矿井采空塌陷区地震探测与识别技术应用研究

2022-12-09周俊杰张二伟

煤炭与化工 2022年10期

周俊杰，张二伟，姚宇

（1.河北工程大学地球科学与工程学院，河北邯郸 056038；2.潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西长治 046103）

0 引言

矿井采掘活动的进行会形成采空塌陷区，造成地面变形和地表建筑物的破坏。如何精细、精准探测煤矿采空区是关键。地球物理探测手段和方法作为矿井探测手段之一，在矿井采空区探测中发挥着重要的作用。由于矿井地质条件复杂多变，老窑采空区资料的缺失或不明，给矿井采空区探测带来困难。地震勘探以其良好的纵向和横向分辨能力，被广泛应用于老窑采空塌陷区的探测中，特别是采空区塌陷引起的上覆和下伏岩层的破坏带的预测。不同学者从地震数据采集时地震工程布置、不规则观测系统设计等多方法和技术进行了探测，但探测效果还存在缺陷。同时，采空区分布的不规则性，使采空区及其围岩边界处的地震反射层面发生变化，对于地面接收到的地震信号是否为采空区及其围岩边界形成的界面反射是地震数据处理与解释的难点。

本文依据山西潞安集团余吾煤业有限责任公司现采3号煤层中的S5101工作面开采情况，在其地表布置2条勘探测线，通过煤层开采前和开采后同一条测线的地震探测，精细识别工作面开采前后形成的单炮地震、叠加时间剖面记录，识别出开采后形成的采空区地震地质响应特征，确定开采后形成的采空区分布空间特征、位置及开采后形成的地表破坏范围。

1 矿井地质概况

山西潞安集团余吾煤业有限责任公司矿井主采3号和15号煤层，现采S5101工作面3号煤层，煤层深度大致为400 m。为有效探测和掌握采空区影响范围、大小及分布特征，通过在地表布置二维地震勘探测线，利用地震数据识别采空区位置和空间分布形态，合理圈定工作面采空区地表影响范围。

2 采空区地震探测技术

2.1 反射波探测采空区的物理基础

煤层与围岩之间形成一定良好的波阻抗差异界面，当煤层足够厚时，就可形成连续的地震反射波。当煤层开挖形成采空区后，煤层（低密度、低速带）与围岩之间形成良好的地震反射波组。

煤层采空区及其塌陷区与完整的煤层（或者上覆岩层）之间，地层松散、密实度降低，同时在塌陷区和采空区的边界处，会形成一定的破裂、裂隙的存在，在地震反射中常表现为一定的绕射波、散射的现象。

2.2 工程布置

依据野外地形和S5101工作面位置投影，在工作面切眼和回采800 m位置处布置2条测线进行地震勘探，如图1所示，点距5 m，端点激发方式，96道接收道集数。DC1侧线平行于工作面项北部延展，DC2测线与工作面斜交，经过采前和采后2次2条测线同一位置的地震探测，分析和评价工作面采前、后地面变形范围。

图1 二维地震勘探地面测线位置分布Fig.1 Location distribution of ground survey lines in two-dimensional seismic exploration

3 采空区地震勘探精细识别技术

3.1 采空区单炮地震记录精细识别技术

通过2条测线同一位置处在工作面开采前、后的地震勘探工作，得到工作面回采前、后原始单炮地震记录，如图2、图3所示。从图2、图3上可以看出，对比工作面回采前、后，回采后的地面塌陷地段取得的地震记录存在明显的绕射波，且地震单炮记录的频率变低，同一反射层位形成的相位和频率出现变化，甚至出现中断，部分地段形成相位反转、波形畸变，振幅出现变小特点。

图2 工作面回采前、后同一位置单炮记录Fig.2 Single shot record at the same position before and after working face mining

图3 工作面回采前、后单炮记录频谱曲线Fig.3 Curve of single shot record frequency spectrum before and after working face mining

对回采工作面回采前、后的塌陷地段的地震记录频谱曲线进行对比，表明工作面回采前的煤岩层地震反射波的优势频率在70 Hz以上（图3a），工作面回采形成地面塌陷区后的煤岩层地震反射波的优势频率在60 Hz以下（图3b）。说明工作面回采后由于上覆岩体的运移，煤岩层位置的空间变化使煤层反射波动力学特征发生明显变化，地震记录表现为振幅减弱，频率降低，相位反转及波形畸变等。据此特征，可精细识别出工作面回采后造成的地表破坏地段。

3.2 采空区叠加时间剖面前后对比

野外地震记录经过针对性地震数据处理后，得到高质量叠加时间剖面。DC2地震测线在回采前、后同一位置处的叠加时间剖面如图4所示。对叠加时间时间剖面的对比可看出，工作面回采后造成该处煤层缺失，同时引起上覆煤岩层的破裂与沉陷，造成叠加地震叠加时间剖面同相轴出现不连续、异常现象。回采后的地震叠加时间剖面采出煤层位置处出现空白区，上覆煤岩层发生变形区，地震剖面表现出回采前的地震记录连续性好，回采后由于岩体的运移造成地震记录发生下陷特征，而周边为采掘的煤层同相轴连续性好。通过对采区破坏后的叠加时间剖面的识别，利用采空区边界特点，确定塌陷区与围岩之间的破裂角度为65°左右。

图4 DC2测线回采前、后同一位置叠加时间剖面图Fig.4 Superimposed time profile of same position before and after mining of No.DC2 survey line

为更为精细识别和确定工作面回采造成的地表和上覆岩体的破坏范围，在叠加时间剖面上充分反映出工作面回采造成的上覆岩体破坏形成的地震记录特征（图5）。

图5 采空区在叠加时间剖面的反映Fig.5 The reflection of goaf in superimposed time profile

回采后的叠加时间剖面上出现了反射波组中断或能量变弱（图5a）；地震波频率的突变，工作面回采造成地面破坏范围内的地震波频率突然降低，可将地震波频率突变位置处划定为造成地面破坏范围的边界（图5b）；工作面回采造成反射波同相轴扭曲产状突变，表现为一系列反射波同相轴向煤层开采破坏范围内侧扭曲，因此其扭曲异常突变点的连线可以认为是工作面回采造成地表破坏范围的边界，且随着回采工作面上覆岩体破坏的稳定性增强，地震时间剖面上表现为地震波同相轴逐步向回采工作面中心位置倾斜的特征（图5c）；反射波相位转换，反射波极性发生反转，其反转起始点连线即为采空区边界（图5d）。

3.3 回采工作面地面破坏范围的圈定

依据地震勘探测线解释成果，采取地表破坏带精细识别技术，圈定S5101工作面回采后地表沉陷区影响范围，回采工作面回采造成的地面破坏范围主要集中在布置工作面边界外推130~150m，如图6所示。形成的主要破坏类型为地面不均匀沉降造成的地表沉陷和塌陷裂隙、陡坎等，不均匀沉降也会造成地表上覆建筑物和固有物的整体沉陷和开裂。

利用地震时间剖面解释的地表破坏带边界位置，进行实地位置的投影验证分析，距离DC1测线位置250 m处P1点（图6）为解释的地表变形破坏范围的边界，在实地的测量点位上可见地表形成与工作面走向基本一致的地表裂缝，长度约为50 m，裂缝宽度为15～20 cm，如图7所示。