采空區及其下部煤層的地震響應特征

曹秀森

（河北省煤田地質局 環境地質調查院，河北 石家莊 050091）

0 引 言

一段時期以來很多煤礦在進行上部煤層的采掘前，并未有效掌握下部煤層的賦存及構造發育情況。隨著上部煤層開采結束，如何有效掌握下部煤層情況，從而使地下煤炭資源得到充分利用，保持礦井的安全及可持續發展，顯得尤為重要。

煤礦對采空區的處理方法主要有全部垮落法、充填法、煤柱支撐法等。因全部垮落法簡單可靠、費用少，絕大多數煤礦在條件允許時，基本都會采用全部垮落法。采用全部垮落法的采空區大致會經歷3個階段：剛采空時的空腔期、上部地層逐漸塌陷充填采空區的塌陷期、塌陷穩定后的穩定期。

采空區的探測一直是煤炭勘探行業上的一大難題。根據采空區與正常地層的電性變化、放射性及彈性阻抗差異等，其主要勘探方法有瞬變電磁法、高密度電阻率法、氡氣測量法和三維地震勘探方法。目前三維地震勘探方法的應用最為廣泛。

但因采空區的埋深、形態特征、填充物等方面變化較大，在對其及下部煤層的地震數據采集、處理及解釋上都受到了嚴重影響。

本文使用全波場地震模擬軟件建立了3種不同填充條件下的上部煤層采空區模型，對應模擬采空區形成后的空腔期、塌陷期、穩定期。之后對模型模擬放炮得到的單炮記錄進行切除、速度分析、動校正、疊加和偏移處理，得到最終的時間剖面。通過不同時間剖面上的特征分析，總結出了在采空區不同階段下組煤的勘探效果，指導了實際的生產工作。

1 正演模擬的原理

地震的正演模擬是指已知地下構造的界面形狀、巖石的密度和地震波的傳播速度等參數，應用地震波的運動學和動力學的基本原理，求取地震記錄，根據其結果為生產實踐提供依據。地震正演模擬技術在地震數據采集及地震資料解釋等實際生產和方法研究中都發揮了很大的作用。

本文采用的全波場地震模擬軟件是一種基于有限差分法的軟件，提供了垂直波傳播、標量介質模擬、聲波介質模擬、彈性介質模擬和彈性各項異性介質模擬5種波動方程有限差分數值解的算法。相較于射線追蹤單純模擬地震波運動學特征的算法，波動方程能夠同時模擬地震波場的運動學和動力學特征。因此波動方程能夠模擬得到更接近真實情況的波場特征，適用于任意復雜構造的地質模型。

2 正演模型的建立

此次正演模擬共建立了5個地質模型，包括1個賦存上下2個煤層的基礎模型，和4個不同充填條件下的上部煤層采空區模型。主要目的是模擬在煤層采掘形成采空區后，隨著年限的增加煤層采空造成的空洞逐漸被水或上覆巖層充填、壓實的一個過程。

2.1 煤層未采的基礎模型

基礎模型在水平方向上從0延伸到1 000 m，垂直方向從0向下到1 000 m。模型上設置了上下2個煤層，煤層以外為砂巖所填充，具體詳見表1和圖1。

表1 煤層未采基礎模型參數Table 1 Basic model parameters of unmined coal seam

圖1 煤層未采的基礎模型Fig.1 Basic model of unmined coal seam

2.2 上部煤層的采空模型

設置的采空區位于煤層1上，水平距離在500～600 m，垂直距離在400～404 m。根據不同的充填物參數共設置了4個采空模型（Modle-Ⅰ、Modle-Ⅱ、Modle-Ⅲ、Modle-Ⅳ），詳見表2和圖2。

圖2 煤層1采空模型Fig.2 The mined out model of No.1 coal seam

表2 煤層1采空模型參數Table 2 The mined out model parameters of No.1 coal seam

2.3 觀測系統的參數選取

此次正演模擬選取的觀測系統為235-5-10-5-235，具體詳見表3。模型上共設置了54炮，第一炮在（235，0）位置處。

表3 觀測系統參數Table 3 The observation system parameter

2.4 模型正演的地震時間剖面特征分析

將正演模擬得到的單炮記錄通過初至切除、速度分析、動校正、疊加和偏移，得到各模型對應的疊加和偏移剖面。

2.4.1 煤層未采的基礎模型地震剖面特征

煤層未采模型正演地震剖面如圖3所示。

圖3 煤層未采模型正演地震剖面Fig.3 The forward seismic profile of coal seam unmined model

從圖3中可以看出，因煤層本身與圍巖存在著明顯的波阻抗差異，時間剖面上兩層煤形成的反射波組波形穩定、能量強、連續性好。因基礎模型上煤層及圍巖的層位都為水平、速度穩定，沒有突變點，所以經偏移處理后的剖面與疊加剖面沒有明顯變化。

2.4.2 Modle-Ⅰ地震時間剖面特征

Modle-Ⅰ正演地震剖面如圖4所示。Modle-Ⅰ上采空區的縱波速度為340 m/s，密度為1.29 kg/m3，模擬的是采空區剛剛形成時的一個純空腔的狀態。從正演得到的時間剖面上可以看出，因剛形成的采空區與圍巖波阻抗差異很大，在采空區上界面形成了一個強反射層，對應反射波振幅增強，頻率降低。疊加時間剖面上繞射波發育，下部煤層在采空區的強屏蔽作用下，形成的反射波能量弱，且有明顯的因延時造成的下彎現象。偏移處理后的剖面上繞射波得到了很好的收斂，采空區上的強振幅反映更加明顯，采空區與下部煤層2間發育多次波。

圖4 Modl e-Ⅰ正演地震剖面Fig.4 The forward seismic profile of Modle-Ⅰ

2.4.3 Modle-Ⅱ地震時間剖面特征

Modle-Ⅱ正演地震剖面如圖5所示。Modle-Ⅱ上采空區的縱波速度為1 000 m/s，密度為1 565 kg/m3。從正演得到的疊加時間剖面上來看，水平距離500～600 m的采空區位置上，反射波振幅增強，頻率降低，繞射波發育，下部煤層反射波振幅變弱，并有下彎現象。但其影響程度相較于采空模型Ⅰ有了明顯的減弱。偏移處理后的剖面上繞射波得到了很好的收斂，采空區下的煤層形成了連續的反射波，但其振幅較弱。

圖5 Modl e-Ⅱ正演地震剖面Fig.5 The forward seismic profile of Modle-Ⅱ

2.4.4 Modle-Ⅲ地震時間剖面特征

Modle-Ⅲ正演地震剖面如圖6所示。Modle-Ⅲ上采空區的縱波速度為1 500 m/s，密度為1 970 kg/m3。從正演得到的疊加時間剖面上來看，水平距離500～600 m的采空區位置上，反射波振幅有一定增強，頻率略低，繞射波發育，對應下部煤層反射波振幅變弱，并有下彎現象，但其特征已不明顯。偏移處理后的剖面上繞射波得到了收斂，采空區下的煤層形成了連續的反射波，其振幅稍弱。

圖6 Modl e-Ⅲ正演地震剖面Fig.6 The forward seismic profile of Modle-Ⅲ

2.4.5 Modle-Ⅳ地震時間剖面特征

Modle-Ⅳ正演地震剖面如圖7所示。Modle-Ⅳ上的縱波速度為2 000 m/s，密度為2 010 kg/m3。模擬的是煤層采空區在經過長期的塌陷、充填、壓實穩定后的一個狀態。從正演得到的疊加時間剖面上來看，下部煤層形成了穩定連續、振幅基本一致的反射波。采空區位置的反射波除了振幅稍弱外，相比于正常煤層沒有明顯的區別。偏移處理后的剖面上繞射波得到了很好的收斂，采空區位置的反射波振幅稍弱，下部煤層反射波清晰、穩定、能量強。

圖7 采空模型Ⅳ正演地震剖面Fig.7 The forward seismic profile of mined out modelⅣ

3 實例分析

東龐礦隸屬于冀中能源股份有限公司，是我國目前井工礦開采生產規模較大的現代化礦井之一。煤系地層地層為石炭、二疊系。主要可采煤層為2煤和9煤。2煤從20世紀80年代開采，一直延續至近年，時間跨度達30余年，基本已開采殆盡。2煤的采掘方法為單一走向長壁采煤法，采空區的處理為全部垮落。為了掌握下部9煤的賦存及構造發育情況，以便進行采掘，在東龐礦南翼中部地區開展了三維地震勘探工作。

圖8為一工區內的一條時間剖面，剖面分別通過了2004年采空區（2煤）、2014年采空區（2煤）、正常2煤區。

圖8 東龐時間剖面Fig.8 The time profile of Dongpang Mine

從圖8中可以看出，因煤層與圍巖存在明顯的波阻抗差異，正常2煤處及其下部的9煤均形成了波形連續、穩定、振幅強的反射波；2004年的2煤采空區位置在經歷了14 a的塌陷、填充穩定后，重新形成了較連續、穩定的反射波，只是振幅相對正常煤層位置要弱，其下部的9煤反射波能量強、波形穩定，基本未受到采空區的影響；而2014年的2煤采空區因形成時間較短（4 a），尚處于采空區塌陷期，未形成穩定的反射波，下部的9煤層受其影響嚴重，同樣未獲得有效的反射波。

4 結 論

（1）通過此次不同填充情況的采空區正演模擬來看，剛形成的采空區對下部煤層的影響最為嚴重，空腔與圍巖形成的強反射面基本屏蔽了地震波的上、下行通道。

（2）隨著年限的增加，采空區逐漸接受上部地層塌陷、填充后，對下部煤層的屏蔽作用會隨之減弱，直至其穩定后，下部煤層便重新形成了連續、穩定的反射波。

（3）結合東龐礦勘探實例，采掘時間距今越久的工作面，對下組煤層的影響越小；在條件允許的情況下，應在采空區的塌陷穩定后再實施下部煤層的地震勘探。

（4）此次正演模擬只考慮了采空區在3個不同塌陷階段的變化，但實際上包括開采方式、開采深度、下部煤層與采空區的間隔、具體的地震地質條件等都會對下組煤的勘探效果產生比較大的影響。實際的地震勘探中還需綜合考慮多種影響因素，以獲得最佳的勘探效果。