地震勘探方法在探測煤礦采空區(qū)中的應用研究

摘要：近來，隨著開采深度和開采范圍的擴大，地質(zhì)構造趨于復雜，尤其是大量老窯采空區(qū)的存在，直接影響煤礦的安全生產(chǎn)，成為嚴重危害煤炭采掘的地質(zhì)因素。廈早發(fā)現(xiàn)圈定采空區(qū)的存在范圍，采取相應的應對措施，不僅保證了煤炭安全生產(chǎn)，煤礦的效率將得到大幅度提高。本文夼紹的利用地面三維地震勘探資料，圉定采空區(qū)等地質(zhì)異常體的分布范圍，為煤礦生產(chǎn)提供地質(zhì)資料，減小地質(zhì)因素的生產(chǎn)臆惠，將產(chǎn)生重要的意義。

關鍵詞：采空區(qū) 三維地震 時間剖面 反射波異常 相干體

中圖分類號lTD82 文獻標識碼：A 文章編號：1074-098X(2012)02(b)-0100-02

1煤層采空區(qū)的地質(zhì)特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中。煤層被開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的地應力平衡，采區(qū)周圍巖體的原始應力失去原來的平衡狀態(tài)，應力將重新調(diào)整直至達到新的平衡，從而致使巖體發(fā)生移動。這類運動極其復雜，視具體條件不同而不同，具有顯著的個性與隨機性。

采空區(qū)上覆巖層的變化形式是極其復雜的。當開采面積較小，且煤層頂板為塑型巖性并保存完整時，同時由于殘留煤柱較多，應力轉移到煤柱上，未引起地層變動，采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來。

但多數(shù)采空區(qū)在重力和地層應力作用下，頂板塌陷、冒落，由此形成了塌落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

采空區(qū)上覆巖層的變化形式大體可歸結為以下幾種。

(1)采空區(qū)上方巖石的垮落煤層采出后，其上方巖石在重力的作用下，所受應力超過巖石強度極限而破裂、垮落。

(2)上覆巖層的裂隙巖層的連續(xù)性未受破壞，不發(fā)生垮落，而是產(chǎn)生裂縫、裂隙。

(3)上覆巖層的彎曲巖石不發(fā)生破裂，而是在自重作用下產(chǎn)生法向彎曲。這部分巖層將保持其整體性，共移動過程連續(xù)而有規(guī)律：

當采空區(qū)范圍較小而采深較大時，采空區(qū)上覆巖體的移動可能不波及地表。而當采空區(qū)范圍較大而采深較小時，其上覆巖體的移動就會波及到地表，并引起地表下沉，下沉所涉及的整個范圍稱之為下沉盆地，在礦區(qū)稱為塌陷區(qū)。當開采空間跨度足夠大，即使完整堅硬的頂板，也會因受力強度超過極限而垮塌、冒落實際上，由于大多數(shù)巖體都含有各類地質(zhì)弱面，將巖體切割成一系列弱聯(lián)接的嵌合體或各式各樣的組合體，這種巖塊體在圍巖應力與自重共同作用下保持平衡。當?shù)V體被采空后，緊靠采空區(qū)的巖體應力平衡狀態(tài)被破壞，巖體產(chǎn)生移動、垮落并將這種過程傳遞給相鄰的巖塊體，隨之垮落相繼發(fā)生，頂板巖塊的移動逐漸發(fā)展，破裂區(qū)逐漸擴大。同時，采空區(qū)被垮落巖體填充，被破壞的巖體的應力狀態(tài)逐漸恢復平衡。在此過程中，上覆巖層產(chǎn)生的移動、變形從性質(zhì)上可以分為以下幾個帶。

(1)冒落帶

冒落帶又稱垮落帶，是指由采空區(qū)上覆巖體在自重的作用下破碎、冒落、堆積而成的區(qū)段，其范圍主要由頂板巖層碎脹性、采礦方法與礦層厚度所決定。

(2)裂隙帶

裂隙帶又叫裂縫帶或破裂彎曲帶，是指位于冒落帶之上，具有與采空區(qū)連通的導水裂隙，但連續(xù)性未受破壞的那一部分巖層。

(3)彎曲帶

彎曲帶又叫整體移動帶，是指裂隙帶頂界到地表的那部分巖層。

上述三帶的劃分，是建立在巖體連續(xù)移動變形條件下的。一般來說只適用于層狀結構巖體，且各帶相互之間沒有明顯界線。并不是說地表的移動一定同時存在著三個帶。對于有些淺部開采的礦山，可能不存在三個帶而只有一個或兩個帶，有的礦山開采后直接冒落到地表。此時就只有冒落帶。如圖1。

2三維地震勘探資料對采空區(qū)的控制

三維地震勘探獲得的是勘探區(qū)內(nèi)三維空間的資料一一即三維數(shù)據(jù)體，如圖2。圖中數(shù)據(jù)體圖a是2260m×4000m×1.OOs的數(shù)據(jù)體，數(shù)據(jù)體圖b是1320m×1700m×1.50s的數(shù)據(jù)體。勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)異常體只要存在形成反射界面的條件，那么在三維數(shù)據(jù)體內(nèi)均應該有所反映，只是表現(xiàn)的特征有所不同。如反射波消失、錯斷、不連續(xù)等現(xiàn)象。

2.1采空區(qū)三維數(shù)據(jù)體中的反映

2.1.1時間剖面上煤層標準反射波中斷或變?nèi)酰好簩臃瓷涠赏噍S明顯中斷或能量變?nèi)酰渲袛帱c或能量變化位置即為邊界的反映。

2.1.2時間剖面上煤層標準反射波頻率的突變：在地震剖面上，采空區(qū)處煤層標準反射波的頻率突然降低，其頻率變化位置即為邊界的反映。

2.1.3時間剖面上煤層標準反射波同相軸產(chǎn)狀扭曲突變：一系列反射波同相軸向采空區(qū)體內(nèi)側扭曲，其扭曲起始點之連線即為采空區(qū)的邊界，由于采空區(qū)塌落，使其周圍的地層常產(chǎn)生向采空區(qū)中心方向下傾。

2.1.4時間剖面上煤層標準反射波相位轉換：反射波極性發(fā)生反轉，其反轉起始點即為采空區(qū)邊界。

2.1.5異常波出現(xiàn)：異常波包括繞射波、延遲繞射波等。繞射波產(chǎn)生于巖性間斷點，在有采空區(qū)的地層中，采空區(qū)內(nèi)巖性與圍巖不同。按廣義繞射理論，繞射是普遍存在的，沿邊界面均可產(chǎn)生繞射波，但幾何的點或線不能產(chǎn)生有一定能量的繞射渡，一個繞射體必須與地震波長相當才可產(chǎn)生可觀察到的繞射能量，繞射波強度與繞射物體長度成正比。因此，在采空區(qū)的煤層斷面反射段中斷點處(即斷陷點)，可產(chǎn)生繞射波。

2.2在數(shù)據(jù)體作相干分析，在沿層切片上出現(xiàn)環(huán)行構造帶

對數(shù)據(jù)體利用相干技術作相干分析，即利用相鄰地震信號的相似性來描述地層和巖性的橫向不均勻性，當界面上存在構造異常時，相鄰地震道之間的反射波在旅行時、振幅、頻率和相位等方面產(chǎn)生不同程度的變化，表現(xiàn)為相干值小，當界面上不存在構造異常時，相鄰地震道之間的反射波不發(fā)大的變化，表現(xiàn)為相干值大。利用不同的相干算法，對地震數(shù)據(jù)體進行逐點求取相干值，可以得到相干體數(shù)據(jù)。采空區(qū)發(fā)育之處，反射渡發(fā)生很大變化，相干值變的很小，所以可以利用這一特征圈定采空區(qū)發(fā)育異常帶。圖4、是三維資料的相干體沿層切片圖，圖中反射波異常帶即是采空發(fā)育帶。

3應用實例

3.1實例1

3.1.1勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)概況

勘探區(qū)位于霍西煤田的中西部，地勢西高東低，溝谷發(fā)育。屬中朝準臺地中部二級構造單元。區(qū)內(nèi)地層由老至新有太古界的界河口群，古生界的寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界的三疊系和新生界的第三系、第四系。

區(qū)域內(nèi)含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組。本溪緝和下石盒子組為魄要含煤地層，僅含煤線；太原組和山西組為主要含煤地層。

太原組：含煤8余層，編號自上而下為5上下號煤，其中穩(wěn)定可采為9、10、11號煤層。該組為主要含煤地層之一。

山西組：含煤4層，編號自上而下1上、1、2、3號，其中2號煤層為該區(qū)主要可采煤層，賦存在本組的中下部。

2號煤層位于山西組中下部，全區(qū)穩(wěn)定可采，厚度1.20～1.82m，平均1.35m，結構-簡單，一般無夾石。

9、10、ll號煤層位于太原組下段上部，上距2號煤層81.82 93.55m，平均87.88m，-厚度4.80 5.09m，平均4.95m，壘區(qū)穩(wěn)定可采，結構簡單，有1～2層夾石，夾石單層最大厚度0.38m。

3.1.2圈定的采空區(qū)分布圖

三維勘探范圍7.0Km，獲得cDP網(wǎng)格5m×5m的數(shù)據(jù)體。根據(jù)三維數(shù)據(jù)體內(nèi)主要煤層反射波變化情況，圈出了3個采空區(qū)異常帶，如圖3。

3.2實例2

3.2.1勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)概況

本區(qū)屬“華北型”石炭二疊系呈隱蔽含煤區(qū)，據(jù)鉆孔揭露，地層由老到新依次為：奧陶系、石炭系、二疊系、第四系。

井田可采煤層位于=迭系的山西組和石盒子組，山西組：下部以太原組頂部一灰之頂為界，上界鋁質(zhì)泥巖下駱駝脖砂巖之底，地層厚度85～160m，平均108.4m。巖性由砂巖、砂泥巖互層、粉砂巖、泥巖和煤層組成，含6煤層(組)，煤層發(fā)育較好。局部地段有巖漿巖侵入，6煤層變質(zhì)成天燃焦。下石盒子組：下界為駱駝脖砂巖，上界為3煤下K3砂巖。地層厚度235-290m，平均250.1m。巖性由砂巖、粉砂巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖及煤層組成。含3、4、5等3個煤層(組)，其中5煤層為可采煤層，3、4煤組發(fā)育較差，煤層薄不可采。

井田可采煤層4層，主要可采煤層為5、

6煤層。

3.2.2圈定的采空區(qū)分布圖

三維地震勘探面積1.5km2，cDP面元5m×5m，三維地震勘探后，查出2個地質(zhì)異常帶，經(jīng)查驗后，為采空區(qū)。

4結語

煤層采空區(qū)三維地震勘探結果表明，煤層采空和由此引起的覆巖破壞效應在地震時間剖面和相干切片上的反映特征明顯，主要有以下特征。

(2)反射波(組)中斷

采空區(qū)造成地下反射層(煤層)的中斷，變得不可連續(xù)追蹤，跨越采空區(qū)后，反射波(組)恢復；同時由于采空區(qū)下方巖層未遭開采破壞，所以仍能保持原有趣好的反射波而可連續(xù)追蹤。地震時間剖面上反射波不連續(xù)追蹤是識別煤層采空區(qū)的重要標志。

(2)反射波頻率變化

煤層采空區(qū)引起的覆巖破壞區(qū)對地震波具有很強的吸收、頻散衰減作用，在地震時間剖面上表現(xiàn)反射波的頻率的降低。

(3)波形變化

煤層采空區(qū)對地震波影響還表現(xiàn)為振幅的衰減，反射波波形變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變，而采空醫(yī)下方則由于巖層保持相對完整而變化不明顯，這也是在地震時間剖面上識別煤層采空區(qū)的另一個重要標志。

(4)相干特征

采空區(qū)發(fā)育之處，反射波發(fā)生很大變化，相干值變的很小，在相干體切片上表現(xiàn)為異常帶，可以利用這一特征圈定采空區(qū)的平面分布范圍。

利用采空區(qū)在三維地震資料上的顯示特征，能夠準確、快速圈定采空區(qū)的平面分布范圍及發(fā)育情況，能夠為煤礦安壘開采提供準確、可靠的采空區(qū)地質(zhì)資料。

參考文獻

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