煤矿采空区三维地震探测技术研究.pdf

d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-3 5 8 X.2 0 2 2.0 1.0 0 7煤矿采空区三维地震探测技术研究闫忠明,李传海(山东大学 龙山校区(创新港)规划建设办公室,山东 济南 2 5 0 0 1 4)摘要:三维地震探测技术是煤矿采空区精准勘察的重要手段之一。文中介绍了三维地震探测技术的基本原理以及在煤矿采空区勘察中的工作方法,论述了煤矿采空区的地震响应特征,并通过实例进行地震资料解释,选取合适的地震属性和方法识别采空区的发育位置,圈定其范围,结果表明,该技术较准确地实现了对煤矿采空区的有效勘察。关键词:三维地震探测;煤矿采空区;地震响应特征中图分类号:T D 1 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-3 5 8 X(2 0 2 2)0 1-0 0 2 4-0 4R e s e a r c ho n3 Ds e i s m i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yo f c o a lm i n eg o a fY a nZ h o n g m i n g,L iC h u a n h a i(L o n g s h a nC a mp u s(C h u a n g x i nP o r t)P l a n n i n ga n dC o n s t r u c t i o nO f f i c e,S h a n d o n gU n i v e r s i t y,J i n a n2 5 0 0 1 4,C h i n a)A b s t r a c t:3 Ds e i s m i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yw a so n eo f t h e i m p o r t a n tm e t h o d sf o rt h ep r e c i s es u r v e yo f t h eg o a fa r e a s i nc o a lm i n e s.I n t h i sp a p e r,t h eb a s i cp r i n c i p l e s a n d t h ew o r k i n gm e t h o d so f 3 Ds e i s m i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yw e r e i n t r o d u c e d i n t h e e x p l o r a t i o no f t h e c o a lm i n eg o a f s,a n d t h e s e i s m i c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o a lm i n eg o a f sw e r ed i s c u s s e d.S e i s m i cd a t aw a s i n t e r p r e t e da n da p p r o p r i a t es e i s m i ca t t r i b u t e sa n dm e t h o d sw e r es e l e c t e dt o i d e n t i f yt h ed e v e l o p m e n t l o c a t i o no f t h eg o a f sa n dd e l i n e a t e t h es c o p e t h r o u g ht h ee x a m p l e s.R e s u l t s s h o w e d t h a t t h e t e c h n o l o g yc o u l d r e a l i z e a c c u r a t e l y t h e e f f e c t i v e s u r v e yo f t h eg o a f a r e ao ft h em i n i n gc o a lm i n e.K e yw o r d s:3 Ds e i s m i cd e t e c t i o n;c o a lm i n eg o a f;s e i s m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c引用格式:闫忠明,李传海.煤矿采空区三维地震探测技术研究J.矿山测量,2 0 2 2,5 0(1):2 4-2 7.煤矿过度开采使得地下形成大量采空区,破坏了采空区围岩的应力平衡,采空区上覆岩层垮落会导致地表下沉、移动、变形,严重影响周边环境与安全。在采空区发展与演变的过程中,采空区及其围岩的物理性质会发生明显变化,为以物性差异为基础的物探方法探测采空区提供了有利条件1-3。多年来,各种物探方法被应用到采空区探测中,主要有地震勘探、电磁法、电法、微重力法、放射性元素法等4。相比其他物探方法,三维地震具有控制网密度与信息量大、分辨率高等优势,探测地下采空区拥有更高的精准度5-7。1 三维地震探测技术原理三维地震勘探是利用地下岩层弹性以及密度的差异,通过采集大地对人工激发地震波的响应,并加以处理和分析,解释推断地下岩层性质和形态的一种地球物理探测方法2-3。煤层开采区域与周边未开采区域存在较为明显的波阻抗差异,这为三维地震探测采空区奠定了物性条件。煤层开采后,其上覆岩层垮落,自下而上依次形成“三带”,即垮落带、裂隙带、弯曲带。采空区及其上覆“三带”的形成改变了原有地层的层状分布状态,破坏了其地球物理场在垂向及横向的连续性,导致了地震勘探不能采集到连续的、有一定振幅强度的反射波,大多表现为零星的短轴杂乱反射或者空白反射,因此,根据采空区在地震时间剖面上的反应特征可确定采空区的发育位置3,8-1 0。42第5 0卷第1期2 0 2 2年2月 矿 山 测 量M I N ES UR V E Y I N G V o l.5 0N o.1F e b.2 0 2 22 工程概况根据地质采矿资料,研究区下方及附近主要开采两层煤,开采方法为走向长壁后退式采煤方法,回采方式为高档普采,全部陷落法管理顶板。研究区下方及附近开采情况如下:a煤层开采标高为-4 0 0-6 5 0m,倾角9 左右,采厚0.50.9m;b煤层开采标高为-1 7 7-7 2 5m,倾角1 0 左右,采厚1.3 81.4 3m,a、b煤层间距平均3 0m左右。研究区属平原地形,区内道路纵横,有果园、村庄等分布,给物探野外施工带来了较大困难。浅层为第四系所掩盖,部分地段被砾石层所覆盖,这对地震勘探极为不利,砾石层对地震波具有强烈的吸收和散射作用,使地震反射波的品质下降,因此,区内地表、浅层地震地质条件较复杂。煤层与围岩存在明显的波阻抗差异,具备产生反射波的条件,但由于以上煤层均属薄煤层,形成的地震反射波能量较弱,连续性较差,区内深层地震地质条件也较复杂。受地表条件所限,本次选用可控震源进行地震波激发。为了减少砾石层对地震波的吸收和散射作用以及薄煤层地震反射波能量弱的特点,本次采用1 2线1 2炮制束状规则观测系统和5m1 0m的C D P网格,通过增加炮点密度和三维地震勘探的叠加次数来获得高信噪比的三维数据体,确保三维地震勘探的成果精度。同时,为了获得高品质地震资料,在资料处理时采用多域、多种方法组合,有效地压制噪声,提高记录的信噪比;叠前反褶积和叠后频率补偿相结合,有效地拓宽记录频带,提高分辨率;高精度速度建模、叠后时间偏移方法及参数优选,提高成像精度。3 工程布置3.1 观测系统选择综合考虑研究区的地质、地震地质条件、地形地貌和设备状况等,本次三维地震数据采集观测系统选择1 2线1 2炮线束状规则观测系统,它在每一个C D P点上各叠加道方向特性和炮检距分布均匀,有利于提高信噪比。3.2 资料采集方法3.2.1 三维地震观测系统参数观测系统类型:1 2 L1 2 S1 4 4 T6 R3 6次线束状总接收道数:1 4 4(道)1 2(条)=17 2 8道接收线距:4 0m接收道距:1 0m接收线数:1 2条激发炮线距:2 0m激发炮排距:6 0mC D P网格:5m(纵)1 0m(横)覆盖次数:3 6次(横6纵6)炮点网格:2 0m(横向)6 0m(纵向)横向最大炮检距:3 3 0m纵向最大炮检距:7 2 0m最大炮检距:7 9 2.0 2m激发方向:中点激发纵向每放1排炮向前移6 0道,横向上每一束线与前一束线重复观测6条检波线,该观测系统具有较宽的方位特征和较均匀的炮检距分布,三维地震观测布置如图1所示。图1 三维地震观测布置示意图52第1期 闫忠明等:煤矿采空区三维地震探测技术研究 2 0 2 2年2月3.2.2 激发因素震源:可控震源震动台数:1台(2 8顿)扫描频率:1 01 1 0H z震动次数:6次扫描长度:1 4s驱动电瓶:7 5%4 研究区采空区地震响应特征煤层是一种连续、稳定的地下矿产,其物性特征具有低速度、低密度的特点,与围岩存在较大波阻抗差异,因此,当煤层厚度足够时,可形成较连续、具有一定反射能量的地震反射波。研究区地下煤层被采空后,上覆岩层垮落,采空区被煤屑和岩屑填充并引发上覆地层移动变形,由此破坏了煤层以及上覆岩层的层状结构,改变其物性特征,主要表现为:煤层采空区及上覆塌陷区地层破碎、松散,岩石密度降低,致使地震波传播至煤层采空区及上覆塌陷区时波速、频率、振幅、能量均降低,同时,由于空洞、破碎、裂隙的存在,使得无法形成较连续的反射波同相轴,地震波传播到这些位置时将出现绕射或散射等现象。5 研究区采空区解释成果图2所示为I L N 3 5 4地震时间剖面图,其中,a煤层在C D P2 6 73 4 0、3 9 74 5 0范围内地震反射波开始发生错断、杂乱或空白反射,推断该处为a煤采空区;b煤层在C D P2 5 0 4 3 7范围内地震反射波开始发生错断、杂乱或空白反射,推断该处为b煤采空区。图2 I L N 3 5 4地震时间剖面图图3 I L N 3 7 8地震时间剖面图图3所示为I L N 3 7 8地震时间剖面图,其中,a煤层在C D P4 0 24 4 5范围内地震反射波开始发生错断、杂乱或空白反射,推断该处为a煤采空区;b煤层在C D P2 2 54 6 0范围内地震反射波开始发生错断、杂乱或空白反射,推断该处为b煤采空区。图4 沿b煤层均方根振幅切片62第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月图5 3 7 0m s方差体水平切片图 图4所示为沿b煤层均方根振幅切片,从图中可以看出,b煤层采空区范围内均方根振幅明显降低,且发育在研究区左侧;图5所示为3 7 0m s方差体水平切片图,由于煤层采空区的振幅、能量、频率等均较低,因此,在该方差体水平切片图中显示,b煤层采空区范围(图中左侧)与周边其他区域存在明显差异。研究区中部和右侧发育有两条断层构造(F 8、F 1 6),其同样具有振幅、能量、频率等均较低的特点。6 结 论(1)由于煤矿采空区以及上覆塌陷岩层与围岩的物性存在较大差异,可根据其不同的地震响应特征,实现三维地震对煤矿采空区的探测,并且获得较高分辨率的三维地震探测数据和地质解释成果。(2)煤矿采空区及其上覆塌陷区的存在破坏了地层层状结构以及地层完整性,致使煤层反射波组特征发生变化,具体表现为反射波同相轴不连续、错断、杂乱,甚至出现空白反射,并且地震波振幅、频率、能量均降低,相位反转等。(3)难点与不足:本研究区内a、b两层煤层间距较小,b煤采空区及其上部冒落带的发育将会影响a煤采空区的识别以及发育范围的确定。参考文献:1 陈相府,安西峰,王高伟.浅层高分辨地震勘探在采空区勘测中的应用J.地球物理学进展,2 0 0 5,2 0(2):4 3 7-4 3 9.2 李文进.煤矿采空区地震反射特征研究D.北京:中国地质大学(北京),2 0 1 9.3 郑滨.煤矿采空区综合探测技术研究 以晋东地区为例D.徐州:中国矿业大学,2 0 1 9.4 莫亮台.内蒙古L Z C地区煤层采空区地球物理综合探测方法研究D.徐州:中国矿业大学,2 0 1 9.5 宗志刚.地震勘探方法在探测煤矿采空区中的应用研究D.北京:中国地质大学(北京),2 0 0 6.6 罗杨铭.采空区勘察物探技术应用研究J.西部资源,2 0 2 1(5):1 0 4-1 0 5,1 0 8.7 张鹏.二维地震勘探技术在采空区勘探中的应用研究J.中国资源综合利用,2 0 2 1,3 9(4):6 7-7 0.8 李元杰,米建强.三维地震勘探技术在砂墩子煤矿N 4 2采区的应用J.科技资讯,2 0 2 1,1 9(1 8):5 1-5 4.9 王林燕.三维地震勘查采空区及其对煤矿安全生产的重要性J.化工管理,2 0 2 0(1 2):1 0 2-1 0 3.1 0 李华.利用三维地震方法解决湖西矿采空区问题J.山东煤炭科技,2 0 1 9(7):2 0 5-2 0 7.作者简介:闫忠明(1 9 7 3-),男,山东济南人,工程硕士,高级工程师,现就职于山东大学龙山校区(创新港)规划建设办公室,主要从事工程管理工作。(收稿日期:2 0 2 1-1 2-0 1)72第1期 闫忠明等:煤矿采空区三维地震探测技术研究 2 0 2 2年2月