采空區(qū)及其下部煤層的地震響應特征

曹秀森

（河北省煤田地質(zhì)局 環(huán)境地質(zhì)調(diào)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(fā)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(xù)發(fā)展，顯得尤為重要。

煤礦對采空區(qū)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(shù)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(qū)大致會經(jīng)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(qū)的塌陷期、塌陷穩(wěn)定后的穩(wěn)定期。

采空區(qū)的探測一直是煤炭勘探行業(yè)上的一大難題。根據(jù)采空區(qū)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(qū)的埋深、形態(tài)特征、填充物等方面變化較大，在對其及下部煤層的地震數(shù)據(jù)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(qū)模型，對應模擬采空區(qū)形成后的空腔期、塌陷期、穩(wěn)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(qū)不同階段下組煤的勘探效果，指導了實際的生產(chǎn)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(shù)，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(jù)其結果為生產(chǎn)實踐提供依據(jù)。地震正演模擬技術在地震數(shù)據(jù)采集及地震資料解釋等實際生產(chǎn)和方法研究中都發(fā)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(zhì)模擬、聲波介質(zhì)模擬、彈性介質(zhì)模擬和彈性各項異性介質(zhì)模擬5種波動方程有限差分數(shù)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(zhì)模型。

2 正演模型的建立

此次正演模擬共建立了5個地質(zhì)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(qū)模型。主要目的是模擬在煤層采掘形成采空區(qū)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(shù)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(qū)位于煤層1上，水平距離在500～600 m，垂直距離在400～404 m。根據(jù)不同的充填物參數(shù)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(shù)Table 2 The mined out model parameters of No.1 coal seam

2.3 觀測系統(tǒng)的參數(shù)選取

此次正演模擬選取的觀測系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)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(wěn)定、能量強、連續(xù)性好。因基礎模型上煤層及圍巖的層位都為水平、速度穩(wěn)定，沒有突變點，所以經(jīng)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(qū)的縱波速度為340 m/s，密度為1.29 kg/m3，模擬的是采空區(qū)剛剛形成時的一個純空腔的狀態(tài)。從正演得到的時間剖面上可以看出，因剛形成的采空區(qū)與圍巖波阻抗差異很大，在采空區(qū)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(fā)育，下部煤層在采空區(qū)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(xiàn)象。偏移處理后的剖面上繞射波得到了很好的收斂，采空區(qū)上的強振幅反映更加明顯，采空區(qū)與下部煤層2間發(fā)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(qū)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(qū)位置上，反射波振幅增強，頻率降低，繞射波發(fā)育，下部煤層反射波振幅變?nèi)酰⒂邢聫潿F(xiàn)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(qū)下的煤層形成了連續(xù)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(qū)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(qū)位置上，反射波振幅有一定增強，頻率略低，繞射波發(fā)育，對應下部煤層反射波振幅變?nèi)酰⒂邢聫潿F(xiàn)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(qū)下的煤層形成了連續(xù)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(qū)在經(jīng)過長期的塌陷、充填、壓實穩(wěn)定后的一個狀態(tài)。從正演得到的疊加時間剖面上來看，下部煤層形成了穩(wěn)定連續(xù)、振幅基本一致的反射波。采空區(qū)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(qū)別。偏移處理后的剖面上繞射波得到了很好的收斂，采空區(qū)位置的反射波振幅稍弱，下部煤層反射波清晰、穩(wěn)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(chǎn)規(guī)模較大的現(xiàn)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(xù)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(qū)的處理為全部垮落。為了掌握下部9煤的賦存及構造發(fā)育情況，以便進行采掘，在東龐礦南翼中部地區(qū)開展了三維地震勘探工作。

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

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(xù)、穩(wěn)定、振幅強的反射波；2004年的2煤采空區(qū)位置在經(jīng)歷了14 a的塌陷、填充穩(wěn)定后，重新形成了較連續(xù)、穩(wěn)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(wěn)定，基本未受到采空區(qū)的影響；而2014年的2煤采空區(qū)因形成時間較短（4 a），尚處于采空區(qū)塌陷期，未形成穩(wěn)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(qū)正演模擬來看，剛形成的采空區(qū)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(qū)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(wěn)定后，下部煤層便重新形成了連續(xù)、穩(wěn)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(qū)的塌陷穩(wěn)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(qū)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(qū)的間隔、具體的地震地質(zhì)條件等都會對下組煤的勘探效果產(chǎn)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。