井间地震在济南市小冶睦里煤矿采空区勘查中的应用

宋津宇，白新飞*，张晓彤，张军，徐蒙，于超，张松林，翟立民

(1.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250100;2.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250100)

0 引言

在采空区及其覆岩结构探测中，传统的工程地质钻探由于钻孔数量有限，很难全面地反映采空区及其覆岩结构现状，同时较深的钻孔更加大了勘查的难度和成本。而井间地震层析成像技术通过观测钻孔间岩体波速并反演其速度分布，可以较可靠地反映出井间剖面的地质情况，既具有较高的勘察精度，又降低了勘察的工期。由于地震层析成像技术获得的结果是地下介质弹性波速度的空间分布，与电磁波类方法比，弹性波速度与介质的力学性质的关系要密切得多，因此利用地震层析成像技术不仅有利于全面细致地了解探测区域采空区的大小、形态及空间分布，也有利于确定采空区覆岩结构类型。冯彦谦等[1]人阐述了井间地震层析成像的正反演技术；王立会等[2-5]利用井间地震勘查采空区，取得了较好效果；王俊茹等[6]研究了浅层地震勘探在采空区勘测中的应用；王磊等[7-9]总结了浅层地震法在煤矿采空区勘探中的应用；薛国强等[10-14]进行了煤矿采空区几种物理探测方法的应用综述。李天祺等[15]研究了利用井间地震勘探岩溶发育情况；严建文等[16-18]开展了井间地震方法和在石油勘探方面的研究；陈世军等[19-20]总结了井间地震技术的现状与展望；隋淑玲[17]开展了井间地震资料的属性分析及应用；本文工作选取济南市章丘区小冶睦里片区，结合工程钻探资料和煤矿实际开采资料，分析研究了井间地震层析成像技术在该地区采空区勘查中的可行性。

1 研究区地质概况

1.1 地层构造

研究区位于济南市章丘市境内，属华北地层鲁西地层分区。地表大部分为第四系覆盖，西侧冲沟有山西组、太原组零星出露。根据钻孔资料，区内地层自下而上依次为：奥陶纪马家沟群，石炭—二叠纪本溪组、太原组、山西组，第四纪大站组。

研究区构造以断裂为主。研究区位于济东煤田圣井煤矿区域，井田位于鸡山断层与黄旗山断层之间，黄旗山断层为井田的东边界断层，鸡山断层位于圣井煤矿以西，2条断裂构成一个地垒构造。研究区内的含煤地层整体呈断块构造，位于地垒中，含煤地层整体走向NW，倾向NE，地层倾角5°～15°，一般7°～8°。这2组大断裂基本控制了研究区断裂的形成和空间展布方向。

研究区大部分位于圣井煤矿矿井范围之内，主要含煤地层为太原组和山西组，共含煤13层，煤层总厚度3.5m，含煤系数为1.1%。太原组含4煤层，为煤7、煤9、煤10-2、煤13，可采煤层为煤7、煤9、煤10-2；山西组含煤3和煤4两层，煤3、煤4为局部可采煤层。

1.2 地球物理特征

研究区内采煤采空区和岩石破碎属于地质异常体。根据前期钻孔揭露，本区揭露的采空区有灰岩填充、岩石破碎多有方解石脉充填。充填方解石脉的破碎带和充填灰岩的采空区相对围岩介质(如完整的灰岩、砂岩)波速相对较低，反演波速剖面图中低速体应为探测异常，采空区和破碎产生的低速异常与围岩存在波速差异，这为研究区应用井间地震层析成像技术勘探寻找采空区和破碎提供了良好的地球物理前提。研究区内揭露岩土和岩体的波速数值见表1。

表1 常见岩土波速表

2 采空区井间地震层析成像技术勘查

2.1 基本原理

井间地震层析成像技术原理如图1所示。在测区内要有2口或更多钻孔(井)。每次在一口井的相应井段上，设置密集的震源点，在其预定的位置上安放震源，此为震源井；而在另一口井的相应井段设置密集的接收点，布置若干接收检波器，此为接收井。在震源井中规定间隔，逐点激发；在接收井中相应深度规定间隔，逐点接收。人工在A井中依次激发地震波，B井中接收地震波，分析地震波场在A和B井间地层的分布规律，利用正演和反演算法得出波场范围内溶洞﹑裂隙﹑采空区﹑断层等地质构造分布情况。

图1 井间地震层析成像技术原理图

2.2 野外工作方法

本次测试采用激发北京同度物探工程物探技术公司的TD-Sparker20KJ电火花震源型电火花震源和德国Geotomographie公司的水听器，数据采集SUMMIT24通道数字地震仪。本次研究工作布设了井间地震层析成像共2组4个钻孔，分别为ZK32-26与ZK32-27，ZK4-21与ZK3-21(图2)。根据地质任务及钻孔深度等条件，选择道距1m，炮距1m，共采集2对数据。

1—研究区范围；2—勘查区范围；3—煤3采空区；4—煤4采空区；5—煤9采空区；6—煤10-2采空区；7—井间地震钻孔；8—勘查钻孔图2 研究区钻孔、采空区平面图

2.3 数据处理

2.3.1 处理关键技术

在成像计算时必须知道首波(初至波)从激发点到接收点所走路径，当所测剖面比较均匀时可近似为两点间连线(直射线)。当异常体变化较大时，根据费马原理首波将沿走时最小的路径传播，要实现弯曲射线CT首先必须能够快速计算出首波走时和路径，通过应用Dijkstra所提出的最佳路径算法,成功解决了这一难题[21]，使得计算次数由O(N!)降为O(N2)。同时通过限定射线弯曲程度减少查找结点数可以进一步提高成像速度。

在首先使用直射线方法对剖面成像后，这时剖面速度图像是由许多正方形单元组成，每个单元内波速可近似认为均匀不变。据弹性波传播原理射线只能在单元边界上发生反射、折射或散射，因此进行射线追踪时，首先要对单元边界进行离散，选择快速计算方法是只用边界交点作为计算结点；精细计算方法是在单元边界中间内插一个结点，这样精度有所提高但计算时间加长。由于弯曲射线是在直射线附近弯曲，如果用剖面内所有结点来追踪射线计算量很大且没有必要，因此，规定在进行射线追踪时，以其激发点和接收点作为焦点所作椭圆内进行，则结点数可减少很多，从而提高计算速度。当椭圆参数b(短轴距离)/c(焦距)=1/10时称为小弯曲成像方法，适用于异常体较小的情况；当椭圆参数b/c=1/5时称为大弯曲成像方法，适用于异常较大的情况。

(1)

如果已知介质波速变化范围可使用约束条件 (1/Vmax)

2.3.2 资料处理流程

原始数据解编—噪声去除—炮点触发延迟校正—初至拾取—建立初始速度模型—走时层析反演计算。

图3 井间地震走时层析成像反演计算方法流程图

3 成果解译

3.1 ZK32-26与ZK32-27跨孔CT成像

ZK32-26与ZK32-27跨孔CT成像如图4所示，从图中可发现ZK32-26与ZK32-27钻孔基岩面延伸的情况，并从该中心钻孔与周围钻孔的弹性波CT速度剖面中，进一步从横向空间上划定基岩界面展布方向、从纵向空间上进行岩性划分和异常圈定。

图4 研究区ZK32-26与ZK32-27钻孔CT成像

横向上，深度范围60～67m，横向范围0～18.2m，速度反演结果体现为低速分布，推断为采空区；在深度范围90～100m之间，横向范围0～18.2m，速度反演结果体现为低速分布，推断为采空区；在深度范围100～130m之间，横向范围10～18.2m，速度反演结果体现为低速分布，即在井ZK32-27一侧岩石破碎；在深度范围210～220m之间，横向范围0～18.2m，速度反演结果体现为低速分布，推断为采空区。

本次ZK32-26与ZK32-27跨孔CT圈定的低速异常，与实际钻孔资料吻合较好，对应钻孔资料可知是岩石破碎和采空区。速度反演结果圈定的低速异常如下：

(1)ZK32-26、ZK32-27的60～67m成像显示为低速带，推断为三煤采空区。

(2)ZK32-26、ZK32-27的90～100m成像上显示低速带，推断为四煤采空区。

(3)ZK32-26、ZK32-27的210～220m成像显示低速带，推断为九煤采空区，上部20m受采空区塌陷影响，岩层松散破碎。

将速度反演结果与钻探资料、煤矿实际开采资料结合分析，推断ZK32-26与ZK32-27之间3煤、4煤、9煤层位上全部为采空区。

3.2 ZK4-21与ZK3-21跨孔CT成像

ZK4-21与ZK3-21跨孔CT成像如图5所示，从图中可发现ZK4-21与ZK3-21钻孔基岩面延伸的情况，并从该中心钻孔与周围钻孔的弹性波CT速度剖面中，进一步从横向空间上划定基岩界面展布方向，从纵向空间上进行岩性划分和异常圈定。

图5 研究区ZK4-21与ZK3-21钻孔CT成像

在深度范围0～70m、横向范围30～43m，速度反演结果体现为低速分布，反应岩石破碎；在深度范围65～80m之间，速度反演结果体现为低速分布，即在井ZK3-21、ZK4-21之间存在采煤采空区。

本次ZK4-21与ZK3-21跨孔CT圈定的低速异常，与实际钻孔资料吻合较好，对应钻孔资料可知是岩石破碎和采空区，速度反演结果圈定的低速异常如下：

(1)在深度范围0～70m、横向范围30～43m之间，速度反演结果体现为低速分布，反应岩石破碎。

(2)在深度范围65～80m之间，速度反演结果体现为低速分布，反应在井ZK3-21、ZK4-21之间存在采空区；将速度反演结果与钻探资料、煤矿实际开采资料结合分析，推断ZK3-21与ZK4-21之间4煤层位上全部为采空区。

3.3 采空区覆岩发育特征

根据两对井孔的速度反演结果推断的采空区层位，推断3煤、4煤、9煤垮落带和裂隙带高度见表2：

表2 采空区覆岩发育特征表

3煤层采空区覆岩跨落带高度范围为2.0～2.8m，可采区内3煤层平均采高0.6m，则跨落带高度为采高的3.3～4.7倍；裂隙带高度范围为10.5～13.2m，可采区内3煤层平均采高0.6m，则裂隙带高度为采高的17.5～22.0倍。

4煤层采空区覆岩跨落带高度范围为1.8～4.6m，可采区内4煤层平均采高0.6m，则跨落带高度为采高的3.0～7.7倍；裂隙带高度范围为11.6～16.0m，可采区内4煤层平均采高0.6m，则裂隙带高度为采高的19.3～26.7倍。

9煤层采空区覆岩跨落带高度范围为0.9～6.5m，可采区内9煤层平均采高1.3m，则跨落带高度为采高的0.7～5.0倍；裂隙带高度范围为18.6～30.2m，可采区内9煤层平均采高1.3m，则裂隙带高度为采高的19.3～23.2倍。

4 结论

(1)综合研究表明，岩石破碎异常纵波速度为1800m/s，采空区异常纵波速度为1400m/s，与实验得出的划分依据相吻合，同时证明了所得速度范围的可靠性，可以把试验所得速度范围应用于该区的岩性划分和异常圈定。

(2)钻孔揭露各岩层分层深度与井间地震层析成像技术解译推断岩性划分深度较为一致，采空区深度与井间地震层析成像技术解译异常位置也大致吻合；钻孔数量有限，钻孔间的采空区通过井间地震层析成像技术推断，可以较为完整、全面地反映采空区的大小、形态及空间分布。使得井间地震层析成像技术在采空区勘查中成为一种有效的补充手段，提高了采空区判别的准确性，具有较高的可行性与实用性。