浅层地震勘探技术在老窑采空区探测中的应用研究

张小波，陈清通，牟 义，张永超，孙庆先

(1.榆林市能源局，陕西 榆林 719000；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

榆林市是煤炭资源富集区，是国家规划的大型煤炭建设基地之一[1]。早期的矿井主要采用资源回收率低、安全可靠性差的“房柱式”或“残柱式”的炮采采煤方法，生产技术装备水平低、生产工艺落后，以掘代采，采掘不分，管理粗放，遗留了大量采空悬顶区[2，3]。随着关井压产、资源整合、兼并重组的深入推进，原老采空区所诱发的采空区塌陷、矿震、有毒有害气体涌出、水害、火灾等问题成为困扰矿井安全生产和可持续发展的重要问题[4，5]。为查清矿井采空区分布范围，以及水、火、采空区悬顶和塌陷等安全隐患情况，进一步预防、控制采空区引发的灾害，为采空区治理提供科学依据[6，7]，张三沟矿采用浅层地震法对采空区探测进行了试验研究，根据试验成果，采用物探先行、钻探验证的综合手段查明了井田范围内的2-2煤层采空区分布状况。

1 浅层地震探测原理与方法

浅层地震勘探是通过人工激发的弹性波在地壳内传播，以此来探查地质构造。由震源激发的弹性波，从激发点开始，逐渐向外传播扩散，当地震波的传播遇到弹性介质不同的界面，界面对地震波产生反射作用，如图1所示。采用高精度检波器将由界面反射的弹性波产生的振动信号转换成电信号，通过数据传输的方法，由地震勘探测试仪经过滤波、放大作用后，把信号记录下来。对信号数据进行分析解释，以此推算不同地层分界面的埋藏深度以及产状、构造等。浅层地质勘探技术常用于探测埋藏较浅煤层、采空区、火烧区、覆盖层或风化壳的厚度，确定断层破碎带[8，9]。

式中，φ为界面倾角，(°)；h为界面法线深度，m；v为波速，m/s；x为炮检距，m；t为传播时间，s。

图1 浅层二维地震激发与接收

由于浅层地震探测深度较小，要求分辨率高，因此除要求震源有适当的能量、安全可靠和便于使用外，往往还要求采用能产生较高频率成分的震源。常用的震源有：锤击震源、雷管和炸药震源、地震枪震源、电火花震源等，此外还有一种振动频率范围和震动持续时间可以调节的可控震源，以及用于产生横波和面波的各种专用震源等。检波器是把地震波到达地面后将微弱振动转换成电信号的换能装置，用于接受反射地震波。

2 试验工作

2.1 试验设计

野外试验的根本目的是检验拟定的勘查方法的有效性，并对待定的参数进行合理选择，确定最佳的方法和施工参数。为了获得测区内全面而准确的第一手资料和野外的各项施工参数，保证野外施工质量，更好的完成本次地震勘探，在正式探测前要进行试验。根据本次勘查地质任务的要求，并结合工作区地震地质条件，本区设计1个试验点，4条试验线，通过试验获得适合本区最佳的施工参数。试验工作安排在勘探区东部离大路较近的地段，试验工作包括试验点试验和试验线试验，试验点位于郭家湾地震测线D13线764桩号上，试验线1、试验线2位于DF13线(激发桩号604～756，接收桩号476～880)，试验线3、试验线4位于DF12线(激发桩号762～850，接收桩号698～912)。试验工作采用法国产428LITE数字地震仪，在正式施工前对仪器进行年检、月检、日检并且均合格。对检波器进行道一致性检查，要求其精度满足《煤炭煤层气地震勘探规范》及设计要求。

图2 夯重激发条件下垂叠次数试验

2.2 试验点试验效果

激发方式采用夯重激发的单点单炮试验，记录如图2所示，其中，图2(a)—图2(f)叠加次数分别为12次，14次，……，22次(每2次为一个试验单位)，对夯重激发条件下的各类叠加次数频率、信噪比和能量的振幅参数进行统计、对比分析，结果如图3所示。

激发方式采用人工锤击激发的单点单炮试验记录如图4所示，其中，图4(a)—图4(e)叠加次数分别为14次，16次，……，22次(每2次为一个试验单位)，对人工锤击激发条件下的各类叠加次数频率、信噪比和能量的振幅参数进行统计、对比分析，结果如图5所示。

通过不同激发方式、不同单点垂叠次数单炮、能量、道集间频率、信噪比估算等不同手段综合分析，夯重激发单点垂叠次数采用14次或16次综合效果较好；人工锤击激发单点垂叠次数采用16次或18次综合效果较好。

图3 夯重激发条件下分析对比

图4 人工锤击激发条件下垂叠次数试验

2.3 试验线试验效果

在初步确定激发因素试验效果的基础上，采用上述激发方式布置了4条试验线，以验证试验点试验的成果。试验线1为4m道距接收，采用夯重激发方式激发；试验线2为4m道距接收，采用人工锤击激发方式激发；试验线3为2m道距接收，采用夯重激发方式激发；试验线4为2m道距接收，采用人工锤击激发方式激发。试验线1—4线的叠加剖面图分别如图6所示。

通过4条试验线初步叠加剖面分析：2m和4m道距接收，夯重激发目的煤层对应反射波连续性较好，频率相对较高；人工锤击激发目的煤层对应反射波连续性相对较差，频率相对较低；采用夯重激发，2m道距目的煤层对应反射波频率相对较高。

图5 人工锤击激发条件下分析对比

图6 试验线1—4线的叠加剖面图

2.4 试验结论

在地形较为平坦的区域(夯重设备可以到达的区域)，采用夯重激发，单点垂叠次数为14次或16次，4m道间距接收；在地形复杂的区域，采用人工锤击激发方式，单点垂叠次数为16次或18次，2m道间距接收。

3 现场应用

3.1 试验区概况

榆林市府谷县张三沟矿位于陕西省榆林市府谷县城西北50km处，由3个小煤矿资源整合而成。目前矿井生产能力为1.2Mt/a，开采深度标高为+1240～+1155m，井田面积为14.3629km2。该矿矿井西部原2-2煤采空区边界不明；矿井井田东南部区域，资源整合前两座煤矿形成的采空区分布范围不明，均会影响到矿井工作面的布置。为查明采空区的分布及范围，在划定的1.2162km2的区域内采用浅层二维地震勘探技术对2-2煤采空区进行探测。

3.2 探测设计

探测区地层倾角较小，2-2号煤层平均埋深约90m，最大埋深约101m。将上述试验结论用于本次现场施工中，采用夯重设备激发，选用接收道距4m，CDP点距2m，采用16次锤叠次数，检波器组合方式为检波器3个串联，挖坑埋置。

最大炮检距Xmax要考虑目的层埋深、动校正拉伸、分辨率、折射波的干涉等因素，本次取Xmax=160m。最小炮检距Xmin取决于最大炮检距以及声波、面波发育情况及目的层埋深等诸多因素，根据本区情况来，取Xmin=4m。综上所述本次浅层二维地震系统的观测参数见表1，观测系统如图7所示，其中，80道接收，中间激发。

表1 施工参数

图7 观测系统

3.3 施工布置

本次浅层二维地震勘探工作主测线间距不大于160m，每平方公里物理点不低于667个，依此为依据，共布置地震测线8条，测线总长9376m，生产物理点1167个，获得生产记录1167张，剖面总长8534m，测线布置如图8所示。

图8 测线布置(m)

3.4 成果解释

勘探区主要查明2-2煤层采空区赋存情况，本次地震时间剖面主要表现为以下几种情况：推断赋煤区域表现为2-2煤层对应同向轴较为稳定，连续性较好，在地震剖面解释图上以线框圈出；异常区(推断采空区)表现为煤层反射波突然消失或反射波非常凌乱、没有成层迹象，在地震剖面解释图上以线框圈出。异常区(疑似采空区)煤层对应反射波较为凌乱、扭曲，局部地段煤层对应反射波减少，偏重于局部地段采空或煤层变化。煤层结构变化区煤层对应反射波与正常地层对应反射波存在明显区别，但仍有成层痕迹，排除采空区的可能性，可能是煤厚、夹矸变化或存在构造现象引起。DZ3测线局部探测成果如图9所示。

图9 DZ3测线局部探测成果

通过分析测区内地下煤层的开采条件，主要包括开采方法、现有已知井下开采开拓布局、采空区分布情况等，根据掌握的地质、开采条件对探测成果剖面的电阻率分布特征和地震同相轴特征进行正确的地质解释，基本查明了勘探区内2-2煤采空区分布范围。综合解释异常区3处，如图10所示，其中，2处为推断采空区，1处推断为煤层结构变化区。异常区1(推断采空区I)：位于物探测区北部，1号钻孔与2号钻孔连线以东区域采空面积约0.2702km2；异常区2(推断采空区II)：位于物探测区东部边界附近，面积约0.0644km2；煤层结构变化区位于测区东部，面积约0.0378km2。

图10 探测成果

3.5 钻探验证

为验证探测区浅层二维地震的探测成果的准确性，在探测采空区施工5个钻孔(施工参数见表2)。根据钻孔揭露情况可知，1号、3号、4号及5号钻孔均揭露2-2煤采空区，2号钻孔未揭露采空区主要是由于原有房柱式采空区回采率较低，煤柱留设不规范，可能打到遗留煤柱上。总体验证效果较好，表明浅层二维地震可有效探测浅部采空区。

表2 钻孔施工参数

4 结 论

1)通过对测区进行试验，优化了激发震源、垂叠次数、道间距等施工参数。经过试验点试验，发现夯重激发单点垂叠次数采用14次或16次综合效果较好；人工锤击激发单点垂叠次数采用16次或18次综合效果较好；经过试验线试验，发现2m和4m道距接收，夯重激发目的煤层对应反射波连续性较好，频率相对较高，而人工锤击激发目的煤层对应反射波连续性相对较差，频率相对较低，因此，采用夯重激发，2m道距目的煤层对应反射波频率相对较高。

2)根据榆林矿区的地质条件，结合优化参数，采用浅层二维地震地球物理勘探方法对张三沟矿2-2煤采空区的分布情况进行探测，探测面积为1.2162km2，布置测线8条，测线总长9376m，共探测出2处为采空区，1处为煤层结构变化区。并通过地面钻孔对物探成果进行了验证，表明浅层地震可有效探测采空区，物探成果可靠，可为采空区的普查、治理提供依据。