三維地震勘探技術(shù)在靈新煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用

李建武，職榮軍，武書泉，梅　超

（1.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司靈新煤礦，寧夏銀川750011；2.寧夏回族自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川750021）

三維地震勘探技術(shù)在靈新煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用

李建武*1，職榮軍2，武書泉1，梅超2

（1.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司靈新煤礦，寧夏銀川750011；2.寧夏回族自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川750021）

在寧夏靈武礦區(qū)，小煤窯的多年亂采、亂掘形成了許多采空區(qū)。老窯采空區(qū)嚴重的威脅著礦井的生產(chǎn)與安全，在煤礦生產(chǎn)和施工前探測采空區(qū)，圈定出采空區(qū)的范圍，已成為當前三維地震的一項十分重要的研究課題。以探查靈新煤礦采空區(qū)為例，闡述了工程勘查中三維地震勘探的資料采集、處理與解釋技術(shù)。通過對采空區(qū)特征的認識，結(jié)合地震資料，對采空區(qū)的分布進行解釋，結(jié)果與鉆探資料對比相吻合，說明三維地震勘探適用于煤礦采空區(qū)的探測。

三維地震；煤礦；采空區(qū)；地震反射波

在煤礦開采過程中，經(jīng)常遇到以前小煤窯開采形成的采空區(qū)。這些采空區(qū)的存在對現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)帶來了日益嚴重的影響，如果對其勘查不明、了解不透，會造成透水、坍塌、瓦斯爆炸等重大礦難，同時也會對地質(zhì)、環(huán)境、工程產(chǎn)生負面影響，甚至會給國家和社會帶來巨大經(jīng)濟損失。針對這一問題，我們采用三維地震勘探方法對采空區(qū)進行評價。該方法取得了很好的效果。以三維地震勘探技術(shù)在寧夏靈新礦區(qū)某礦井探測采空區(qū)的應(yīng)用效果為例進行敘述。

1　礦井概況

該礦井位于靈新礦區(qū)的東南部，為整合重組后的新建礦井。井田范圍內(nèi)分布有多個開采多年的小煤窯，開采方式一般是沿煤層露頭下掘斜井，解放后采用低成本的房柱式采煤法，無序亂采。由于多數(shù)采掘資料缺失，從僅存的采掘資料表明，小煤窯所采煤層涉及井田內(nèi)最淺部二煤可采煤層，采空區(qū)分布無序。

根據(jù)勘探區(qū)內(nèi)及鄰區(qū)鉆孔揭露資料，勘探區(qū)內(nèi)已知地層由老到新依次為三疊系、侏羅系、第四系，其中侏羅系的延安組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層。

2　煤性特征地質(zhì)構(gòu)造及地球物理特征

2.1煤性特征

井田內(nèi)含煤地層為侏羅系的延安組，該地層位于直羅組底部粗砂巖標志層之下。主要由中細粒—細粒砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層組成。含煤地層厚約314～ 352m，平均338m。含煤層煤線37層，其中穩(wěn)定可采煤層6層，本次研究采空區(qū)煤層為二煤。

二煤位于延安組上部第Ⅳ段，層位穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤層埋藏深度50～292m，煤層厚度4.48～11.96m，平均厚度8.33m。二煤一般含1～2層夾矸，局部可見3層夾矸，夾矸多為泥巖、粉砂巖，多位于煤層中下部，夾矸厚度、層位均較穩(wěn)定，厚約0.00～0.59m。頂板巖性一般為粉砂巖、泥巖或粉砂質(zhì)泥巖；底板巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。

2.2地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地層整體為一走向近南北，北窄南寬，兩翼不對稱的向斜構(gòu)造形態(tài)。向斜西翼為主要研究區(qū)域，地層基本平緩，地層傾角在8°～13°左右，向斜東翼傾角75°左右。斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

2.3采空區(qū)的地球物理特征

采空區(qū)是地下煤層開采后形成的空間。煤層采空后，其頂板受破壞后，可能造成采空區(qū)自然坍塌，引起上覆地層的變化，形成冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。由于各自的地質(zhì)條件不同，采空區(qū)被空氣、地下水、泥砂等介質(zhì)所充填，采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)與圍巖相比，都存在明顯的物性差異，這是地震探測的地球物理前提條件。見圖1。

煤層采空區(qū)與完整地層相比，地層變得疏松，介質(zhì)的密度降低，同時使傳播于其中的地震波速度下降。采空區(qū)不論被什么介質(zhì)所充填，在其邊緣部位都存在一個明顯的波阻抗反射界面，采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)和圍巖介質(zhì)的波速存在明顯的差異。采空破壞區(qū)內(nèi)，由于煤層采掘不規(guī)則，有煤層采空、煤層變薄、留設(shè)煤柱以及局部殘留等現(xiàn)象，在時間剖面上，該反射波相對煤層反射波來說，時間上延長，振幅增強，頻率降低，延續(xù)相位能量增強等，即會出現(xiàn)反射波無序、反射波中斷以及反射能量增強等狀況，在特殊情況下，還會產(chǎn)生繞射波的情況。三維地震反射波法正是利用這一物理前提來探測地下采空區(qū)的。

圖1　煤層采空區(qū)變形破壞垂直“三帶”示意

2.4地震地質(zhì)特征

該區(qū)屬低緩丘陵地貌，地表為沙丘掩蓋，地形低緩平坦，相對高差約60m，全區(qū)被第四系覆蓋，無基巖出露，不利于野外數(shù)據(jù)采集。表淺層地震條件復(fù)雜。該區(qū)深層除采空區(qū)外煤層賦存穩(wěn)定，煤層頂?shù)装鍑鷰r波阻抗差異大，物性差異明顯，故可形成較好的反射波，具備形成深層地震反射波的條件，地震地質(zhì)條件較好。

針對勘探區(qū)特殊的地震地質(zhì)條件及煤層賦存狀況，本次采用法國428XL高分辨率數(shù)字地震儀，井炮激發(fā)，60Hz高頻檢波器接收。已知資料表明采空區(qū)范圍多分布在煤層露頭等煤層賦存較淺出處，為了獲得淺部地層地震地質(zhì)信息，更好地控制采空區(qū)邊界，本次數(shù)據(jù)采集采用10線10炮制束狀不對稱激發(fā)觀測系統(tǒng)，720道接收，30次疊加，1ms采樣間隔，記錄長度2.0s，取得了較好的效果。

3　資料處理、地質(zhì)屬性及資料解釋

3.1資料處理

資料處理工作在SunBlade2000工作站上進行，采用綠山折射靜校正，處理軟件為法國CGG公司的GEOVECTEUR PLUS全三維處理軟件和東方公司GRISYS地震數(shù)據(jù)處理軟件。

在資料處理過程中，根據(jù)勘探區(qū)地質(zhì)任務(wù)和地質(zhì)特征，利用綠山折射靜校正解決了該區(qū)復(fù)雜地形的野外靜校正問題，在此基礎(chǔ)上進行了速度分析，反褶積參數(shù)測試，去除干擾，真振幅恢復(fù)，動校正拉伸畸變切除，剩余靜校正計算，DMO分析及DMO疊加，疊后去噪及偏移，最后得到CDP網(wǎng)格5m×5m×1ms的三維數(shù)據(jù)體。獲得的三維數(shù)據(jù)體質(zhì)量比較高，煤層反射波分辨率較高，連續(xù)性強，信噪比高，為下一步資料解釋奠定了基礎(chǔ)。

3.2反射波的地質(zhì)屬性

要進行地震資料解釋，首先就要確定數(shù)據(jù)體中反射波組的地質(zhì)屬性，尤其是要認準勘探目的層所對應(yīng)的反射波。利用測區(qū)內(nèi)鉆孔資料與通過鉆孔的時間剖面對比可以確定反射波的地質(zhì)層位及對應(yīng)的反射波。

本區(qū)含煤層層數(shù)較多，本次根據(jù)地震勘探承擔的地質(zhì)任務(wù)及時間剖面上反射波的特征，對二煤底界面進行了標定。二煤反射波特征明顯，以一個雙相位出現(xiàn)，能量強，頻率高，連續(xù)性好，能較好的對其進行追蹤識別。

3.3資料解釋

本次三維地震資料的解釋工作在SUN工作站進行，利用GeoFrame4.3的GeoQuest IES/IESX交互地震地質(zhì)解釋系統(tǒng)和GeoViz可視化軟件對三維數(shù)據(jù)體進行解釋。三維數(shù)據(jù)體反映了地質(zhì)體在空間的形態(tài)變化，利用該數(shù)據(jù)體可以輸出水平時間切片和垂直時間剖面。

資料解釋是一個由地震資料轉(zhuǎn)化為地質(zhì)成果的過程，是物探知識、地質(zhì)規(guī)律、解好似經(jīng)驗等各種技術(shù)的綜合體現(xiàn)。在資料解釋工程中，人工解釋與工作站解釋相結(jié)合，以人工解釋為基礎(chǔ)，利用工作站的自動追蹤拾取功能，由粗網(wǎng)格到細網(wǎng)格逐步加以解釋。最后利用計算機自動內(nèi)插到5m×5m，同時將追蹤層位進行網(wǎng)格化處理，運用三維可視化技術(shù)使之立體顯示并旋轉(zhuǎn)，檢查其空間展布形態(tài)是否正確。

4　采空區(qū)解釋

依據(jù)已有資料顯示，勘探區(qū)采空區(qū)為老窯采空，時間較長，內(nèi)部塌陷嚴重，其均為人工開采操作，沿煤層露頭下掘斜井。以此為參考，對位于采空區(qū)附近時間剖面進行了對比分析解釋，在此類區(qū)域，時間剖面上均出現(xiàn)了反射波同相軸突然中斷、畸變、零亂等特征，據(jù)此圈定了區(qū)內(nèi)二煤的采空區(qū)東部邊界。在采空區(qū)方差體切片圖和煤層剝離圖中可以直觀的看出采空區(qū)的范圍。后經(jīng)鉆探驗證得出采空區(qū)邊界與本次三維地震勘探得出的采空區(qū)邊界基本吻合。

需要指出的是：①對采空區(qū)內(nèi)部可能存在的留設(shè)煤柱和部分未采空區(qū)域反映不清，沒有給予解釋。②勘探區(qū)東部（向斜東翼）地層傾角為75°左右，水平疊加剖面略有顯示，偏移剖面無法成相。③據(jù)礦方資料，六煤并不存在采空區(qū)。而在時間剖面上可以看出，六煤反射波和二煤反射波一樣，都出現(xiàn)了反射波同相軸突然中斷、畸變、零亂等特征。這是因為六煤層與二煤層間距較小，二煤采空區(qū)對六煤層影響較大，導(dǎo)致六煤層反射波能量弱且不連續(xù)，本次勘探?jīng)]有解釋六煤層可能存在的采空區(qū)。見圖2～圖4。

圖2　北部煤層采空區(qū)時間剖面

圖3　南部煤層采空區(qū)時間剖面

圖4　煤層剝離圖

5　結(jié)語

采空區(qū)的存在直接威脅著煤礦的安全及生產(chǎn)。利用三維地震勘探的方法，對煤層采空區(qū)三維數(shù)據(jù)體、地震屬性切片及反射波動力學特征關(guān)系綜合解釋，在理論技術(shù)上是可行的。本文通過實例說明在施工參數(shù)合理、施工嚴謹、資料處理精細、資料解釋方法手段多樣化、方法得當?shù)葪l件下，采用三維地震勘探方法探測采空區(qū)，可以取得較好的效果，具有一定的理論價值，為煤礦在探明采空區(qū)的勘探工作中提供了可靠的地質(zhì)資料。

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1004-5716（2016）05-0100-03

2015-04-21

2015-05-13

李建武（1970-），男（漢族），寧夏海原人，高級工程師，現(xiàn)從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)工作。