邊墻干擾下存在較多分布較廣的弱反射，開采面前方易出現(xiàn)假成像，不利于結(jié)果解譯及地質(zhì)推斷。

圖9 眼前山鐵礦探測偏移成像結(jié)果Fig.9 Migration imaging results of Yanqianshan Iron Mine

3.3 探測結(jié)果小結(jié)

(1)現(xiàn)場測試與作業(yè)施工表明，在弓長嶺鐵礦巷道和眼前山在弓長嶺和眼前山鐵礦巷道前方均存在有采空區(qū)或老廢巷道存在，其分布狀態(tài)與探測結(jié)果基本一致。該探測研究為鐵礦巷道作業(yè)施工提供了重要的地質(zhì)資料，為巷道安全提供了支撐。

(2)弓長嶺鐵礦巷道地震波超前探測結(jié)果中，存在多處的零星反射，隨機分布在巷道掌子面前方0～80 m(驗證無采空區(qū)或老廢巷道)和80～120 m范圍內(nèi)(驗證存在民采老廢巷道)。

(3)考慮弓長嶺鐵礦巷道相較于眼前山鐵礦巷道存在較大的差異——即巷道邊墻存在強起伏、平整度低，采集地震數(shù)據(jù)質(zhì)量及成像結(jié)果存在差異，為地質(zhì)解譯帶來困難。推測其主要產(chǎn)生原因為：地震反射波場在傳播到巷道邊墻時，邊墻非平整面將形成多個散射點，導致地震波場產(chǎn)生繞射干擾波場，與有效反射波場進行混疊導致的。為提高巷道采空區(qū)地震波探測結(jié)果解譯準確性，需進一步對非平整波邊墻條件對波場的影響進行分析。

4 非平整邊墻對地震探測結(jié)果的影響

4.1 巷道非平整邊墻特征

在弓長嶺和眼前山兩處鐵礦的探測工程中發(fā)現(xiàn)，巷(隧)道邊墻在實際的工程應用中并不是完全符合預期中那樣完整、平直的。在很大一部分巷(隧)道，尤其是鉆爆法巷(隧)道以及礦產(chǎn)巷(隧)道中，超欠挖現(xiàn)象突出。

(1)巷道超挖邊墻：以設(shè)計的巷道開挖輪廓線為基準線，實際開挖的斷面在基準線以外的部分稱為超挖。

(2)巷道欠挖邊墻：以設(shè)計的巷道開挖輪廓線為基準線，實際開挖的斷面在基準線以內(nèi)的部分稱為欠挖。

工程實際開挖過程中地質(zhì)條件不同，巷道圍巖物理力學性質(zhì)存在差異，因此選擇施工工法不同，導致開挖邊墻并非存在超(欠)挖單一特征，而是如圖5(a)、圖5(b)所示的不規(guī)則(鋸齒狀)邊墻，邊墻表面在長距離范圍內(nèi)呈凹凸不平狀，整體來看無大尺度凸起或凹陷，觀測系統(tǒng)較難按照設(shè)計規(guī)則進行布設(shè)，激震點或檢波點會相比于設(shè)計位置發(fā)生部分或整體偏移，檢波點之間表面不平整。

4.2 非平整邊墻巷道地震探測數(shù)值模擬

針對弓長嶺鐵礦及眼前山鐵礦探測應用，采用有限差分地震波正演模擬方法，以平整邊墻和非平整(鋸齒狀)邊墻為例，分別進行相應的數(shù)值模擬，獲取不同邊墻條件下地震波場記錄，進行分析對比。兩種巷道邊墻類型設(shè)計及相應參數(shù)如圖10所示。

本次數(shù)值模擬設(shè)置巷道長50 m，平整邊墻巷道寬為10 m，不規(guī)則邊墻巷道邊界上下浮動0～1 m；網(wǎng)格間距為；采空區(qū)區(qū)域中心位于巷道前方70 m處，長度為60 m。

設(shè)置600 Hz的雷克子波作為點震源，分別布置于巷道上下隧道壁，距掌子面距離10 m；沿巷(隧)道走向，上下邊墻均布置檢波器，偏移距為10 m，保持道間距走向上均為5 m；采樣間隔為0.000 05 s。模型四周設(shè)置完全匹配層(perfectly matched layer, PML)吸收邊界以避免邊界反射，吸收邊界占據(jù)40網(wǎng)格。

數(shù)值模擬各介質(zhì)參數(shù)(密度、縱波速度及橫波速度)如表2所示。選取0.005 s和0.03 s時正演模擬地震波場快照，波場值大小的變化如圖11所示。

圖10 數(shù)值模擬巷道邊墻類型Fig.10 Roadway side wall types of numerical simulation

對比圖11(a)和圖11(c)發(fā)現(xiàn)非平整邊界處產(chǎn)生繞射干擾和多次反射波，波場復雜；對比圖11(d)與圖11(b)，發(fā)現(xiàn)受非平整邊界影響，采空區(qū)反射信號波前面較難識別。

表2 正演模型介質(zhì)參數(shù)Table 2 Media parameters of forward modeling

圖11 數(shù)值模擬波場快照Fig.11 Snapshot of the numerical simulation wave field

4.3 影響分析

平整邊墻模型和不規(guī)則邊墻模型數(shù)值模擬獲得地震波場記錄分別如圖12(a)所示。結(jié)合波速計算及波場快照分析，確定波類型，如表3所示。由地震記錄可知直達縱波約于0.003 8 s時到達#1檢波器，最小偏移距為10 m，計算波速約為2 638 m/s，與設(shè)定相符；采空區(qū)前端反射波雙程旅行時約為0.05 s，計算采空區(qū)前端距掌子面距離約為50 m，符合設(shè)定。

由圖12可知，非平整邊墻情況下，接受地震數(shù)據(jù)與平整邊墻情況下地震數(shù)據(jù)存在一定差異，表現(xiàn)在地震記錄中具體有如下差別。

圖12 數(shù)值模擬地震波場記錄Fig.12 Seismic wave field records of numerical simulation

表3 地震波類型Table 3 Type of seismic wave

(1)對比圖12(a)、圖12(b)可知，非平整邊墻情況下，仍保持道間距沿巷(隧)道壁走向相同，導致實際傳播距離不同，地震波到時存在差異，影響地震記錄同相軸識別。

(2)對比圖12(a)、圖12(b)可知，非平整邊墻情況下，檢波器接收地震子波前，受到非平整邊界影響，產(chǎn)生一定繞射和干涉現(xiàn)象，波形發(fā)生相應變化。

(3)對比圖12(b)中可知，非平整邊界情況下，受檢波器安置位置影響，不同檢波器接收地震數(shù)據(jù)存在能量差異，地震記錄波形存在振幅差異。

(4)對比圖12(a)、圖12(b)可知，相較于平整邊墻，非平整邊墻下檢波器所處檢波環(huán)境存在差異，且存在繞射、干涉等干擾信號，接收前方采空區(qū)異常體反射信號更為雜亂，地震記錄連續(xù)性較差。

基于經(jīng)驗分析，在非平整邊墻條件下接收到的地震數(shù)據(jù)，與平整邊墻接收到的地震數(shù)據(jù)相比一定會有差異存在。結(jié)合圖5(c)和圖8(c)不同邊墻條件下，工程探測實際地震數(shù)據(jù)存在的差異，根據(jù)相關(guān)的理論基礎(chǔ)，可知：① 在地震波的到時上一定會有微小的差異；② 被檢波器接收到的地震子波在到達檢波器之前會受到非平整邊界的影響(主要有繞射或者干涉)，因此波形會發(fā)生相應的變化，不同的檢波器所位于的檢波環(huán)境差異較大時，不利于地震記錄上同相軸的識別；③ 非平整邊界產(chǎn)生的繞射波和干涉導致地震波場記錄存在無法通過濾波等處理消除的干擾成分。

5 結(jié)論

(1)未知采空區(qū)、斷層破碎帶等災害源探測對鐵礦開采非常重要。采用巷道地震波法探明弓長嶺鐵礦盲斜井54 m深度巷道前方80～110 m處存在的民采老廢巷道及眼前山鐵礦中茨采區(qū)22～30 m深度主斜坡道前方存在采空區(qū)，現(xiàn)場作業(yè)施工結(jié)果與探測解譯結(jié)果基本一致，為巷道作業(yè)施工提供重要地質(zhì)資料，提供安全保障，充分驗證了巷道地震波法應用于鐵礦采空區(qū)探測的可行性和必要性。

(2)依據(jù)弓長嶺鐵礦巷道非平整邊墻對地震探測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，開展非平整波場數(shù)值模擬研究分析。揭示了非平整表面檢波器安置對地震波探測的影響特征，如實際偏移距不同，導致波場到時不同；檢波器環(huán)境差異，接收地震波能量存在差異；非平整邊界處，地震波場易產(chǎn)生繞射、干涉等干擾等。未來將繼續(xù)深入研究非平整邊墻下觀測系統(tǒng)布設(shè)和非平整干擾壓制方法，進而優(yōu)化解譯結(jié)果，為采空區(qū)巷道施工作業(yè)提供安全保障。