浅层地震法在矿井不明老空区探测中的应用

黎 灵

（1.煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013）

鄂尔多斯地区矿井早期多采用“房柱式”开采，矿井无图纸、无记录，已经形成了分布广泛的老空区，这给将来工作面布置和安全生产带来较大隐患，还会造成地面交通干线和建筑物的损坏，严重危害人民的生命财产安全。

本文通过使用428地震仪，对鄂尔多斯某矿规划开采的13102和13103工作面内3号煤层老空区分布进行地表探测，勘探划定该区域老空区分布范围，为矿井工作面布置提供了科学依据。

1 测区概况及地球物理特征

测区内的地形特征为东北高、西南低，以风积沙漠地貌为主，呈波状起伏，微地貌形态有新月形沙丘、沙垄等，不利于地震波的激发和接收，地表浅层地震地质条件差。

3号煤层厚度变化不大，煤厚为1.97～3.05m，平均厚度为2.72m，埋藏深度约为60m。煤层顶板岩性多为泥岩和砂质泥岩，底板岩性以砂质泥岩为主，局部为砂岩。3号煤与其顶、底板存在着明显的波阻抗差异，在无采空区域能形成波形较稳定的复合反射波，该反射波是本次勘探解释采空区的主要依据。

2 浅层二维地震法勘探参数选取与方案设计

2.1 探测参数选取

浅层二维地震勘探观测系统的选择，主要是从空间采样间隔、最浅目的层少受直达波的干扰、动校拉伸畸变不能过大及能够保证速度分析的精度，以适当的覆盖次数使有效波突出、能够连续追踪等方面综合分析确定［1］。由于本区地层倾角较小（1°～3°），对于浅层二维地震布线方向没有影响，本着有利于生产和解释的原则，主测线方向基本平行于勘探区长边界布置，联络测线垂直于主测线，中间激发。

1）CDP点距的确定：本区地层倾角1°～3°，3煤层埋深一般小于60m，考虑到本次勘探的主要地质任务为采空区，精度要求较高，综合上述因素选用接收道距4m，CDP点距2m。

2）叠加次数：本区表浅层地震地质条件较差，要获得较高信噪比和分辨率的资料，保证勘探效果，必须要有一定的叠加次数，经过多次试验对比效果，本次采用12次叠加。

3）最大炮检距、最小炮检距的确定：最大炮检距Xmax要考虑目的层埋深、动校正拉伸、分辨率、折射波的干涉等因素，本次取Xmax＝100m；最小炮检距Xmin取决于最大炮检距以及声波、面波发育情况及目的层埋深等诸多因素，根据本区情况，本次取Xmin＝8m（图1）。

图1 观测系统示意图（48道接收，中间激发）

2.2 探测方案设计

本次老空区勘探浅层二维地震主测线线距不大于200m，每平方千米满覆盖剖面长度不低于5km。依此为依据，设计布置地震测线3条，测线长度2984m，剖面长度2156m，线上生产物理点303个（图2）。

图2 勘探区域及侧线布置图

3 资料处理与解释

3.1 资料处理流程

本次浅层二维地震勘查区为典型的风积沙覆盖区，表浅层地震地质条件相对较差，加之目的煤层埋藏很浅，致使其资料处理工作极为困难和繁杂。在大量试验处理反复分析的基础上，确定了资料的常规处理流程（图3），取得了良好的处理成果。

3.2 资料处理技术措施

本次处理叠前采用了静校正、地表一致性反褶积、常速扫描、DMO处理技术，最大限度的提高了资料的分辨率，剖面质量有了较大的提高。这主要表现在以下几个方面：

1）去噪方法、参数选取适当，叠前采用高通滤波使得面波得到较好压制，叠后又采用随机噪音衰减，提高了剖面的信噪比，能清楚的呈现出主要反射层的成像效果［2］。

2）叠前采用地表一致性反褶积技术，使剖面低频干扰得到较好压制，高频信号得到补偿，频带得到展宽。剖面分辨率高层次清楚［3］。

3）该区资料处理的难点主要是：有效波信噪比低，针对这一客观因素，处理中我们采用了静校正、3次剩余静校正、3次速度分析；另外，采用了在噪音中提取有效信号特有技术，较好的解决了这一问题。

4）最终处理的剖面归位准确，目的层连续性较好、断点清楚可靠，达到了“三高”处理目的。

3.3 资料解释成果

二维地震勘探野外采集的数据进行精细的处理后，得到了分辨率较高的二维地震测线剖面。资料解释工作，就是利用相应的技术方法对剖面中所包含的地质信息进行提炼，将地震数据信息转换成地质信息［4］。

图3 浅层二维地震资料处理流程示意图

测线的解释主要依据叠加时间剖面及偏移时间剖面解释，通过分析剖面解释每条测线的正常赋煤地段及地质异常段［5－6］。本次地震事件剖面主要表现为以下几种情况：正常赋煤地段表现为各煤层对应同向轴较为稳定，连续性较好；采空区表现为煤层反射波突然消失或反射波非常凌乱、没有成层迹象［7－8］；疑似采空区表现为煤层对应反射波较为凌乱，频率较低，较为倾向于采空［9－10］，如图4。疑似采空区与正常赋煤地段反射波能量变化较为明显，在采空区范围煤层反射波能量明显减弱，如图5。由图6可看出，煤层反射波的波形特征在正常煤层和采空区明显不同。

把每条测线上的正常赋煤地段、采空区、疑似采空区根据一定规律分别连接在一起，就构成了浅层二维地震解释的平面图，如图7。

为准确把握采空区边界线，在物探采空区边界处特施工23个地面钻孔，验证采空区物探成果，23个钻孔中有12个孔进入采空区，11个孔向边界外施工准确把握了采空区边界，为矿井工作面安全布置提供了重要依据，消除了13102和13103工作面老空隐患。

4 结论

1）采用浅层二维地震法对埋藏深度较浅的煤层采空区勘探具有良好的效果，准确性较高，为矿井防止老空灾害提供依据。

图4 SDL1线局部浅层二维地震解释示意图

图5 时域平均能量图

2）在使用浅层二维地震法勘察采空区中，人工锤击可以成为较好的震源，叠加次数需根据具体工程地质条件进行试验确定，此次确定12次叠加，效果良好。

图6 相似系数图

3）浅层地震法探测采空区，剖面图中煤层及采空区表现直观，采空区分布范围一目了然，具有良好的可视性。

图7 地震平面解释示意图

［1］陆基孟.地震勘探原理［M］.北京：石油工业出版社，1993.

［2］雷宛，肖宏跃，邓一谦，等.工程与环境物探教程［M］.北京：地质出版社，2006.

［3］王庆海，徐明才.抗干扰高分辨率浅层地震勘探［M］.北京：地质出版社，1991.

［4］李文.煤矿老空区地面探测技术及其应用［J］.中国矿业，2011，20（5）：111－114.

［5］赵德亨，田钢，王帮兵.浅层地震折射波法综述［J］.世界地质，2005，24（2）：188－193.

［6］牛跟彦.超浅层地震勘探技术在小煤窑采空区中的应用研究［J］.中国煤炭，2012，38（6）：50－73.

［7］许柏青，潘华，白聚波.地震反射波法在隧道超前预报中的应用［J］.金属矿山，2008（11）：25－28.

［8］丁荣胜，张殿成，王仕昌，等，高密度电阻率法和地震映像法在采空区勘察中的应用［J］.物探与化探，2010，34（6）：732－736.

［9］张华，陈小宏，刘松.地震勘探技术在公路采空区调查中的应用［J］.地下空间与工程学报，2011，7（2）：371－374.

［10］杨晓平，郑荣章，张兰凤，等.浅层地震勘探资料地质解释过程中值得重视的问题［J］.地震地质，2007，29（2）：282－292.