井间地震层析成像技术在采空区及其覆岩结构探测中的应用

甘志超，韩科明

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



井间地震层析成像技术在采空区及其覆岩结构探测中的应用

甘志超，韩科明

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]查清采空区及其覆岩现状是对采空区进行稳定性评估和治理的基础和关键的工作。以淮北某矿老采空区为例，应用井间地震对拟建场地的采空区及其覆岩现状进行探测，根据探测结果分析了采空区及其覆岩结构类型，基本查明了完整岩层、破碎岩层和较完整岩层的层位和范围，为采空区稳定性评估和治理提供了基础资料和依据。

[关键词]井间地震；层析成像；采空区；覆岩结构；探测

近年来随着我国基础设施的大力建设和城市化进程的加快，在产煤大省和矿区，由于采空区的广泛分布，许多建(构)筑物无法避开采空区而必须建设在采空区上。根据学者的研究[1]，将采空区上覆围岩结构划分为较完整层状结构、块裂层状结构、碎裂结构、散体结构等4种类型。因此，在该类工程建设中利用钻探和物探查明采空区及其覆岩结构类型，可为拟建场地稳定性评价和采空区治理设计提供基础资料和依据。

在采空区及其覆岩结构探测中，传统的工程地质钻探由于钻孔数量有限，很难完整全面地反映采空区及其覆岩结构现状，同时较深的钻孔更加大了勘察的难度和成本。而井间地震层析成像技术通过观测钻孔间岩体波速并反演其速度分布，可以较可靠地反映出井间剖面的地质情况，既具有较高的勘察精度又降低了勘察的工期。由于地震层析成像技术获得的结果是地下介质弹性波速度的空间分布，与电磁波类方法比，弹性波速度与介质的力学性质的关系要密切得多，因此其不仅有利于全面细致地了解探测区域采空区的大小、形态及空间分布，也有利于确定采空区覆岩结构类型。王立会、潘冬明等[2]利用井间地震勘察采空区，取得了较好效果；李天祺、彭涛[3]等研究了利用井间地震勘探岩溶发育情况；其他学者开展了井间地震方法和在石油勘探方面的研究[4-7]。

笔者利用井间地震层析成像技术，结合工程钻探资料，分析研究了拟建场地的采空区及其覆岩结构。

1工作区概况

根据煤矿开采技术资料，拟建场地下方为淮北某煤矿老采空区。建设用地区域煤层开采时间约为20世纪70年代，开采深度为80～130m，煤层开采厚度为2.5m，煤层倾角7～10°。煤层开采方法为炮采，工作面开采宽度约为30～50m。相邻工作面间残留有部分煤柱。建设用地区域采空区上覆岩层中冲积层厚度较大，约为60～70m；基岩较薄，厚度约为20～60m。

钻探勘察中发现在采空区内钻进时进尺快、全漏水，还有井壁掉块、掉钻具、卡钻和孔口吸风现象，认为虽然经过30多年的时间下沉，采空区仍没有被压实、固结。

因此采用井间地震CT探测以查明拟建场地内采空区和其上覆岩层裂隙发育、充填和破坏情况，从剖面上分析采空区及其覆岩结构类型，为采空区地基稳定性评价和注浆治理设计提供资料和依据。

2观测方式

井间地震激发震源采用瞬发雷管，接收采用美国产专用孔中水听器接收，数据采集仪器采用吉林大学GEOPEN24位数字地震仪。

根据地质任务及钻孔条件，每个激发井中总共预设60炮，炮距0.5m，接收井中每次激发由12只检波器同时接收，接收点距1m，然后激发井中雷管位置上移0.5m，再进行激发和接收，震源逐次上移放够20炮以后再整体提升井中检波器，每次提升10m，共进行了3对孔的井间CT探测工作，其观测系统示意见图1。

图1　观测系统示意

3探测效果

3.15号～6号孔间剖面

图2为接收排列在79～90m，激发深度83m所得的原始记录，图3为接收排列89～100m，激发深度92m处采集到的原始记录，对比二者可容易得到图2所示记录地震波初至清晰可辨，图3所示记录初至较明显，可初步推测出5号、6号钻孔之间地层较完整。

图2　接收排列79～90m，激发深度83m处的原始记录

图3　接收排列89～100m，激发深度92m处的原始记录

图4为5号～6号钻孔CT成像成果图，原始记录和层析成像结果综合分析表明：5号孔反映基岩面深度约为65m，6号孔反映基岩面深度约为70m，基岩厚度约28m，孔间基岩受5号孔所在工作面采动影响较小，岩体完整性总体较好。煤层深度在95m左右，完整基岩的CT成像速度在2400～3400m/s之间，根据钻孔资料，该剖面中基岩主要为泥岩。

图4　5号～6号钻孔CT成像成果

3.23号～8号孔间剖面

图5为接收排列在79～90m，激发深度86m处所得的原始记录，图6为接收排列在89～100m，激发深度94m处采集得到的原始记录。对比二者并分析得到：图5所示记录地震波初至清晰可辨，图6所示难于确定初至时间，可推测出孔间存在采空区碎裂或裂隙较发育岩体。

图5　接收排列79～90m，激发深度86m处原始记录

图6　接收排列89～100m，激发深度94m处原始记录

图7为3号～8号钻孔CT成像成果图，大量原始记录和层析成像结果综合分析表明：3号孔反映基岩面深度约为69m，8号孔反映基岩面深度约为72m；基岩厚度约17m，基岩上部岩层受采动影响较为松动，裂隙发育；下部冒落带深度范围约为96～100m。根据成果图中的速度值和覆岩结构类型，结合图4中完整岩层的速度值和钻孔资料，将速度大于2400m/s的覆岩确定为较完整层状结构，速度为2200～2400m/s的覆岩确定为块裂层状结构，速度为1800～2200m/s的覆岩确定为碎裂结构，速度小于1800m/s的岩体确定为散体结构。

图7　3号～8号钻孔CT成像成果

建议对块裂层状结构、碎裂结构和散体结构的岩体进行重点加固治理。

4结论

(1)通过工程实例的应用，说明利用井间地震并结合钻探可以确定采空区的大小、形态及空间分布，并且可以较好地确定采空区覆岩结构类型，从而为拟建场地稳定性评价和采空区治理设计提供基础资料和依据。

(2)在城市或工业广场区域，井间地震受干扰的因素与电(磁)法相比相对较少，受干扰程度也相对较小，因此保证其有更高的分辨率，能更好地结合钻孔进行定量解释，特别是对于地下的采空区空洞有更好的辨别能力。

(3)井间地震的施工成本相对较高，因此需进一步研究减少其成本。

[参考文献]

[1]郭广礼，邓喀中，汪汉玉，等.采空区上方地基失稳机理和处理措施研究[J].矿山压力与顶板管理，2000(3)：39-42.

[2]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.

[3]李天祺，彭涛，郭印.井间地震层析成像技术在岩溶勘察中的应用[J].水文地质工程地质，2009，36(6)：127-130.

[4]陈世军，刘洪，周建宇，等.井间地震技术的现状与展望[J].地球物理学进展，2003，18(3)：524-529.

[5]严建文，方伍宝，曹辉，等. 井间地震数据的波动方程偏移成像[J]. 地球物理学报，2008，51(3)：908-914.

[6]隋淑玲.井间地震资料的属性分析及应用[J].石油勘探与开发，2005，32(3):77-78.

[7]裴正林，牟永光.复杂介质小波多尺度井间地震层析成像方法研究[J].地球物理学报，2003，46(1)：113-117.

[责任编辑：施红霞]

Application of Crosswell Seismic Tomography Technology inGoaf and Overlying Strata Structure Probing

GAN Zhi-chao，HAN Ke-ming

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：Investigation results of goaf scope and overlying strata structure is the key and foundation work of goaf stability evaluation and treatment.The goaf scope and overlying strata structures under planning construction site were surveyed with cross well seismic tomography，based on old goaf of one coal mine in Huaibei，the paper analyzed the goaf scope and overlying strata structures according investigation results，and then identified the position and scope of integrity strata，broken strata and defective strata，it provided basic materials and evidences for goaf stability evaluation and treatment.

Keywords：crosswell seismic；tomography；goaf；overlying strata structure；probing

[中图分类号]TD166;P631.4

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0025-03

[作者简介]甘志超(1983-)，男，四川邻水人，助理研究员，主要从事地球物理勘探与煤矿地质灾害防治等方面的研究工作。

[基金项目]天地科技股份有限公司(TZ-JJ-09-KC-02)

[收稿日期]2015-11-06

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.006

[引用格式]甘志超，韩科明.井间地震层析成像技术在采空区及其覆岩结构探测中的应用[J].煤矿开采，2016，21(1)：25-27.