礦井采空塌陷區地震探測與識別技術應用研究

周俊杰，張二偉，姚 宇

（1.河北工程大學地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038；2.潞安集團 余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046103）

0 引 言

礦井采掘活動的進行會形成采空塌陷區，造成地面變形和地表建筑物的破壞。如何精細、精準探測煤礦采空區是關鍵。地球物理探測手段和方法作為礦井探測手段之一，在礦井采空區探測中發揮著重要的作用。由于礦井地質條件復雜多變，老窯采空區資料的缺失或不明，給礦井采空區探測帶來困難。地震勘探以其良好的縱向和橫向分辨能力，被廣泛應用于老窯采空塌陷區的探測中，特別是采空區塌陷引起的上覆和下伏巖層的破壞帶的預測。不同學者從地震數據采集時地震工程布置、不規則觀測系統設計等多方法和技術進行了探測，但探測效果還存在缺陷。同時，采空區分布的不規則性，使采空區及其圍巖邊界處的地震反射層面發生變化，對于地面接收到的地震信號是否為采空區及其圍巖邊界形成的界面反射是地震數據處理與解釋的難點。

本文依據山西潞安集團余吾煤業有限責任公司現采3號煤層中的S5101工作面開采情況，在其地表布置2條勘探測線，通過煤層開采前和開采后同一條測線的地震探測，精細識別工作面開采前后形成的單炮地震、疊加時間剖面記錄，識別出開采后形成的采空區地震地質響應特征，確定開采后形成的采空區分布空間特征、位置及開采后形成的地表破壞范圍。

1 礦井地質概況

山西潞安集團余吾煤業有限責任公司礦井主采3號和15號煤層，現采S5101工作面3號煤層，煤層深度大致為400 m。為有效探測和掌握采空區影響范圍、大小及分布特征，通過在地表布置二維地震勘探測線，利用地震數據識別采空區位置和空間分布形態，合理圈定工作面采空區地表影響范圍。

2 采空區地震探測技術

2.1 反射波探測采空區的物理基礎

煤層與圍巖之間形成一定良好的波阻抗差異界面，當煤層足夠厚時，就可形成連續的地震反射波。當煤層開挖形成采空區后，煤層（低密度、低速帶）與圍巖之間形成良好的地震反射波組。

煤層采空區及其塌陷區與完整的煤層（或者上覆巖層）之間，地層松散、密實度降低，同時在塌陷區和采空區的邊界處，會形成一定的破裂、裂隙的存在，在地震反射中常表現為一定的繞射波、散射的現象。

2.2 工程布置

依據野外地形和S5101工作面位置投影，在工作面切眼和回采800 m位置處布置2條測線進行地震勘探，如圖1所示，點距5 m，端點激發方式，96道接收道集數。DC1側線平行于工作面項北部延展，DC2測線與工作面斜交，經過采前和采后2次2條測線同一位置的地震探測，分析和評價工作面采前、后地面變形范圍。

圖1 二維地震勘探地面測線位置分布Fig.1 Location distribution of ground survey lines in two-dimensional seismic exploration

3 采空區地震勘探精細識別技術

3.1 采空區單炮地震記錄精細識別技術

通過2條測線同一位置處在工作面開采前、后的地震勘探工作，得到工作面回采前、后原始單炮地震記錄，如圖2、圖3所示。從圖2、圖3上可以看出，對比工作面回采前、后，回采后的地面塌陷地段取得的地震記錄存在明顯的繞射波，且地震單炮記錄的頻率變低，同一反射層位形成的相位和頻率出現變化，甚至出現中斷，部分地段形成相位反轉、波形畸變，振幅出現變小特點。

圖2 工作面回采前、后同一位置單炮記錄Fig.2 Single shot record at the same position before and after working face mining

圖3 工作面回采前、后單炮記錄頻譜曲線Fig.3 Curve of single shot record frequency spectrum before and after working face mining

對回采工作面回采前、后的塌陷地段的地震記錄頻譜曲線進行對比，表明工作面回采前的煤巖層地震反射波的優勢頻率在70 Hz以上（圖3a），工作面回采形成地面塌陷區后的煤巖層地震反射波的優勢頻率在60 Hz以下（圖3b）。說明工作面回采后由于上覆巖體的運移，煤巖層位置的空間變化使煤層反射波動力學特征發生明顯變化，地震記錄表現為振幅減弱，頻率降低，相位反轉及波形畸變等。據此特征，可精細識別出工作面回采后造成的地表破壞地段。

3.2 采空區疊加時間剖面前后對比

野外地震記錄經過針對性地震數據處理后，得到高質量疊加時間剖面。DC2地震測線在回采前、后同一位置處的疊加時間剖面如圖4所示。對疊加時間時間剖面的對比可看出，工作面回采后造成該處煤層缺失，同時引起上覆煤巖層的破裂與沉陷，造成疊加地震疊加時間剖面同相軸出現不連續、異常現象。回采后的地震疊加時間剖面采出煤層位置處出現空白區，上覆煤巖層發生變形區，地震剖面表現出回采前的地震記錄連續性好，回采后由于巖體的運移造成地震記錄發生下陷特征，而周邊為采掘的煤層同相軸連續性好。通過對采區破壞后的疊加時間剖面的識別，利用采空區邊界特點，確定塌陷區與圍巖之間的破裂角度為65°左右。

圖4 DC2測線回采前、后同一位置疊加時間剖面圖Fig.4 Superimposed time profile of same position before and after mining of No.DC2 survey line

為更為精細識別和確定工作面回采造成的地表和上覆巖體的破壞范圍，在疊加時間剖面上充分反映出工作面回采造成的上覆巖體破壞形成的地震記錄特征（圖5）。

圖5 采空區在疊加時間剖面的反映Fig.5 The reflection of goaf in superimposed time profile

回采后的疊加時間剖面上出現了反射波組中斷或能量變弱（圖5a）；地震波頻率的突變，工作面回采造成地面破壞范圍內的地震波頻率突然降低，可將地震波頻率突變位置處劃定為造成地面破壞范圍的邊界（圖5b）；工作面回采造成反射波同相軸扭曲產狀突變，表現為一系列反射波同相軸向煤層開采破壞范圍內側扭曲，因此其扭曲異常突變點的連線可以認為是工作面回采造成地表破壞范圍的邊界，且隨著回采工作面上覆巖體破壞的穩定性增強，地震時間剖面上表現為地震波同相軸逐步向回采工作面中心位置傾斜的特征（圖5c）；反射波相位轉換，反射波極性發生反轉，其反轉起始點連線即為采空區邊界（圖5d）。

3.3 回采工作面地面破壞范圍的圈定

依據地震勘探測線解釋成果，采取地表破壞帶精細識別技術，圈定S5101工作面回采后地表沉陷區影響范圍，回采工作面回采造成的地面破壞范圍主要集中在布置工作面邊界外推130~150m，如圖6所示。形成的主要破壞類型為地面不均勻沉降造成的地表沉陷和塌陷裂隙、陡坎等，不均勻沉降也會造成地表上覆建筑物和固有物的整體沉陷和開裂。

利用地震時間剖面解釋的地表破壞帶邊界位置，進行實地位置的投影驗證分析，距離DC1測線位置250 m處P1點（圖6）為解釋的地表變形破壞范圍的邊界，在實地的測量點位上可見地表形成與工作面走向基本一致的地表裂縫，長度約為50 m，裂縫寬度為15～20 cm，如圖7所示。

圖6 地震勘探確定工作面沉陷影響范圍Fig.6 Influence range determination of working face subsidence by seismic exploration

圖7 工作面回采形成DC1測線的P1點地表破壞裂縫帶Fig.7 Surface fracture zone at No.P1 point of No.DC1 line formed by working face mining

4 結 論

回采工作造成的上覆巖體采空區及其地面影響范圍探測是礦井隱蔽致災體探測的重要任務，采用二維地震勘探在工作面回采前后得到地震記錄，對余吾煤業S5101工作面在回采前、后地震勘探記錄進行對比，圈定出工作面回采造成的淺部和深度影響范圍，在疊加時間剖面上識別塌陷類型和回采工作面破壞邊界范圍，解釋效果明顯。

（1）利用地震勘探得到疊加時間剖面同相軸錯段、相位和頻率突變，特別是反射波同相軸向回采工作面中心位置扭曲等特征，利用扭曲、突變點的連線可精細確定出煤層回采破壞區的邊界。

（2）利用破壞帶與圍巖間疊加時間剖面進行精細識別，對應邊界位置清晰可靠，利用邊界處的地震波頻率、相位突變（斜率劇烈變化處），劃定回采造成的煤巖層破壞及沉陷破壞地帶邊界位置。

依據二維地震回采工作面回采前、后的對比，圈定出余吾煤礦S5101工作面回采前后造成的地表影響范圍及邊界，工作面回采造成地面破壞變形范圍邊界可依據工作面垂直投影位置外推130～150 m，該范圍外地表破壞較弱。