巷道地震波法在金属矿山采空区探测中的应用

郭美延, 丁向南， 许新骥

(1.山东大学岩土与结构工程研究中心， 济南 250061; 2.山东大学齐鲁交通学院， 济南 250061)

矿产资源是社会和经济可持续发展的重要基础，是支撑人民生活水平提升和社会经济稳定持续发展的重要前提[1]。然而，在地下矿产资源开发中，分布不明的采空区、断层等致灾构造给生产安全带来了严重威胁，若未能提前处置与有效应对，作业过程中极易发生地质灾害(采空区突水、塌方等)，造成重大经济损失和人员伤亡。因此，亟需较准确探明作业巷道前方采空区等致灾构造的分布情况。常规的地表勘察方法如高密度电阻率法[2]、电磁波法(地质雷达法、瞬变电磁法等)[3]、地震波法[4]等，因受金属电磁强干扰、地表起伏、矿脉深埋等原因，难以较准确探明巷道前方采空区的分布、规模等信息。为此，鉴于巷道作业近距离观测的优势，开展矿山巷道内超前地质预报，是提高采空区探测准确率的有效方法。

地震波法因具有探测距离远、对界面较敏感等优势，被广泛用于矿山巷道、水工隧洞、公路隧道等不良地质构造探测。研究者们将地震波法用于巷(隧)道的不良地质探测与相应特征分析：如窦文武等[5]研制了矿井分布式地震超前探测系统，并将其用于煤窑采空区及高瓦斯矿井探测；程久龙等[6]基于正演数值计算分析了巷道地震探测散射波成像特征；Liu等[7]提出了SAP (seismic ahead-prospecting)技术，并在高黎贡山隧道、吉林引松隧道等掌子面前方断层或破碎带探测中取得了成功应用；李娜等[8]对巷道环境地震波波场特征识别进行了分析；郭立全等[9]应用矿井震波超前探测技术探明了巷道前方的断层。综上，地震波法为巷道/隧道地质探测提供了有效手段，为矿区安全开采提供了重要支撑。

鉴于巷道地震波法对不良地质构造的较好探测效果，将其用于解决弓长岭铁矿和眼前山铁矿巷道前方不良地质探测难题，开展巷道地震波超前预报技术的适应性研究，重点探明巷道前方的采空区分布特征。应用工程弓长岭铁矿和眼前山铁矿同属于沉积变质型铁矿床，是铁矿石原料生产重要基地之一。在矿区前期开采过程中，揭露了多个采空区和民采巷道，给生产作业带来了困扰；随着开采的逐渐深入，未知采空区等灾害源对作业安全威胁也愈加严重。为探明巷道前方未知采空区、民采巷道等灾害源的分布情况，保证当前工作面作业安全，采用地震波法超前地质预报技术进行采空区探测：首先，基于前期勘察资料和开采作业揭露情况，进行矿区地质分析；进而选取并介绍了适用于巷道地震波探测的观测方式和数据处理方法；在此基础上，对弓长岭铁矿巷道和眼前山铁矿巷道前方采空区进行探测和解译；此外，开展了数值模拟与分析，揭示了超欠挖导致的非平整表面对巷道地震波探测的影响特征，为优化探测解译和结果验证提供了支撑。研究成果可为同类工程采空区等地质探测提供借鉴和指导。

1 工程概况

1.1 弓长岭铁矿地质概况

弓长岭铁矿自 1949 年建矿以来，一直是鞍钢的主体矿山和高品位富矿的主要供应地。从2005年12月开始，国家和辽宁省共投入地质勘查资金1 760万元，在辽阳市弓长岭铁矿二矿区外围和深部开展铁矿资源勘查，探明铁矿资源量1.2亿t，其中富铁矿超7 400万t，平均品位达63%，成为辽宁省近40年来发现的最大富铁矿。然而，弓长岭铁矿地下存在许多采空区，尤其是地方小矿点不规范滥挖, 加剧了采空区的分布和隐蔽性。这些采空区形态复杂, 在空间位置、深度、规模不同, 且大多数采空区已经坍塌或充水，严重威胁着矿山大型设备及人身安全。在施工过程中常发现并测量到民采巷道的分布，在巷道掌子面前方探明存在椭球形民采空区，为查明民采老废巷道分布情况，在弓长岭矿盲斜井54 m水平剖面开展井下地震超前探测试验。

1.2 眼前山铁矿地质概况

眼前山铁矿地处鞍山市东部，距鞍山市中心约15 km，占地面积约1 km2。主要经营矿种为磁铁矿，保有资源储量为7 198万t。自2012年由露天开采全面转入地下开采，区域出露地层以震旦系变质岩系为主，并有震旦系、寒武系及第四系, 同时还有不同时期的火成岩侵入。该矿区与齐大山、王家堡子、胡家庙子及关宝山等铁矿床构成了一条东西走向、长约14 km的狭长铁矿带[10]。随着眼前山铁矿开采深度不断下降，矿山地压活动日益突出，地下采空区围岩在拉压应力作用下开始脱离，诱发采空区塌陷，对巷道作业面施工带来严重威胁。为查明断裂破碎带采空区赋存情况，在中茨采区主斜坡道A19～A20方向进行地震波法探测。

矿山作业施工面临的重要任务就是矿内的老废巷道和破碎带等采空区进行探测, 查清采空区位置、形状、规模, 为地下资源的开发、矿山开拓计划的执行和地质灾害的预防、治理提供依据。为预测巷道工作面前方的采空区等灾害源情况，支撑资源开采安全，研究采用地震波法进行探测。工程位置示意图如图1所示。

2 巷道地震波超前地质预报方法

2.1 观测系统

巷道探测采用地震波法超前地质预报设备，如图2所示，设备主要包括：① 便携式地震主机，用于数据采集控制、质量检查与处理分析；② 12个无线采集模块和高精度三分量地震波检波器，用于在边墙上采集地震波信号；③ 1个人工震源(锤)和触发器等。该仪器采用人工锤敲击巷道边墙以实现地震波的激发，地震波在岩体中传播，当遭遇波阻抗界面时产生反射波，通过安装在巷道边墙上得检波器观测地震信号并无线传输到主机，主机对信号处理分析以完成探测工作。

数据采集是地震探测的重要基础，为在有限的巷(隧)道空间采集较充分的有效波信息，选用地震探测观测方式如图3所示：① 两条检波器测线分布在巷道两侧边墙上，每条测线上均有6个检波器，相邻检波器之间的间距为2 m；②震源点设置在接收测线与掌子面之间，每侧边墙设置6个震源点，共12个震源点。以上观测系统在巷道的轴向、垂直和水平方向上都有偏移距[7]，有利于获取较全面的波场信息，为异常体探测识别及定位提供数据支撑。

图1 工程位置示意图Fig.1 Location of the project

图2 巷道地震波法超前地质预报探测设备及工作原理图Fig.2 Working principle diagram of ahead-prospecting detection equipment of roadway seismic wave method

图3 观测系统示意图Fig.3 Observation system

数据采集主要参数如表1所示。共设置12个激震点，每个激震点锤击3次，然后将地震记录进行叠加以达到压制巷道中随机噪声并增强有效信号的目的。

表1 地震探测采集主要参数Table 1 The main parameters of seismic exploration acquisition

2.2 数据处理

巷道地震波超前探测数据处理主要包括三部分：数据预处理、波形处理及偏移成像[11]。

2.2.1 预处理

高质量的地震数据是准确成像的基础，为此对观测原始记录进行坏道切除、时窗选择和数据叠加处理。其中，时窗以目标探测距离和岩体波速为基础进行计算，确定所需窗长后对数据进行分段处理和叠加，提高有效反射波的能量，压制噪声干扰影响。

2.2.2 波形处理

① 对直达波进行速度分析，估算巷道近距离岩体波速；② 切除直达波，提高后方反射波场的可辨识度；③ 基于频谱特征分析，采用带通滤波滤除高、低频噪声干扰；④频率波数域(frequency wave-number, F-K)滤波，基于巷道前方反射波与巷道环周干扰波的视速度差异进行滤波，重点保留来自巷道掌子面前方的有效反射信息；⑤ 垂直波慢度-水平波慢度(τ-p滤波)，进一步细化视速度差异，从波场信号中提取主要的纵波波场信息用于后续的偏移成像。

2.2.3 偏移成像

通过波形处理，可获得探测目标体的有效反射波场。为进一步预测目标体的空间位置，采用等旅行时偏移成像方法，将时间域的地震反射记录转换到深度域的空间位置，最终实现采空区等灾害源的位置和分布，支撑地质解释[12-13]。

3 铁矿巷道前方采空区探测

3.1 弓长岭铁矿巷道前方采空区探测

本次采用巷道地震波法对工作面前方120 m范围内的民采空区等灾害源进行探测。数据采集过程中，巷道环境较为安静，噪声干扰较小；巷道边墙呈不规则起伏状，平整性较差。因此在图3所示观测系统上的基础上，适应性调整布设方式，实际观测方式如图4所示：① 12个检波器(A1～A6，B1～B6)通过耦合剂固定在巷道两侧边墙，检波器间距沿巷道方向约3 m；② 共布置6个震源点(S0～S5)，均位于检波点前方左侧巷道壁，高程约2 m，最小偏移距约为5 m；③ 每个震源点锤击3次，进行数据采集。现场观测系统布设、数据采集与处理如图5所示。

通过观察图5(c)原始地震数据，地震记录较为杂乱，尾波干扰明显，影响同相轴识别，推测由于非平整边墙检波器安置产生绕射干扰导致；由图5(d)频谱图可知，信号频带位于250～1 250 Hz，主频为500～900 Hz。

图4 弓长岭铁矿探测观测系统Fig.4 Observation system of Gongchangling iron mine 6

通过2.2节所述数据处理，获得前方地质情况的探测结果如图6所示，结果显示，在巷道工作面前方80～110 m范围内存在强反射区域。结合地质分析，推断前方地质体结果如下：① 在工作面前方0～20 m，存在零星弱反射，推断非平整干扰导致假成像；② 工作面前方20～80 m，虽有零星弱反射，但无明显强反射，因此推断岩体岩性较单一，完整性较好；③ 在工作面前方80～110 m，存在能量较强反射，推断可能存在采空区。

图5 弓长岭铁矿现场探测Fig.5 Exploration of Gongchangling iron mine

图6 弓长岭铁矿探测偏移成像结果Fig.6 Migration imaging results of Gongchangling iron mine

3.2 眼前山铁矿巷道前方采空区探测

采用巷道地震波法对工作面前方120 m范围内的采空区等灾害源进行探测。数据采集过程中，巷道环境较为安静，噪声干扰较小；巷道边墙表面平整规则，无异常凸起或凹陷。因此观测系统的布设略有调整，实际观测方式如图7所示：① 12个检波器通过耦合剂固定在巷道两侧边墙(A1～A6，B1～B6)，检波器沿巷道轴线方向间距约3 m；② 共布置12个震源点分两侧边墙布置(S1～S12)，分别位于巷道的拱低、拱腰和拱肩，高差约2 m，与检波器的最小偏移距为5 m；③ 每个震源点锤击三次，进行数据采集。现场观测系统布设、数据采集与处理如图8所示。

由图8(c)和图5(c)对比可知，平整边墙下检波器接受地震数据质量更优，地震记录中无明显尾波和绕射干扰现象，同相轴相较易于识别；图8(d)频谱图显示信号频带位于200～1 000 Hz，主频为300～700 Hz。

通过数据处理，获得前方地质情况的探测结果如图9所示，结果显示，在巷道工作面前方20～40 m和70～90 m范围内存在强反射区域。结合地质分析，推断前方地质体结果如下：① 在工作面前方40～70 m，虽有零星弱反射，但无明显强反射，因此推断岩体岩性较单一，完整性较好；② 在工作面前方20～40 m和70～90 m，存在能量较强反射，推断可能存在采空区。

图7 眼前山铁矿探测观测系统Fig.7 Observation system of Yanqianshan iron mine

图8 眼前山铁矿现场探测Fig.8 Exploration of Yanqianshan iron mine

对比图9和图6成像结果可知，不同边墙条件下接受地震数据成像结果存在差异，非平整边墙干扰下存在较多分布较广的弱反射，开采面前方易出现假成像，不利于结果解译及地质推断。

图9 眼前山铁矿探测偏移成像结果Fig.9 Migration imaging results of Yanqianshan Iron Mine

3.3 探测结果小结

(1)现场测试与作业施工表明，在弓长岭铁矿巷道和眼前山在弓长岭和眼前山铁矿巷道前方均存在有采空区或老废巷道存在，其分布状态与探测结果基本一致。该探测研究为铁矿巷道作业施工提供了重要的地质资料，为巷道安全提供了支撑。

(2)弓长岭铁矿巷道地震波超前探测结果中，存在多处的零星反射，随机分布在巷道掌子面前方0～80 m(验证无采空区或老废巷道)和80～120 m范围内(验证存在民采老废巷道)。

(3)考虑弓长岭铁矿巷道相较于眼前山铁矿巷道存在较大的差异——即巷道边墙存在强起伏、平整度低，采集地震数据质量及成像结果存在差异，为地质解译带来困难。推测其主要产生原因为：地震反射波场在传播到巷道边墙时，边墙非平整面将形成多个散射点，导致地震波场产生绕射干扰波场，与有效反射波场进行混叠导致的。为提高巷道采空区地震波探测结果解译准确性，需进一步对非平整波边墙条件对波场的影响进行分析。

4 非平整边墙对地震探测结果的影响

4.1 巷道非平整边墙特征

在弓长岭和眼前山两处铁矿的探测工程中发现，巷(隧)道边墙在实际的工程应用中并不是完全符合预期中那样完整、平直的。在很大一部分巷(隧)道，尤其是钻爆法巷(隧)道以及矿产巷(隧)道中，超欠挖现象突出。

(1)巷道超挖边墙：以设计的巷道开挖轮廓线为基准线，实际开挖的断面在基准线以外的部分称为超挖。

(2)巷道欠挖边墙：以设计的巷道开挖轮廓线为基准线，实际开挖的断面在基准线以内的部分称为欠挖。

工程实际开挖过程中地质条件不同，巷道围岩物理力学性质存在差异，因此选择施工工法不同，导致开挖边墙并非存在超(欠)挖单一特征，而是如图5(a)、图5(b)所示的不规则(锯齿状)边墙，边墙表面在长距离范围内呈凹凸不平状，整体来看无大尺度凸起或凹陷，观测系统较难按照设计规则进行布设，激震点或检波点会相比于设计位置发生部分或整体偏移，检波点之间表面不平整。

4.2 非平整边墙巷道地震探测数值模拟

针对弓长岭铁矿及眼前山铁矿探测应用，采用有限差分地震波正演模拟方法，以平整边墙和非平整(锯齿状)边墙为例，分别进行相应的数值模拟，获取不同边墙条件下地震波场记录，进行分析对比。两种巷道边墙类型设计及相应参数如图10所示。

本次数值模拟设置巷道长50 m，平整边墙巷道宽为10 m，不规则边墙巷道边界上下浮动0～1 m；网格间距为；采空区区域中心位于巷道前方70 m处，长度为60 m。

设置600 Hz的雷克子波作为点震源，分别布置于巷道上下隧道壁，距掌子面距离10 m；沿巷(隧)道走向，上下边墙均布置检波器，偏移距为10 m，保持道间距走向上均为5 m；采样间隔为0.000 05 s。模型四周设置完全匹配层(perfectly matched layer, PML)吸收边界以避免边界反射，吸收边界占据40网格。

数值模拟各介质参数(密度、纵波速度及横波速度)如表2所示。选取0.005 s和0.03 s时正演模拟地震波场快照，波场值大小的变化如图11所示。

图10 数值模拟巷道边墙类型Fig.10 Roadway side wall types of numerical simulation

对比图11(a)和图11(c)发现非平整边界处产生绕射干扰和多次反射波，波场复杂；对比图11(d)与图11(b)，发现受非平整边界影响，采空区反射信号波前面较难识别。

表2 正演模型介质参数Table 2 Media parameters of forward modeling

图11 数值模拟波场快照Fig.11 Snapshot of the numerical simulation wave field

4.3 影响分析

平整边墙模型和不规则边墙模型数值模拟获得地震波场记录分别如图12(a)所示。结合波速计算及波场快照分析，确定波类型，如表3所示。由地震记录可知直达纵波约于0.003 8 s时到达#1检波器，最小偏移距为10 m，计算波速约为2 638 m/s，与设定相符；采空区前端反射波双程旅行时约为0.05 s，计算采空区前端距掌子面距离约为50 m，符合设定。

由图12可知，非平整边墙情况下，接受地震数据与平整边墙情况下地震数据存在一定差异，表现在地震记录中具体有如下差别。

图12 数值模拟地震波场记录Fig.12 Seismic wave field records of numerical simulation

表3 地震波类型Table 3 Type of seismic wave

(1)对比图12(a)、图12(b)可知，非平整边墙情况下，仍保持道间距沿巷(隧)道壁走向相同，导致实际传播距离不同，地震波到时存在差异，影响地震记录同相轴识别。

(2)对比图12(a)、图12(b)可知，非平整边墙情况下，检波器接收地震子波前，受到非平整边界影响，产生一定绕射和干涉现象，波形发生相应变化。

(3)对比图12(b)中可知，非平整边界情况下，受检波器安置位置影响，不同检波器接收地震数据存在能量差异，地震记录波形存在振幅差异。

(4)对比图12(a)、图12(b)可知，相较于平整边墙，非平整边墙下检波器所处检波环境存在差异，且存在绕射、干涉等干扰信号，接收前方采空区异常体反射信号更为杂乱，地震记录连续性较差。

基于经验分析，在非平整边墙条件下接收到的地震数据，与平整边墙接收到的地震数据相比一定会有差异存在。结合图5(c)和图8(c)不同边墙条件下，工程探测实际地震数据存在的差异，根据相关的理论基础，可知：① 在地震波的到时上一定会有微小的差异；② 被检波器接收到的地震子波在到达检波器之前会受到非平整边界的影响(主要有绕射或者干涉)，因此波形会发生相应的变化，不同的检波器所位于的检波环境差异较大时，不利于地震记录上同相轴的识别；③ 非平整边界产生的绕射波和干涉导致地震波场记录存在无法通过滤波等处理消除的干扰成分。

5 结论

(1)未知采空区、断层破碎带等灾害源探测对铁矿开采非常重要。采用巷道地震波法探明弓长岭铁矿盲斜井54 m深度巷道前方80～110 m处存在的民采老废巷道及眼前山铁矿中茨采区22～30 m深度主斜坡道前方存在采空区，现场作业施工结果与探测解译结果基本一致，为巷道作业施工提供重要地质资料，提供安全保障，充分验证了巷道地震波法应用于铁矿采空区探测的可行性和必要性。

(2)依据弓长岭铁矿巷道非平整边墙对地震探测数据产生的影响，开展非平整波场数值模拟研究分析。揭示了非平整表面检波器安置对地震波探测的影响特征，如实际偏移距不同，导致波场到时不同；检波器环境差异，接收地震波能量存在差异；非平整边界处，地震波场易产生绕射、干涉等干扰等。未来将继续深入研究非平整边墙下观测系统布设和非平整干扰压制方法，进而优化解译结果，为采空区巷道施工作业提供安全保障。