地震反射波法探查煤矿采空塌陷区的应用

李耀华,郭秀娟,李 旭

(1.北京航天勘察设计研究院有限公司， 北京 100070；2.山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局， 山西 太原 030045)

0 引 言

煤炭资源的大规模开采利用，带来了巨大的经济效益和社会效益，但同时也破坏了矿山及周围生态环境。由于原先小煤窑的乱采乱伐、煤矿的跨界开采、地质和采矿资料丢失等原因，隐伏的大量采空区或塌陷区对矿业生产安全和工程建设形成了极大的安全隐患，采空区的探查则成为煤矿首要解决的关键问题。

地震反射波法因精度高、分辨率高、信息丰富等优点，成为目前采空区及煤层赋存探查的首选方法。某煤矿现有资料对地质构造和煤层赋存情况控制程度不够，不能满足矿井建设的需求，在巷道掘进时为了避免采空区、塌陷区等地质灾害造成的安全隐患，采用地震反射波法对该区进行探测与调查，以确定采空区的位置及分布情况，同时查明该区主采煤层的赋存情况，为矿井建设提供可靠的地质资料。

1 煤矿采空区物性特征

采空区的物性特征除与“三带”范围、围岩岩性、充填及含水情况等有关外，还与上覆岩层稳定性、开采时间和深度有关。就正在开采所形成的采空区而言，冒落带和裂隙带发育程度较小，当开采深度较大时，采空区的地球物理异常反映较弱；而开采后长时间废弃采空区的上覆岩层已达到新的应力平衡状态，冒落带和裂隙带已发育完全。冒落带由于塌陷作用使其密实度降低、岩体变疏松，进而增大了采空区的规模和异常范围，其地球物理异常反映明显，有利于采空区的探测[1]。虽然裂隙带的岩性没有发生明显的变化，但裂隙发育和分布情况复杂，若内部裂隙空间有松散物或水充填，使得采空区上方的物性变得更为复杂。

煤层与围岩岩性不同，二者之间存在明显的波阻抗差异，煤层厚度足够大时，可形成良好的反射界面。但煤层采空及其顶板遭受破坏后，地层变得疏松，介质密度降低，地层对地震波的吸收频散衰减作用增强，使得地震波在介质中的传播速度明显下降，而它不论被何种介质所充填，在其边缘部位都存在一个明显的波阻抗反射界面，采空区内介质和围岩介质的波速存在明显的差异[2,3]。

2 地震勘探原理

地震勘探方法种类较多，主要用于采空区探测的有反射波法、地震映像法、井间地震。地震反射波法采用人工激发震源，形成在地下介质中传播的地震波，当其传到不同弹性介质界面时，便在界面位置产生反射，通过检波器接收发射回波信号，根据反射波的传播时间和空间位置关系来判断不同的介质，借助反射波的强度、频谱、相位等特征解决相关的地质问题。煤层采空区上覆破碎的围岩及裂隙，对地震波有很强的吸收、频散和衰减作用，使反射波频率降低，在图像上表现为反射波波形变得不规则、紊乱甚至产生畸变；采空区下方则由于岩层相对完整而变化不明显，据此可在地震时间剖面上识别煤层采空区及塌陷位置[4-5]。

3 采空区勘探实例

3.1 地质背景及概况

某煤矿地形条件较为复杂，地层从老至新依次为奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下统下石盒子组、二叠系上统上石盒子组及第四系中更新统、上更新统、全新统，含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。该区地层赋存形态为一走向NE57°的单斜，地层倾角5～18°不等，有褶曲和断裂等次级构造，无岩浆岩侵入现象。

由于地形起伏大，沟谷发育，河流、村庄的存在致使该区表层地质条件较差，地形地貌如图1所示。由于第四系黄土层或基岩风化层结构松散，岩性均一性差，使得浅部地震地质条件也较差；区内地层较平缓，煤层的密度、速度和其顶底板围岩差异较大，可形成能量较强的反射波，是较好的反射界面，因此，中、深层地震地质条件较好，具备地震勘探的前提。

图1 勘探区地形地貌

3.2 数据采集及处理

(1) 数据采集。地震勘探使用Sercel 428XL高分辨数字地震仪，60 Hz数字检波器，采用3串组合检波器同坑，无组内距组合方式。根据本区地震地质条件和勘探目的，通过现场试验选择最佳的系统观测参数、激发及接收参数等(见表1)，以获取信噪比和分辨率较高的野外数据资料。本区地震勘探共完成探测线9条，物理点1665个。在测区黄土覆盖区段井深为5～25 m，药量为1～4 kg；基岩出露区段井深为2.5～3 m，药量为1～2 kg，所有激发炮孔均进行闷孔，以保证激发质量。对于小于5 m的炮井采用埋井和压土袋方法有效压制面波、声波和随机干扰，提高信噪比。

为使CDP网格连续，在地表条件复杂、村庄建筑物等特殊地段通过适当增加接收道数、改变偏移距；适当增加激发炮数；或垂直测线适当移动、加密炮点的办法改变观测系统，以达到观测目的。

表1 地震勘探观测系统主要参数设置

(2) 数据处理。根据煤层采空区特征及可能存在的波场异常特征，资料处理的主要任务是正常煤系地层和采空区域地层的准确成像，并保持正常煤层和采空层的波场特征。数据资料处理使用Sun Ultra 80工作站、GeovecturPlus地震数据处理软件和Green V初至折射静校正软件，对原始数据进行静校正、地表一致性处理、球面扩散及吸收衰减补偿、精细速度分析、DMO叠加、去噪处理等多项处理，有效压制干扰，提高信噪比和分辨率，增强反射信息，从而获取能够直接反映地下地质信息的地震时间剖面。

3.3 解释依据

正常情况下，煤层的反射系数0.3～0.5，在数值上与围岩存在明显差异，二者之间可形成一个良好的波阻抗反射界面，在地震波反射时间剖面上表现为一组连续的强反射波的同相轴。当煤层被采空后，地震波遇到采空区或破碎带时，由于衰减作用使波速减小，振幅降低，造成地下煤层反射层中断，反射波波形变得不规则、紊乱甚至产生畸变，反射波同相轴不可连续追踪，跨越采空区后，反射波恢复。简而言之，煤矿采空区及塌陷区所表现出的地震波场特征为同相轴连续性较差，发生中断；反射波能量强弱变化大；反射波形规律性差[6]。

3.4 地震资料解释

图2 L-a地震时间剖面

图3 L-b地震时间剖面

将垂直时间剖面上能量强、信噪比高、连续性好、地震地质层位明确的反射波定为标准反射波，勘探区T3波为山西组下部3#煤层的反射，T15波为太原组下部15#煤层的反射。从时间剖面的波场特征分析，L-a剖面中T3反射波前段能量强、连续性好，而在CDP 260～300号之间地震波散射严重，使地震波传播路径畸变、传播能量损失严重，反射波的信噪比降低，波形特征变差，出现多组不连续的短反射波同相轴，推断解释为该处已采空并且塌陷；CDP 300号之后T3波反射零乱、频率降低、振幅弱，显然是原反射波波阻抗界面遭受破坏所造成的，由此解释为采空区，见图2。L-b剖面中T3反射波连续性好，在CDP 228～242号之间同相轴发生扭曲错动，推断为采空塌陷；而在CDP 278号之后T3波连续性差，反射零乱，解释为3#煤部分被采空，见图3。T15反射波能量强、连续性好，与T3反射波相互平行，由于地震波在采空区或塌陷位置频率降低、振幅减弱，再经15#煤层的反射波能量较弱，故在时间剖面上采空区下方的T15反射波同相轴不清晰。根据上述波组反射特征和地质解释依据，推断3#煤层采空区(包括塌陷区)2处，面积共计约0.43 km2。后经核实验证，推断解释的结果与实际情况基本吻合。

4 结 论

(1) 在地形起伏及地质条件复杂区域，通过现场试验选择最佳的系统观测参数、激发及接收参数是获得高分辨率和信噪比地震反射波的必要前提。

(2) 采用静校正、地表一致性处理、球面扩散及吸收衰减补偿、精细速度分析、DMO叠加、去噪等多项数据处理技术，可有效压制干扰，提高信噪比和分辨率，增强反射信息。

(3) 结合地震时间剖面波组反射特征和地质解释推断出该煤矿采空区的位置及分布情况，同时还查明该区主采煤层的赋存情况，经验证发现推断解释结果与实际情况基本吻合。

(4) 充分反映了地震反射波法在煤矿采空塌陷区探测方面的可行性和有效性，为地面安全及采空区治理提供可靠的技术支持，为矿井建设提供可靠的地质资料。

参考文献：

[1]杨建军, 吴汉宁, 冯 兵, 等. 煤矿采空区探测效果研究[J]. 煤田地质与勘探, 2006, 34(1): 67-69.

[2]刘菁华, 王祝文, 朱 士, 等. 煤矿采空区及塌陷区的地球物理探查[J]. 煤炭学报, 2005, 30(6): 715-719.

[3]李娟娟, 潘冬明, 胡明顺, 等. 煤矿采空区探测的几种工程物探方法的应用[J]. 工程地球物理学报, 2009, 6(6): 728-732.

[4]吴成平, 胡祥云. 采空区的物探勘查方法[J]. 地质找矿论丛, 2007, 22(1): 19-23.

[5]贾东新, 王自强, 徐庆魁. 浅层地震法在煤层采空区探测中应用[J]. 河北煤炭, 1999(3): 21-23.

[6]王立会, 潘冬明, 张兴岩. 三种探测煤层采空区的方法[J]. 物探与化探, 2008, 32(3): 291-294.