非煤矿山采空区三维地震解释技术与应用实例

袁兴赋,虞永征,汤正江

（安徽省勘查技术院， 安徽合肥 230031）

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，非煤矿山开采量越来越大，多数矿山由过去的散小乱状态，逐渐转化为规模化或露天开采，但过去开采留下的众多采空区，有的年份久远资料遗失，有的私采乱挖根本没有资料可寻，有的透水坍塌造成矿难，给国家和社会造成重大经济损失，这些采空区的存在成为后续矿山开采人员、设备的重大安全隐患，而且严重影响开采效率，因此查明非煤矿山采空区的分布、大小及其稳定性，为下一步治理规划及地质灾害防治提供依据是十分必要的。

1 非煤矿山采空区特征及危害

将采空区以是否为煤矿来进行分类，可分为煤矿采空区和非煤矿山采空区，非煤采空区是在非煤矿山由人为挖掘或水溶地下矿体产生的“空洞”。两者显注的区别是煤矿采空区成层状，高度基本一致，空间形态相对规则，而非煤矿山采空区空间形态不规则，大小迥异，分布无规律，埋深差异大等特点，因此非煤矿山采空区的探测难度相对更大。

对于非煤矿山采空区勘测主要有两个方面的地质任务，一是查明隐伏非煤矿山采空区空间分布，二是评价采空区的稳定性。由于我国早期矿山开采秩序较为混乱，乱采滥挖现象严重，在一些矿山及其周边留下了大量的采空区，这些采空区主要特征是隐伏性强、空间分布规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等，使得对采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等难以量化评价，随着矿山向深部开采，地应力增大，容易发生坍塌事故。尤其对地下转露天开采的矿山影响更大，早期地下开采残留的采场、硐室、巷道如不进行及时处理，对地表作业的矿山工作人员和设备带来严重的威胁。已经开采或正在开采的显性采空区随着开采量的进一步扩大目前稳定性状态如何，顶板是否冒落，采空区是否充填，填充物和填充度如何，采空区状态的了解是采取应对措施的依据。目前使用三维地震技术对采空区的空间特征及其状态进行探测，既而对具有潜在危害的采空区进行合理评价和治理取得较好的效果。

2 非煤采空区地震波场特征

2.1 非煤采空区地震时间剖面特征

煤矿采空区是在煤层反射波作为参照标志，煤层波在多数地震剖面上具有较强反射，容易识别，当煤层波突然局部变异、中断、绕射波、空白段、低能量或反射波下沉等现象，可能都是煤矿采空区的反映，而非煤矿山采空区的地震时间剖面上的反射特征要远比煤矿采空区的地震反射特征复杂得多。首先是空间位置的不确定性，导致采空区在时间剖面上无参照可寻，多数非煤矿山矿层与围岩之间并非突变波阻抗界面，而是一个波阻抗渐变过度带，有的时候矿体与围岩波阻抗差异并不明显（非煤矿山地震勘探的难点所在），依据地震反射原理，难以产生矿层参照反射波，当矿体被挖采后形成采空洞体 ，无论是空气充填，还是水充填，亦或是其它松散物充填，都能在洞体围岩与充填物之间形成较大的波阻抗差异界面，当洞体大于第一菲涅尔带半径时，在地震时间剖面上出现有较强的反射波，依照洞体大小规模以及形状差异，出现反射波的特征也有所不同，规模较小时往往只有几道强反射波，水平层状采空区呈条带状强波，球状采空区呈弧状强波，在叠加剖面上有明显绕射波出现，偏移成象后绕射波得到收敛，在地震信噪比较高的剖面上多数容易识别，但在复杂矿区往往得到地震资料信噪比较低，局部构造、矿体也能产生强反射的情况下，在解释过程中首先要全面掌握和熟习矿区已知地质构造和采空区资料。其次要找出已知采空区在地震剖面中的表现特征，然后根据此特征再推测出末知采空区，依照这样一个工作思路来分析解释采空区，必要时可结合水平切片和地震属性来进行判别。

2.2 非煤采空区地震水平切片特征

三维地震水平切片可以直观地反映采空区在不同高度的大小、位置和分布情况，理想的信噪比较高的地震资料采空区水平切片反射波呈水波汶状，有多个晕圈，随着时间变化大小也发生变化，直到消失，但在复杂矿区此种情况较为少见，多数表现为局部强振幅或局部弱振幅反映，视时间值不同而有所不同。

2.3 非煤采空区三维地震属性特征

地震波属性是叠前或叠后的地震数据经过数学变换而得到的有关地震波动力学、运动学和统计学的特征参数，是表征和研究地震数据内部所包含的时间、振幅、频率、相位以及衰减特征的指标，称之为地震属性。研究表明这些指标度量值（地震属性）与地下地层岩性、物质成份以及物质结构紧密相关，不同的地震属性能够表征不同地质体的物性及构造特征，在非煤矿区地震勘资料中就包含有采空区的地质信息，利用有些地震属性对采空区的地震波反射特征具有放大作用的功能，来有效识别采空区反射波，提高采空区的解释精度。通过对GEFRAM、LANDMARKE、VVA三种解释系统中提供的5大类几十种地震属性的研究发现，地震波振幅类属性对采空区反应较为敏感，其中最大最小振幅和均方根振幅属性较为突出。另外一些数据转换类属性效果也明显，如蚂蚁体、相干体、曲率体等，这些属性的共同点就是对地质体的地震反射特征具有放大作用，使我们更容易识别采空区异常。

3 应用实例

安徽定远东兴盐矿首采区于1988年建井开采，至今开采时间长达30年，期间发生了三次开采溶腔地面塌陷，考虑到安全因素，大部分开采井未达设计开采资源量被迫停用。为充分利用资源，提高资源利用率，必须查明矿区地质情况以及溶腔的开采情况，为后续矿区开采井设计布置提供依据，为此开展三维地震勘查工作。本次勘测主要位于矿区西部（图1）矿体中部矿层倾角较小，一般只有8～10°，矿体周边的倾角较陡，岩层倾角30～40°，局部达80°（图2）。

图1 测区位置及构造图Figure 1. Location and structure of the surveyed area

矿区采用水溶开采模式，主要有单井法和双井连通法，不同开采方式所产生的采空区形状有所不同，单井法产生的采空溶洞呈梨形，而双井连通法产生的采空溶洞亚哑铃形，两头靠近井口位置采空溶洞较大，中间通过管状通道联结，随着开采时间加长，使溶洞逐渐发展成为两端呈半圆柱、中间成长方形的槽状溶洞。根据岩盐的溶蚀规律，岩盐的溶蚀以上溶为主，侧溶次之，下溶缓慢；岩盐溶腔是随开采进程逐步发展扩大，跨度逐渐增大，底板上开始堆积不溶物；当顶板所受的拉应力达到顶板岩石强度极限，顶板就会发生破坏，产生裂缝、冒落、垮陷。当顶板大规模垮塌后，原来井下的溶腔堆积松散物。一旦溶腔破坏与地表沟通，就会出现地面冒卤、沉降和塌陷。这里介绍几个开采不同时期的溶腔实测地震反射波特征，便于以后对此类溶腔参考解释。

图2 测区I线地质剖面图Figure 2. Geological profile of survey area line I

（1）开采早期。图3仅开采半年采空区，横向扩展已具一定规模，约35x15m长宽大小，高度约10m左右，在地震剖面呈局部强波反射，不具有采空区形态上反映。

（2）开采中期。图4开采5年以上采空区，呈标准梨形，采空宽度约100m，高度约80m，是规模较大的采空区，由于采空区顶界的上部是高阻抗的盐岩和下部低阻抗的卤水接触关系，反射系数为负值，因此解释采空区顶界时对应反射波的负相位。

图3 开采早期采空区地震剖面Figure 3. Seismic profile of goaf in early mining period

图4 开采中期采空区地震剖面Figure 4. Seismic profile of goaf in the middle mining period

（3）开采晚期。图5开采8年以上采空区，采空宽度达209×154m，顶板石膏层和其上覆泥岩在自然重力作用下向下弯曲张裂，被卤水浸蚀后变得松散，然后逐层崩塌冒落，在采空区底部形成锥状松散堆积物，形成底部锥形反射，上部已有约80m地层坍塌，如不即时采取措施将很快引起地面塌陷，我们将这一勘测结果即时告知矿方，矿方立即采取停采措施，四个月后又进行一次重复观测，发现上部地层没有进一步坍塌，有效地阻止了一次地面塌陷事故，该采空区目前使用微地震方法进行实时监测。

图5 开采晚期破顶采空区地震剖面Figure 5. Seismic profile of goaf with broken roof in late mining period

（4）已塌陷采空区。图6采空宽度达121x160多米，是目前该矿区三个已经塌陷采空洞体中的2号塌陷坑，此塌陷坑在塌陷之前我们采用二维地震方法进行勘测，发现险情后即时通报矿方，矿方接报后立即转移地面设施，改变早期铺设的地面盐卤输送管道，三个月后塌陷，由于预报准确即时没有给矿方造成重大损失。三维地震剖面显示，塌陷坑边界清晰，底部有一些杂乱反射为崩塌堆积物所致。

图6 已塌陷采空区地震剖面Figure 6. Seismic profile of collapsed goaf

图7 三维地震330ms水平切片Figure 7. Horizontal slice of 3D seismic profile at 330ms

图8 T47波顺层振幅均方根属性Figure 8. Root mean square attribute of T47 wave bedding amplitude

（5）地震属性分析，图7为330ms水平切片，图8为盐岩顶板石膏层顺层振幅均方根属性图。水平切片显视整个测区呈半椭圆形洼陷构造，北部被断层切割，局部振幅变强或变弱或变紊乱为采空区反映，测区构造和采空区十分清晰可分辨。顺层振幅均方根属性是沿某一反射层提取地震属性，反映了某一地层地震波的变化情况，当盐岩顶板石膏层发生溶蚀、压裂、崩塌时地震波的振幅、频率、相位也随之发生变化，从T47(顶板)顺层振幅均方根属性图可以看出测区已有9个采空区破顶，东中部1、2、3三个为已塌陷区，中部4为图5所述的半塌预警采空区，其它破顶采空区顶部崩塌高度不大，危害性次之，但也要密切关注其发展情况。从地震属性图上反映的采空区水波汶状晕圈范围要大于实际解释范围，这是因为地震波的衍射作用所引起的，是符合地震波勘探原理，解释时通常以内圈圈定采空区平面投影范围。

4 结论

非煤矿山采空区（或溶腔）三维地震解释识别标志：

（1）在时间剖面上反射波组中断或能量变弱，在弱波中突然出现局部强反射。矿层反射波同相轴明显终断或能量变弱，其中断点或能量变化位置即为采空或溶腔边界的反映。

（2）地震波频率的突变。在地震剖面上，采空区（或溶腔）处地震波的频率突然降低，其频率变化位置即为边界的反映。

（3）反射波相位转换。反射波极性发生反转，其反转起始点即为采空区（或溶腔）边界。

（4）异常波出现。异常波包括绕射波、延迟绕射波等。绕射波产生于岩性间断点，在有采空区的地层中，采空区内岩性与围岩不同。因此，在采空区（或溶腔）的矿层断面反射段中断点处（即断陷点），可产生绕射波。

（5）在水平切片上有明显的能量突变和能量扰动现象出现，突变边界即为在采空区（或溶腔）平面投影边界。在振幅均方根属性图上出现水波汶状晕圈反映，晕圈内侧边界为采空区（或溶腔）边界。