非煤礦山采空區(qū)三維地震解釋技術與應用實例

袁興賦,虞永征,湯正江

（安徽省勘查技術院， 安徽合肥 230031）

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，非煤礦山開采量越來越大，多數礦山由過去的散小亂狀態(tài)，逐漸轉化為規(guī)模化或露天開采，但過去開采留下的眾多采空區(qū)，有的年份久遠資料遺失，有的私采亂挖根本沒有資料可尋，有的透水坍塌造成礦難，給國家和社會造成重大經濟損失，這些采空區(qū)的存在成為后續(xù)礦山開采人員、設備的重大安全隱患，而且嚴重影響開采效率，因此查明非煤礦山采空區(qū)的分布、大小及其穩(wěn)定性，為下一步治理規(guī)劃及地質災害防治提供依據是十分必要的。

1 非煤礦山采空區(qū)特征及危害

將采空區(qū)以是否為煤礦來進行分類，可分為煤礦采空區(qū)和非煤礦山采空區(qū)，非煤采空區(qū)是在非煤礦山由人為挖掘或水溶地下礦體產生的“空洞”。兩者顯注的區(qū)別是煤礦采空區(qū)成層狀，高度基本一致，空間形態(tài)相對規(guī)則，而非煤礦山采空區(qū)空間形態(tài)不規(guī)則，大小迥異，分布無規(guī)律，埋深差異大等特點，因此非煤礦山采空區(qū)的探測難度相對更大。

對于非煤礦山采空區(qū)勘測主要有兩個方面的地質任務，一是查明隱伏非煤礦山采空區(qū)空間分布，二是評價采空區(qū)的穩(wěn)定性。由于我國早期礦山開采秩序較為混亂，亂采濫挖現象嚴重，在一些礦山及其周邊留下了大量的采空區(qū)，這些采空區(qū)主要特征是隱伏性強、空間分布規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難以預測等，使得對采空區(qū)的分布范圍、空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等難以量化評價，隨著礦山向深部開采，地應力增大，容易發(fā)生坍塌事故。尤其對地下轉露天開采的礦山影響更大，早期地下開采殘留的采場、硐室、巷道如不進行及時處理，對地表作業(yè)的礦山工作人員和設備帶來嚴重的威脅。已經開采或正在開采的顯性采空區(qū)隨著開采量的進一步擴大目前穩(wěn)定性狀態(tài)如何，頂板是否冒落，采空區(qū)是否充填，填充物和填充度如何，采空區(qū)狀態(tài)的了解是采取應對措施的依據。目前使用三維地震技術對采空區(qū)的空間特征及其狀態(tài)進行探測，既而對具有潛在危害的采空區(qū)進行合理評價和治理取得較好的效果。

2 非煤采空區(qū)地震波場特征

2.1 非煤采空區(qū)地震時間剖面特征

煤礦采空區(qū)是在煤層反射波作為參照標志，煤層波在多數地震剖面上具有較強反射，容易識別，當煤層波突然局部變異、中斷、繞射波、空白段、低能量或反射波下沉等現象，可能都是煤礦采空區(qū)的反映，而非煤礦山采空區(qū)的地震時間剖面上的反射特征要遠比煤礦采空區(qū)的地震反射特征復雜得多。首先是空間位置的不確定性，導致采空區(qū)在時間剖面上無參照可尋，多數非煤礦山礦層與圍巖之間并非突變波阻抗界面，而是一個波阻抗?jié)u變過度帶，有的時候礦體與圍巖波阻抗差異并不明顯（非煤礦山地震勘探的難點所在），依據地震反射原理，難以產生礦層參照反射波，當礦體被挖采后形成采空洞體 ，無論是空氣充填，還是水充填，亦或是其它松散物充填，都能在洞體圍巖與充填物之間形成較大的波阻抗差異界面，當洞體大于第一菲涅爾帶半徑時，在地震時間剖面上出現有較強的反射波，依照洞體大小規(guī)模以及形狀差異，出現反射波的特征也有所不同，規(guī)模較小時往往只有幾道強反射波，水平層狀采空區(qū)呈條帶狀強波，球狀采空區(qū)呈弧狀強波，在疊加剖面上有明顯繞射波出現，偏移成象后繞射波得到收斂，在地震信噪比較高的剖面上多數容易識別，但在復雜礦區(qū)往往得到地震資料信噪比較低，局部構造、礦體也能產生強反射的情況下，在解釋過程中首先要全面掌握和熟習礦區(qū)已知地質構造和采空區(qū)資料。其次要找出已知采空區(qū)在地震剖面中的表現特征，然后根據此特征再推測出末知采空區(qū)，依照這樣一個工作思路來分析解釋采空區(qū)，必要時可結合水平切片和地震屬性來進行判別。

2.2 非煤采空區(qū)地震水平切片特征

三維地震水平切片可以直觀地反映采空區(qū)在不同高度的大小、位置和分布情況，理想的信噪比較高的地震資料采空區(qū)水平切片反射波呈水波汶狀，有多個暈圈，隨著時間變化大小也發(fā)生變化，直到消失，但在復雜礦區(qū)此種情況較為少見，多數表現為局部強振幅或局部弱振幅反映，視時間值不同而有所不同。

2.3 非煤采空區(qū)三維地震屬性特征

地震波屬性是疊前或疊后的地震數據經過數學變換而得到的有關地震波動力學、運動學和統(tǒng)計學的特征參數，是表征和研究地震數據內部所包含的時間、振幅、頻率、相位以及衰減特征的指標，稱之為地震屬性。研究表明這些指標度量值（地震屬性）與地下地層巖性、物質成份以及物質結構緊密相關，不同的地震屬性能夠表征不同地質體的物性及構造特征，在非煤礦區(qū)地震勘資料中就包含有采空區(qū)的地質信息，利用有些地震屬性對采空區(qū)的地震波反射特征具有放大作用的功能，來有效識別采空區(qū)反射波，提高采空區(qū)的解釋精度。通過對GEFRAM、LANDMARKE、VVA三種解釋系統(tǒng)中提供的5大類幾十種地震屬性的研究發(fā)現，地震波振幅類屬性對采空區(qū)反應較為敏感，其中最大最小振幅和均方根振幅屬性較為突出。另外一些數據轉換類屬性效果也明顯，如螞蟻體、相干體、曲率體等，這些屬性的共同點就是對地質體的地震反射特征具有放大作用，使我們更容易識別采空區(qū)異常。

3 應用實例

安徽定遠東興鹽礦首采區(qū)于1988年建井開采，至今開采時間長達30年，期間發(fā)生了三次開采溶腔地面塌陷，考慮到安全因素，大部分開采井未達設計開采資源量被迫停用。為充分利用資源，提高資源利用率，必須查明礦區(qū)地質情況以及溶腔的開采情況，為后續(xù)礦區(qū)開采井設計布置提供依據，為此開展三維地震勘查工作。本次勘測主要位于礦區(qū)西部（圖1）礦體中部礦層傾角較小，一般只有8～10°，礦體周邊的傾角較陡，巖層傾角30～40°，局部達80°（圖2）。

圖1 測區(qū)位置及構造圖Figure 1. Location and structure of the surveyed area

礦區(qū)采用水溶開采模式，主要有單井法和雙井連通法，不同開采方式所產生的采空區(qū)形狀有所不同，單井法產生的采空溶洞呈梨形，而雙井連通法產生的采空溶洞亞啞鈴形，兩頭靠近井口位置采空溶洞較大，中間通過管狀通道聯(lián)結，隨著開采時間加長，使溶洞逐漸發(fā)展成為兩端呈半圓柱、中間成長方形的槽狀溶洞。根據巖鹽的溶蝕規(guī)律，巖鹽的溶蝕以上溶為主，側溶次之，下溶緩慢；巖鹽溶腔是隨開采進程逐步發(fā)展擴大，跨度逐漸增大，底板上開始堆積不溶物；當頂板所受的拉應力達到頂板巖石強度極限，頂板就會發(fā)生破壞，產生裂縫、冒落、垮陷。當頂板大規(guī)模垮塌后，原來井下的溶腔堆積松散物。一旦溶腔破壞與地表溝通，就會出現地面冒鹵、沉降和塌陷。這里介紹幾個開采不同時期的溶腔實測地震反射波特征，便于以后對此類溶腔參考解釋。

圖2 測區(qū)I線地質剖面圖Figure 2. Geological profile of survey area line I

（1）開采早期。圖3僅開采半年采空區(qū)，橫向擴展已具一定規(guī)模，約35x15m長寬大小，高度約10m左右，在地震剖面呈局部強波反射，不具有采空區(qū)形態(tài)上反映。

（2）開采中期。圖4開采5年以上采空區(qū)，呈標準梨形，采空寬度約100m，高度約80m，是規(guī)模較大的采空區(qū)，由于采空區(qū)頂界的上部是高阻抗的鹽巖和下部低阻抗的鹵水接觸關系，反射系數為負值，因此解釋采空區(qū)頂界時對應反射波的負相位。

圖3 開采早期采空區(qū)地震剖面Figure 3. Seismic profile of goaf in early mining period

圖4 開采中期采空區(qū)地震剖面Figure 4. Seismic profile of goaf in the middle mining period

（3）開采晚期。圖5開采8年以上采空區(qū)，采空寬度達209×154m，頂板石膏層和其上覆泥巖在自然重力作用下向下彎曲張裂，被鹵水浸蝕后變得松散，然后逐層崩塌冒落，在采空區(qū)底部形成錐狀松散堆積物，形成底部錐形反射，上部已有約80m地層坍塌，如不即時采取措施將很快引起地面塌陷，我們將這一勘測結果即時告知礦方，礦方立即采取停采措施，四個月后又進行一次重復觀測，發(fā)現上部地層沒有進一步坍塌，有效地阻止了一次地面塌陷事故，該采空區(qū)目前使用微地震方法進行實時監(jiān)測。

圖5 開采晚期破頂采空區(qū)地震剖面Figure 5. Seismic profile of goaf with broken roof in late mining period

（4）已塌陷采空區(qū)。圖6采空寬度達121x160多米，是目前該礦區(qū)三個已經塌陷采空洞體中的2號塌陷坑，此塌陷坑在塌陷之前我們采用二維地震方法進行勘測，發(fā)現險情后即時通報礦方，礦方接報后立即轉移地面設施，改變早期鋪設的地面鹽鹵輸送管道，三個月后塌陷，由于預報準確即時沒有給礦方造成重大損失。三維地震剖面顯示，塌陷坑邊界清晰，底部有一些雜亂反射為崩塌堆積物所致。

圖6 已塌陷采空區(qū)地震剖面Figure 6. Seismic profile of collapsed goaf

圖7 三維地震330ms水平切片Figure 7. Horizontal slice of 3D seismic profile at 330ms

圖8 T47波順層振幅均方根屬性Figure 8. Root mean square attribute of T47 wave bedding amplitude

（5）地震屬性分析，圖7為330ms水平切片，圖8為鹽巖頂板石膏層順層振幅均方根屬性圖。水平切片顯視整個測區(qū)呈半橢圓形洼陷構造，北部被斷層切割，局部振幅變強或變弱或變紊亂為采空區(qū)反映，測區(qū)構造和采空區(qū)十分清晰可分辨。順層振幅均方根屬性是沿某一反射層提取地震屬性，反映了某一地層地震波的變化情況，當鹽巖頂板石膏層發(fā)生溶蝕、壓裂、崩塌時地震波的振幅、頻率、相位也隨之發(fā)生變化，從T47(頂板)順層振幅均方根屬性圖可以看出測區(qū)已有9個采空區(qū)破頂，東中部1、2、3三個為已塌陷區(qū)，中部4為圖5所述的半塌預警采空區(qū)，其它破頂采空區(qū)頂部崩塌高度不大，危害性次之，但也要密切關注其發(fā)展情況。從地震屬性圖上反映的采空區(qū)水波汶狀暈圈范圍要大于實際解釋范圍，這是因為地震波的衍射作用所引起的，是符合地震波勘探原理，解釋時通常以內圈圈定采空區(qū)平面投影范圍。

4 結論

非煤礦山采空區(qū)（或溶腔）三維地震解釋識別標志：

（1）在時間剖面上反射波組中斷或能量變弱，在弱波中突然出現局部強反射。礦層反射波同相軸明顯終斷或能量變弱，其中斷點或能量變化位置即為采空或溶腔邊界的反映。

（2）地震波頻率的突變。在地震剖面上，采空區(qū)（或溶腔）處地震波的頻率突然降低，其頻率變化位置即為邊界的反映。

（3）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)（或溶腔）邊界。

（4）異常波出現。異常波包括繞射波、延遲繞射波等。繞射波產生于巖性間斷點，在有采空區(qū)的地層中，采空區(qū)內巖性與圍巖不同。因此，在采空區(qū)（或溶腔）的礦層斷面反射段中斷點處（即斷陷點），可產生繞射波。

（5）在水平切片上有明顯的能量突變和能量擾動現象出現，突變邊界即為在采空區(qū)（或溶腔）平面投影邊界。在振幅均方根屬性圖上出現水波汶狀暈圈反映，暈圈內側邊界為采空區(qū)（或溶腔）邊界。