煤矿采空区勘探新技术及应用.docx

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1、煤矿采空区勘查新技术及应用采空区勘探是工程物探的疑难问题之一。以非均匀地质模型为基础的地震散射技术作为一种新的勘探手段，在复杂地形地质条件的山区以及采空区的勘探中突显了其优越性。地震散射运用偏移图像的界面形态、负散射强度与速度图像的低速区分布特征，综合判定采空区的位置，提高了采空区判识的可靠性和分辨能力。具有探测深度大、分辨率高和图像直观等特点。在山西兴县煤矿采空区的探测中取得了满意的结果。1煤矿采空区探测技术现状目前国内的物探技术水平还不能完全胜任采空区探测的技术需要，现有的地震和电磁方法都存在一些局限性。地震方法目前主要是反射地震，主要用于层状地质结构，对于地质结构横向变化较大的山区和采空

2、区勘查效果不佳。电磁方法包括CSAMT、瞬变电磁、高密度电法、电导率等技术，对于含水的低阻采空区敏感，对于没水的高阻采空区不敏感。在北方地下水匮乏的地区和南方低阻煤层的情况下，都难以应用。为解决复杂地质条件下采空区的勘探问题必须发展新的物探技术。自上世纪80-90年代，以非均匀地质模型为基础的地震散射技术成为国内外地震学研究的热点。起初只是将其作为地球深部构造的研究手段。Aki、吴如山等（1992）编辑了地震波的散射与衰减专辑，利用天然地震波小角度前向散射特性和走时异常对地球深部构造进行CT成像。进入21世纪，赵永贵（2006年）首先将地震背向散射技术用于工程勘探，开发出TST隧道地质超前预报

3、技术，以及SSP地震散射勘探技术。李斌、石大为等（2012年）将SSP技术成功地应用到煤矿采空区的探查中，虞力、王国维等（2013年）将SSP技术用于石油勘探浅表松散层精细结构的研究。作为一种新的地震勘探技术，近年来在山区场地以及采空区勘探中有很多成功的应用，如贵州毕节高速公路隧址采空区的的勘探，河北保定南唐梅隧道病害的诊断等工程项目，均取得了满意效果。SSP地震散射技术是在地震反射的基础上发展起来的地震勘探新方法。它利用地震波的广角背向散射波场研究地下三维结构,依据偏移图像的界面形态与波速的分布特点综合判定采空区的位置，大大地提高了采空区识别的可靠性和分辨率，为煤矿采空区探查提供了一种新的有

4、效手段。具有勘探深度大、分辨率高、图像直观等优点，特别适合地形、地质条件复杂的山区进行采空区探测与精细地质结构成像的需要。2地震散射技术的基本原理(1)地震散射理论是建立在非均匀地质模型基础之上的。假定地下介质为非均匀各向同性,波阻抗在纵横方向上都可能存在剧烈的变化。弹性波在这种介质中传播时，遇到波阻抗变化界面就会激发散射波。这一物理过程可由波动方程来描述。令u表示弹性体内质点的位移矢量，其普适波动方程表示如下：z.ujr.uiuJ面口彭)+03;+嬴H其中U的下标表示位移分量；P、入、分别为密度、拉梅常数和剪切模量等力学参量，它们都是坐标的函数。6（t,x）为震源激发力。式中位移U表示总的波

5、场，在忽略多次散射的情况下，它可表示成入射波UO和散射波US之和的形式。(2)考虑一般情况下散射波比入射波弱得多，满足Born条件，即：usuouuo(3)对(1)式方程的微商进行展开，并考虑(2)、(3)式，得到入射波与散射波分别满足的波动方程：p+M)=x)t2xixjxj.xi合252ws.ut,i8%p1-(+=(x)t2xixixixjxiJJJ(4)C(X)=区M+现(也+如)xixjxjxjxi方程(4)第1式表示入射波满足的传播方程，非齐次项为震源力；第2、3式是散射波满足的方程，为非齐次项，称散射强度，是散射波的波源。散射波源的强度与力学模量的空间变化率以及入射波引起的应变成

6、正比。它是一个空间分布量，在介质均匀的部位散射强度为零。该方程表明，弹性介质模量变化的部位相当于被动震源，在入射波的激励下向周围辐射地震波，这就是散射波的物理基础。对于非均刍弹性介质，散射源是空间分布函数，根据Green理论，散射波的积分解可表示如下(HerreraandMai,1965)：伐=JG*xd2,x+J(G*jk-ijk*u0j)nkd2xVs+Gijnknd2xS1其中*表示时间域褶积，V是包含非均匀介质的体积，S是边界面，S1是不连续边界面，G为具有推迟势的格林函数，T,。分别为边界面上的力与应力。在地震勘探条件下，界面S和S1可取为无限大，边界面的散射波可以忽略，此时散射波可

7、简单地表示成体内所有散射源的散射之和：usi=Gij*a(x)d3x(6)该式表明地震记录的散射波是研究区内所有非均匀部位散射波之和。地震勘探研究的是反问题，通过地表激发和接收，确定地下散射强度。的分布，得到介质模量剧烈变化的界面与异常区分布。该反问题的解可表示为：a(x)=H(x9x09xs)u(xs,t)(t-f(x9x09xs9v)ds式中XO,XS分别为激发点与接收点的坐标，U为地表地震记录，V(X)为偏移速度,H为能量归一化函数，f为散射波走时函数，分别为:H(x,x0,xj=x-x0x-xs/(x,x0,x0,v)=,一项)1+归一匕(8)V(X)依据(7)式进行地震散射偏移成像。

8、它表明通过观测记录、激发与接收点的几何位置、地层的偏移速度等数据重建地质构造与采空区的分布图像。(8)表明，偏移速度是保证地震偏移图像真实性的关键，它是空间的分布参量。为实现地震偏移成像，必需对偏移速度分布进行专门地研究。由上述分析可知，地震散射勘探技术是建立在非均质模型基础之上的，适合复杂地质条件的山区、采空区、岩溶等地质场合，与地震反射方法相比其横向分辨率大大提高。3地震速度分析技术准确的地震速度分布直接影响到地震偏移图像的可靠性，同时也是判定采空区的依据。伴随煤矿采空区的坍塌、开裂与卸荷区的扩展，地层中纵向和横向的地震波速分布都会发生剧烈地变化，形成了复杂的低速区。为有效地获取复杂地质条

9、件下岩体波速的分布，在散射地震勘探技术中，建立了一种以Radon积分变换为基础的速度分析方法。由于篇幅的限制，本文中只能对该方法的原理与结果作简要的介绍。波速分析中的Radon积分变换是沿一系列的双曲线进行地震波能量的积分。当积分路径与反射波走时曲线一直时，能量积分有极大值。反射波的走时方程如(9)式：式(9)中h为界面深度，h为炮点深度，x为炮点坐标，X为接收点坐标；T为炮点垂直反射的双程走时，V为界面上部岩体的平均波速。u(x,t)表示地震波记录数据，RadOn积分写成(10)式。(10)E,(,v)=M2(x,t)(t-/(,X,v)dxd式中E(,v)为反射波能量的积，它随积分路径而变

10、化，是t、V的函数。反射波能量在x-t域中是沿双曲线分布的，能量分散，信噪比低；在变换后的T-V域中反射波能量集中到一点，其纵坐标T是界面的深度的度量，横坐标V是界面波速的度量。变换使得反射波能量集中在一点，信噪比大大提高，同时界面深度、波速等变得清晰、直观，使得波速分析的精度与分辨能力大大提高。这是引入Radon积分变换的主要目的。基于Radon积分分析方法可建立炮点垂直断面的速度结构，组合多个炮点可构成二维的或三维的速度结构，见图2、图3。偏移速度可直接用于地震偏移成像，层速度可用于采空区的判识。4地震散射技术在采空区勘探中的应用4.1 矿区地质概况山西兴县苏家吉煤矿的含煤地层为石炭二叠系

11、。二叠系山西组8号煤层埋深在20-30m,石炭系太原组煤层埋深在60m-1C）Om范围。矿区内原有15处民采区，其中立井3处，斜（平）碉12处。由于无序开采，现无开采资料可查。根据有限的地质钻孔，只能作粗略估计。ZK2001、ZK2400.ZKI600、ZK3200等钻孔揭露8号煤层采空区埋深在2030m；ZK26A08.ZK2808等钻孔揭露13号煤层采空区埋深IOOm左右。矿区内由采空区引起的次生地质灾害频发，6次滑坡，1处地面塌陷，以及3处潜在崩滑点。采空区对燥矿与铝土矿地下开采的安全构成了严重威胁，为确保矿山生产安全，决定对采空区的分布进行物探勘查，以便采取有效的治理措施。4.2 地震

12、勘探布置与采集系统本次勘探采用地震散射技术，布置1条测线，长240m。测线经过4个已知钻孔，其中中间的2个钻孔发现了采空区，两端的钻孔未发现采空区。勘查的目的是查清采空区的分布范围、深度，并与钻孔资料进行对比。测线位置见图1a。.图Ia地震测线位置图Ib地震数据采集方式地震勘探使用24道工程地震仪，锤击段源。采用滚动观测系统，检波器间距2m,炮间距4m,共得到60个地震记录。炮点位于排列中点，以提高波速分析精度。勘探深度120m。地震数据采集方式见图1b。4.3 地震数据处理流程与结果数据处理的第一步是进行方向滤波，滤除面波、声波，取出地下的散射波，为波速分析和偏移图像做好准备。数据处理的第二

13、步是进行速度分析,应用Radon积分变换对每个炮点记录进行速度分析,建立炮点的一维垂直速度剖面。由60个炮点的速度结构组成二维速度剖面（图2）,用于偏移成像时深转换。由速度剖面经换算得到了二维层速度剖面（图3）。层波速图像中红色、黄色表示高波速区，蓝色表示低波速区。数据处理的第三步是进行合成孔径的偏移成像。成像中方向滤波后的地震数据和二维偏移速度剖面。成像的物理量是散射强度,它反应地质介质波阻抗差异的大小，可以展现地质界面形态和构造的分布特征。偏移成像结果示于图4,图中红色为正散射，为波阻抗增加的界面；深蓝与淡蓝色为负散射，为降低的界面。波阻抗差异大，散射能量强。图中纵坐标为深度，横坐标为里程

14、。2K2400立井ZK21立弁图2二维偏移速度剖面ZK2400立并ZK2001立井图3二维层速度剖面图4地震偏移剖面4.4 采空区判识的物理基础地震散射勘探提供两类地震图像，一类是地震偏移图像，另一类是速度分布图像。偏移图像主要反应地质界面的形态与地质构造特征,波速图像主要反映地下岩层地震波速的分布形态。对地震勘探结果进行地质解释必须综合考虑上述两方面内容.煤矿采空区及其上覆岩层的崩塌、开裂与变形，会形成大范围的低波速区，这是采空区的显著特点。采空区坍塌区将导致煤层界面的缺失、上覆地层界面错断。采空区的边缘以蓝色负散射为主，散射强度大。因此，地震散射勘探可以通过地质界面的断续形态、负散射强度与

15、低速区的分布特征来综合判识采空区的位置，这是采空区地质解释的物理基础04.5苏家吉煤矿采空区勘探的结果地震散射勘探提供地震偏移图像和波速分布图像。地震偏移图像主要反映地层界面的分布形态和构造特征。图4中黄色层位对应强度较高的砂岩与煤层。图像显示这些地层的形态十分免杂，折曲严重，说明该地区地处构造发育地带。在偏移图像中采空区的特点是以深蓝色为主的强负散射区与淡蓝色的负散射区。这些采空与坍塌区主要分布在两段区域，一个是里程35m-100m、深度10-7Om的范围内；另一个是170m-220m、深度IOm-80m的范围内。偏移速度与层速度剖面（图2、图3）主要反映岩体波速的分布特征，特别是低速区的分布与采空与坍塌区有密切关系。层速度图像中红色、黄色为高波速区，对应未受开采影响的岩层，包括砂岩和煤层，波速在2500ms以上；绿色与天蓝色为中波速区，波速在1500-2500ms范围内，对应受开采影响较小的卸荷区，岩体结构变化不大；浅蓝色为低波速区，波速在IooO-1500ms范围，为坍塌与开裂区，岩体结构已遭受严重破坏。深蓝色为极低波速区，波速低于IoOOms,对应采空区的位置。图2与图3显示，除地表风化岩体为低波速区外，地下隐伏的低速区分为深、浅两层，每层又