二維地震勘探技術在煤礦采空區探測中的應用

1 概述
　　經過百年的開采，老虎臺礦面臨煤炭資源枯竭問題。在煤層開采后，地下會留下采空區，采空區的垮塌會造成地面下沉、裂縫，毀壞耕地、建筑物等設施，破壞生態環境。地下采空區是工程建設的一大隱患，對其進行高效、準確探測是很重要的。采空區會直接影響煤礦的安全生產，及早發現采空區的分布范圍，采取相應的應對措施，就能保證煤炭安全生產[1-2]。
　　2 地質概況及地震地質條件
　　老虎臺井田地層自下而上分為：太古界鞍山群，中生界下白堊系，新生界下第三系，撫順群和第四系[3]，老虎臺井田共有兩層煤，即一層煤（也叫本層煤），三層煤（也叫B層煤）二層煤（A層煤）缺失。一層煤為開采的主要煤層，三層煤曾在-159m、-225m、-280m和-330m等水平進行試采，但由于巖漿侵入的嚴重破壞，煤層常被玄武巖吞食或相變為頁巖。
　　勘探區內地勢起伏不大，北部地面建筑物密集，有礦區鐵路通過，靠近勘探區北部邊界，有一條主干公路通過，南部地表大面積覆蓋著厚度不均的回填土方，南部局部地段因地下煤層開采導致地面塌陷、地面沉陷和地裂縫，甚至有積水區，西部、南部有矸石山。勘探區內機電活動和人為活動，會給數據采集造成影響。測區內建筑物、鐵路、回填土方和積水區等，會對采集工作有一定影響。
　　淺層主要為沖積層，上部為砂質粘土，細至粗砂，底部為卵石，層厚4～24.3m，平均14.15m，沖積層砂及礫石存在強含水層，含水層對地震波的激發非常有利，但底部為卵石，難以成孔。勘探區南部覆蓋大范圍回填土方，會對地震波的高頻信息產生一定的吸收衰減作用。綜合來看，淺層地震地質條件一般。
　　勘探區內僅賦存一層煤層，即本層煤，厚度較厚，比較穩定，煤層的頂板巖性為油母頁巖，巨厚、致密、堅硬，與煤層本身存在較大的物性差異，因此本層煤與其頂板可以形成良好的反射界面，可以形成能量較強的反射波;煤層的底板巖性為凝灰巖，與煤層本身存在較大的物性差異，但由于是侵入巖，界面凹凸不平，因此本層煤與其底板的反射界面，形成的反射波能量較弱，由于采空區影響，反射波連續性較差。綜上所示，測區內深層地震地質條件較好，淺層地震地質條件一般，而表層的人類文明活動，必然會給數據采集帶來影響。
　　3 數據采集
　　本次工程施工采用地震縱波反射波法，單邊下傾方向激發。根據試驗結論及本區的地質情況，確定本次二維地震勘測野外數據采集采用如下施工因素：
　　3.1 激發因素
　　震動臺次5次，掃描頻率為10-100Hz，掃描長度6s，驅動電平70-80%。
　　3.2 觀測系統
　　采用單邊下傾激發，96道接收，采用10m道距，20m炮點距，疊加次數24次。
　　3.3 接收參數
　　采用60Hz檢波器，采樣間隔為1ms，記錄長度2s，前放增益0dbm，全頻帶接收，記錄格式為SEG-Y。
　　4 資料處理
　　資料處理是地震勘探工作的三大主要環節之一，處理結果是解釋工作的基礎資料。根據本次地震勘探所承擔的地質任務，考慮本區復雜的表、淺層地震地質條件，本區資料處理應以高精度、高分辨率、高信噪比為目標。考慮到本區地表復雜，低速帶厚度變化大等實際情況，本次資料處理要重點做好以下幾方面工作：
　　（1）速度分析：動校速度準確是保證疊加效果的關鍵。為此處理中采用掃描速度多次迭代計算動校正量。 　　（2）頻譜分析：譜分析是選擇濾波參數的依據，根據處理需要，分析了頻譜，原始記錄，疊前、疊后三種頻譜。
　　（3）靜校正：由于表層速度變化較大，且厚度不均，所以，一次靜校正的精度對資料的質量優劣影響較大。因此要做好靜校正工作。本區靜校正基準面為+90m。
　　（4）高分辨率處理：反褶積是提高分辨率的重要環節，采用何種反褶積方法，要根據資料的特點做充分的試處理，最后確定最佳的反褶積方法和參數。采用譜白化反褶積，能較好地提高分辨率，基本消除原始記錄的頻率差別，也大大削弱了線性干擾。
　　（5）保幅處理：除常規的振幅恢復處理以外，還應進行道平衡及道間均衡處理，另外Q補償（Q是大地濾波因子）應盡可能考慮消除因淺表層厚度不均等對地震波衰減的影響，從而使處理剖面較真實地反映煤層信息。
　　5 采空區解釋
　　由于勘查區為大范圍采空區，并且大部分是在公路上施工，因此，所獲得的時間剖面信噪比較低。
　　DZ2線：剖面長1055m，地質資料顯示，該線位于未開采區域。地震資料顯示，在600ms附近有一強反射，結合地質資料確定該組反射波為煤層反射波。南部反射波同相軸連續性較好;往北反射波同相軸連續性較差，信噪比低，但上部地層反射波完整，未變形。綜合分析該線一層煤未開采。該線北部反射波連續性差、信噪比低的原因：有可能受F1逆斷層影響。（見圖1）。
　　DZ3線：剖面長865m，地質資料顯示，該線0-75m為采空區，75-865m位于未開采區域。地震資料顯示，0-190m煤層反射波能量弱，同相軸連續性差，信噪比較低，且上部地層反射波不完整，時間剖面上形成“漏斗”狀，巖移界面明顯，巖移角大約75°左右為采空區;190-475m煤層反射波能量強，反射波同相軸連續性較好，信噪比高，為一層煤未開采區，475m-865m煤層反射波能量弱，同相軸連續性差，信噪比較低，但上部地層反射波較完整，未變形。綜合分析該線0-190m為一層煤采空區;190m-865m一層煤未開采。該線北部反射波連續性差、信噪比低的原因：有可能受F1逆斷層影響（見圖2）。
　　 DZ4線：剖面長752.5m，地質資料顯示，該線0-413m為采空區，413-752.5m位于未開采區域。地震資料顯示，該線煤層反射波能量弱，同相軸連續性差，信噪比較低，且上部地層反射波不完整，時間剖面上上部地層有“塌陷”現象，巖移界面明顯，巖移角大約在65°-75°之間，根據對比結果分析，0-450m為一層煤采空區;450-752.5m煤層反射波能量較弱，同相軸連續性一般，信噪比較低，但上部地層反射波較完整，未變形。綜合分析該線0-450m為一層煤采空區;450m-752.5m一層煤未開采。該線北部反射波連續性差、信噪比低的原因：有可能受多條斷層發育影響（見圖3）。
　　DZ5線：剖面長950m，地質資料顯示，該線0-140m為采空區，140-950m位于未開采區域。地震資料顯示，0-145m煤層反射波能量弱，同相軸連續性差，信噪比較低，且上部地層反射波不完整，為一層煤采空區;145-950m煤層反射波能量一般，同相軸連續性一般，信噪比較低，上部地層反射波較完整，未變形。綜合分析該線0-145m為一層煤采空區;145m-950m一層煤未開采。該線北部反射波連續性差、信噪比低的原因：有可能受F1斷層影響（見圖4）。
　　DZ7線：剖面長340m，地質資料顯示，該線為一層煤采空區。地震資料顯示，該線煤層反射波能量弱，反射波同相軸連續性差，信噪比較低，為一層煤采空區，且F18逆斷層從一層煤上部切過（見圖5）。
　　DZ9線：剖面長1040m，地質資料顯示，該線0-645m為一層煤采空區，645-1040m位于未開采區域。地震資料顯示，該線一層煤反射波同相軸連續性差，信噪比較低，且上部地層反射波較完整，F18逆斷層從一層煤上部切過。綜合分析該線為一層煤采空區。該線北部反射波連續性差、信噪比低有可能受F18逆斷層影響（見圖6）。
　　5 結論
　　從解釋結果分析，勘探區適合縱波地震勘查，由于受地表條件限制，選擇可控震源激發效果更佳。數據采集方法正確，施工因素合理，采集數據真實可靠。資料處理流程合理，參數選擇合適，時間剖面有效波突出、信噪比較高（未開采區）。
　　基本查明了勘查區內有煤區、采空區及煤層缺失區的分布范圍，查明了老虎臺礦采空區北部邊界，為煤礦安全開車提供了可靠的地質依據。