地震超前探测技术在老窑采空区探测中的模拟与应用

王晓康， 路 拓

(1.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院,西安 710054； 2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室,西安 710054)

0 引言

矿井水害是制约煤矿安全、高效生产的重要因素，其中，采空区积水及废弃老窑水已成为主要的突水水源[1]。近年来，数以万计的小煤窑被整合或关闭。由于原来的矿井缺少相关的技术资料，且在矿井废弃关闭过程中没有系统的技术规程和工程保护措施，导致废弃矿井采掘空间的分布及水文地质情况不明，导致后期采掘工作时常揭露老窑水。老窑水分布无规律、瞬间涌水量大、突发性强，易造成淹井和人员伤亡。据统计,采空区及废弃的充水小煤窑水每年占煤矿总突水事故的80%左右。因此，查明老窑的分布位置和富水性对预防煤矿突水事故、保障煤矿高效生产具有重要意义[2-3]。

地球物理勘探技术在老窑采空区的探测中发挥着重要作用，三维地震、高密度电法、矿井瞬变电磁、地震反射波法、地质雷达、直流电法超前探等技术均在一些地区取得的较好的应用效果[4-8]。大量研究和实践证明，巷道地震超前探测技术由于距离异常体近、不受地面条件的影响，受巷道内环境影响相对较小，因此在掘进巷道前方地质异常构造的超前预报中具有一定优势[9-10]。本文采用巷道地震超前探测技术对掘进巷道前方的老窑采空区进行探查，并对物探异常区进行了钻探验证。

1 探测原理

矿井地震超前探测技术借鉴隧道地震超前预报技术(TSP)，是一种沿巷道布置震源和传感器来探测巷道前方断层、采空区、陷落柱等地质构造的观测系统[11-12]。由于煤层的开采和覆岩的破坏打破了地层横向上的连续性，在巷道内激发的地震波在遇到采空区时将产生反射，反射波被布置在巷道内的检波器接收。通过分析反射波的运动学和动力学特征来探测巷道前方地质异常的分布情况[13]。

图1 矿井地震超前探测原理图Figure 1 Illustrative diagram of mine seismic advance prospecting

图1为地震超前探测原理示意图，地质异常界面倾角为θ，接收点到异常界面出露点(界面和测线的交点)距离为h，波速为υ1；坐标系原点在激发点O点，当在偏移距为x的S点接收时，S点接收的直达波的射线路径为OS，反射波的传播路径为OR+RS。

直达波的时距曲线为：

(1)

异常界面的反射波时距曲线：

(2)

根据余弦定理可得：

(3)

(4)

从图中可以看出和地面反射地震勘探基于水平或缓倾角反射界面不同，巷道前方的地质异常一般与巷道内的地震测线呈陡倾角或垂直空间关系，因此表现负视速度时距特征。当异常界面直立时(θ=90°)，

(5)

反射波时距曲线为一直线并呈现负速度(负斜率)特征，其延长线和直达波时距曲线延长线两者的交点的横坐标为界面出露点位置。根据巷道前方反射波负视速度的特征，采用线性Radon变换技术进行上下行波的分离，以此提取巷道前方反射波进行偏移成像[14-15]。

2 采空区地震波场模拟

为研究采空区存在条件下，检波器后置观测系统地震波场的传播特征，建立了采空区地震超前探测模型。模型尺寸400m×400m，巷道轴线位于模型z=200m位置，迎头中心坐标(160，200)处，巷道高度6m；采空区底面坐标(190，200)～(290，200)，模拟采高6m，“两带”发育高度140m，采空区模型如图2所示。在进行数值模拟时对巷道进行了简化，作为真空处理，模型参数见表1[16]。

图2 采空区地震超前探测模型Figure 2 Gob area seismic advance prospecting model

层位纵波速度/m·s-1横波速度/m·s-1密度/kg·m-3顶板3 5002 0202 275巷道000底板3 5002 0202 275采空区1 5009001 970

根据炮检互换原理， 地震超前探测数据采集采用1炮激发、21道接收。炮点坐标为x=110m, 最小偏移距距10m，道间距2m。 模拟震源选用主频300Hz 的Ricker子波进行弹性波模拟。图3为不同时刻地震波的波场快照。

由于纵波(P波)、横波(S波)的速度差异，P波、S波在时间上存在一定的时差。P波具有较高的速度，所以P波首先被布置在巷道内的检波器接收，到达采空区后在采空区边界发生波的反射(P-P波)、透射并产生转换波P-S波，如图3(b)所示。随后S波传播至采空区边界发生波的反射(S-S波)、透射并产生转换波S-P波。

图3 采空区模型地震波场快照Figure 3 Gob area model seismic wave field snapshots

图4为采空区模型地震记录，记录中主要存在4组能量较强的波组：直达P波、直达S波、P-P反射波、S-S反射波。转换波(P-S波、S-P波)能量较弱，在地震记录上难以识别。图中可以看出，P-P反射波、S-S反射波的斜率和直达波的斜率相反，距离震源远的检波器反而先接收到迎头前方异常界面的反射波，表现为负视速度特征。据此特征，采用τ-p域滤波或F-K域滤波均可实现地震波场的分离。

图4 采空区模型地震记录Figure 4 Gob area model seismic records

3 探测实例

山西临汾某矿井田内2号煤层分布多处老窑采空区，该矿目前正在布置矿区中部二采区的主体巷道。根据前期对老窑的地质调查和资料收集，在二采区胶带大巷掘进前方可能存在老窑采空区，但具体位置不详。根据“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水细则， 采用巷道地震超前探测技术对二采区胶带大巷附近的老窑采空区进行探测，为巷道掘进和防水煤柱的设计提供指导。

地震超前探测采用检波器后置观测系统，共计布置激发点21个(P1～P21)、接收点2个(R1、R2)观测系统布置示意图如图5所示。探测采用200g乳胶炸药作为震源，100Hz速度检波器进行三分量接收，激发点间隔2m、接收点间隔5m，最小偏移10m。

图6为经过带通滤波、AGC、反射波提取、绕射扫描叠加偏移处理后的偏移成像图，图中红色代表地震波正相位、蓝色代表地震波负相位。探测当日迎头中心位置为坐标原点。从图中可以看出，探测范围内主要存在两组反射波：在迎头附近由于巷道空腔和围岩松动圈的影响存在一组能量较弱的反射波；在巷道前方35米左右反射波能量强(R1)，推测该位置为老窑采空区。

图5 地震超前探测观测系统布置示意图Figure 5 A schematic diagram of seismic advance prospecting observation system layout

图6 绕射扫描叠加偏移深度剖面Figure 6 Diffraction scanning stack migration depth section

根据地震超前探测解释成果，对巷道前方异常界面R1进行了钻探验证，分别在迎头和后方钻场施工了4个超前探孔，钻孔平面位置见图7。钻探结果表明，在迎头前方30m左右出现喷孔、顶钻现象，并伴随着瓦斯的涌出，随后钻孔内流出白色的水，浑浊且有异味，推测为废弃老窑的采空区积水。钻探异常解释见表2，钻探结果与物探探测成果吻合。

表2 钻孔施工参数和异常统计

图7 超前探钻孔布置平面图Figure 7 Advance prospecting boreholes layout plan

4 结论

本文通过数值模拟，研究了采空区模型的地震波场传播特征，在检波器后置观测系统下，迎头前方反射波表现为负视速度的传播特征，据此可以分离、提取来自迎头前方的反射波进行偏移成像。实践证明，巷道地震超前探测技术在老窑探测中具有较高的探测精度，能够为钻探的施工提供“靶区”。但是由于巷道尺寸的限制，极小偏移孔径下绕射扫描叠加偏移成像容易出现“画弧”现象，并未实现真实反射点的归位，影响了成像的精度，有效的偏移成像方法还需进一步研究。