三维地震勘探技术在灵新煤矿采空区探测中的应用

李建武，职荣军，武书泉，梅　超

（1.神华宁夏煤业集团有限责任公司灵新煤矿，宁夏银川750011；2.宁夏回族自治区矿产地质调查院，宁夏银川750021）

三维地震勘探技术在灵新煤矿采空区探测中的应用

李建武*1，职荣军2，武书泉1，梅超2

（1.神华宁夏煤业集团有限责任公司灵新煤矿，宁夏银川750011；2.宁夏回族自治区矿产地质调查院，宁夏银川750021）

在宁夏灵武矿区，小煤窑的多年乱采、乱掘形成了许多采空区。老窑采空区严重的威胁着矿井的生产与安全，在煤矿生产和施工前探测采空区，圈定出采空区的范围，已成为当前三维地震的一项十分重要的研究课题。以探查灵新煤矿采空区为例，阐述了工程勘查中三维地震勘探的资料采集、处理与解释技术。通过对采空区特征的认识，结合地震资料，对采空区的分布进行解释，结果与钻探资料对比相吻合，说明三维地震勘探适用于煤矿采空区的探测。

三维地震；煤矿；采空区；地震反射波

在煤矿开采过程中，经常遇到以前小煤窑开采形成的采空区。这些采空区的存在对现代煤矿生产带来了日益严重的影响，如果对其勘查不明、了解不透，会造成透水、坍塌、瓦斯爆炸等重大矿难，同时也会对地质、环境、工程产生负面影响，甚至会给国家和社会带来巨大经济损失。针对这一问题，我们采用三维地震勘探方法对采空区进行评价。该方法取得了很好的效果。以三维地震勘探技术在宁夏灵新矿区某矿井探测采空区的应用效果为例进行叙述。

1　矿井概况

该矿井位于灵新矿区的东南部，为整合重组后的新建矿井。井田范围内分布有多个开采多年的小煤窑，开采方式一般是沿煤层露头下掘斜井，解放后采用低成本的房柱式采煤法，无序乱采。由于多数采掘资料缺失，从仅存的采掘资料表明，小煤窑所采煤层涉及井田内最浅部二煤可采煤层，采空区分布无序。

根据勘探区内及邻区钻孔揭露资料，勘探区内已知地层由老到新依次为三叠系、侏罗系、第四系，其中侏罗系的延安组为区内主要含煤地层。

2　煤性特征地质构造及地球物理特征

2.1煤性特征

井田内含煤地层为侏罗系的延安组，该地层位于直罗组底部粗砂岩标志层之下。主要由中细粒—细粒砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层组成。含煤地层厚约314～ 352m，平均338m。含煤层煤线37层，其中稳定可采煤层6层，本次研究采空区煤层为二煤。

二煤位于延安组上部第Ⅳ段，层位稳定，全区可采，煤层埋藏深度50～292m，煤层厚度4.48～11.96m，平均厚度8.33m。二煤一般含1～2层夹矸，局部可见3层夹矸，夹矸多为泥岩、粉砂岩，多位于煤层中下部，夹矸厚度、层位均较稳定，厚约0.00～0.59m。顶板岩性一般为粉砂岩、泥岩或粉砂质泥岩；底板岩性为泥岩、粉砂质泥岩。

2.2地质构造

区内地层整体为一走向近南北，北窄南宽，两翼不对称的向斜构造形态。向斜西翼为主要研究区域，地层基本平缓，地层倾角在8°～13°左右，向斜东翼倾角75°左右。断裂构造不发育。

2.3采空区的地球物理特征

采空区是地下煤层开采后形成的空间。煤层采空后，其顶板受破坏后，可能造成采空区自然坍塌，引起上覆地层的变化，形成冒落带、裂隙带、弯曲带。由于各自的地质条件不同，采空区被空气、地下水、泥砂等介质所充填，采空区内介质与围岩相比，都存在明显的物性差异，这是地震探测的地球物理前提条件。见图1。

煤层采空区与完整地层相比，地层变得疏松，介质的密度降低，同时使传播于其中的地震波速度下降。采空区不论被什么介质所充填，在其边缘部位都存在一个明显的波阻抗反射界面，采空区内介质和围岩介质的波速存在明显的差异。采空破坏区内，由于煤层采掘不规则，有煤层采空、煤层变薄、留设煤柱以及局部残留等现象，在时间剖面上，该反射波相对煤层反射波来说，时间上延长，振幅增强，频率降低，延续相位能量增强等，即会出现反射波无序、反射波中断以及反射能量增强等状况，在特殊情况下，还会产生绕射波的情况。三维地震反射波法正是利用这一物理前提来探测地下采空区的。

图1　煤层采空区变形破坏垂直“三带”示意

2.4地震地质特征

该区属低缓丘陵地貌，地表为沙丘掩盖，地形低缓平坦，相对高差约60m，全区被第四系覆盖，无基岩出露，不利于野外数据采集。表浅层地震条件复杂。该区深层除采空区外煤层赋存稳定，煤层顶底板围岩波阻抗差异大，物性差异明显，故可形成较好的反射波，具备形成深层地震反射波的条件，地震地质条件较好。

针对勘探区特殊的地震地质条件及煤层赋存状况，本次采用法国428XL高分辨率数字地震仪，井炮激发，60Hz高频检波器接收。已知资料表明采空区范围多分布在煤层露头等煤层赋存较浅出处，为了获得浅部地层地震地质信息，更好地控制采空区边界，本次数据采集采用10线10炮制束状不对称激发观测系统，720道接收，30次叠加，1ms采样间隔，记录长度2.0s，取得了较好的效果。

3　资料处理、地质属性及资料解释

3.1资料处理

资料处理工作在SunBlade2000工作站上进行，采用绿山折射静校正，处理软件为法国CGG公司的GEOVECTEUR PLUS全三维处理软件和东方公司GRISYS地震数据处理软件。

在资料处理过程中，根据勘探区地质任务和地质特征，利用绿山折射静校正解决了该区复杂地形的野外静校正问题，在此基础上进行了速度分析，反褶积参数测试，去除干扰，真振幅恢复，动校正拉伸畸变切除，剩余静校正计算，DMO分析及DMO叠加，叠后去噪及偏移，最后得到CDP网格5m×5m×1ms的三维数据体。获得的三维数据体质量比较高，煤层反射波分辨率较高，连续性强，信噪比高，为下一步资料解释奠定了基础。

3.2反射波的地质属性

要进行地震资料解释，首先就要确定数据体中反射波组的地质属性，尤其是要认准勘探目的层所对应的反射波。利用测区内钻孔资料与通过钻孔的时间剖面对比可以确定反射波的地质层位及对应的反射波。

本区含煤层层数较多，本次根据地震勘探承担的地质任务及时间剖面上反射波的特征，对二煤底界面进行了标定。二煤反射波特征明显，以一个双相位出现，能量强，频率高，连续性好，能较好的对其进行追踪识别。

3.3资料解释

本次三维地震资料的解释工作在SUN工作站进行，利用GeoFrame4.3的GeoQuest IES/IESX交互地震地质解释系统和GeoViz可视化软件对三维数据体进行解释。三维数据体反映了地质体在空间的形态变化，利用该数据体可以输出水平时间切片和垂直时间剖面。

资料解释是一个由地震资料转化为地质成果的过程，是物探知识、地质规律、解好似经验等各种技术的综合体现。在资料解释工程中，人工解释与工作站解释相结合，以人工解释为基础，利用工作站的自动追踪拾取功能，由粗网格到细网格逐步加以解释。最后利用计算机自动内插到5m×5m，同时将追踪层位进行网格化处理，运用三维可视化技术使之立体显示并旋转，检查其空间展布形态是否正确。

4　采空区解释

依据已有资料显示，勘探区采空区为老窑采空，时间较长，内部塌陷严重，其均为人工开采操作，沿煤层露头下掘斜井。以此为参考，对位于采空区附近时间剖面进行了对比分析解释，在此类区域，时间剖面上均出现了反射波同相轴突然中断、畸变、零乱等特征，据此圈定了区内二煤的采空区东部边界。在采空区方差体切片图和煤层剥离图中可以直观的看出采空区的范围。后经钻探验证得出采空区边界与本次三维地震勘探得出的采空区边界基本吻合。

需要指出的是：①对采空区内部可能存在的留设煤柱和部分未采空区域反映不清，没有给予解释。②勘探区东部（向斜东翼）地层倾角为75°左右，水平叠加剖面略有显示，偏移剖面无法成相。③据矿方资料，六煤并不存在采空区。而在时间剖面上可以看出，六煤反射波和二煤反射波一样，都出现了反射波同相轴突然中断、畸变、零乱等特征。这是因为六煤层与二煤层间距较小，二煤采空区对六煤层影响较大，导致六煤层反射波能量弱且不连续，本次勘探没有解释六煤层可能存在的采空区。见图2～图4。

图2　北部煤层采空区时间剖面

图3　南部煤层采空区时间剖面

图4　煤层剥离图

5　结语

采空区的存在直接威胁着煤矿的安全及生产。利用三维地震勘探的方法，对煤层采空区三维数据体、地震属性切片及反射波动力学特征关系综合解释，在理论技术上是可行的。本文通过实例说明在施工参数合理、施工严谨、资料处理精细、资料解释方法手段多样化、方法得当等条件下，采用三维地震勘探方法探测采空区，可以取得较好的效果，具有一定的理论价值，为煤矿在探明采空区的勘探工作中提供了可靠的地质资料。

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1004-5716（2016）05-0100-03

2015-04-21

2015-05-13

李建武（1970-），男（汉族），宁夏海原人，高级工程师，现从事煤矿生产技术工作。