煤田采空区RVSP地震响应特征及其判识研究＊

刘正银张明晶王扬州邢涛潘冬明胡明顺



煤田采空区RVSP地震响应特征及其判识研究＊

刘正银1，张明晶1，王扬州2，3，邢涛2，3，潘冬明4，胡明顺4

（1.山东省交通规划设计院，山东 济南 250031；2.兖矿东华建设有限公司物探所，山东 济宁 273500； 3.北京探创资源科技有限公司，北京 100071；4.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）

地下隐性采空区由于资料缺失、私挖乱采等，无法确定其位置和边界，给公路工程建设带来了极大的安全隐患。地球物理勘探技术在采空区探测中具有重要的作用，但各种方法均存在一定的局限性。通过建立煤田采空区模型，采用有限差分数值模拟方法，在RVSP观测方式下，研究了采空区的地震响应特征，分析总结了采空区在RVSP成像剖面上的对应波场特征，为实际RVSP探测中的采空区准确判识提供了依据。

煤田采空区；RVSP勘探；数值模拟；地震响应

1 引言

煤矿采空区分布往往是孤立、不连续、无规律可寻的，长期以来严重威胁着煤矿的安全生产，由于其形成年代、埋藏深度、空间结构、围岩条件、冒落、充填和积水情况都存在较大差异，因此不同采空区的物性差异也较大，给探测工作带来困难[1]。地下隐性采空区由于资料缺失、私挖乱采等，无法确定其位置和边界，给公路工程建设带来了极大的安全隐患。而物探手段在采空区探测中越来越具有举足轻重的作用，目前国内外对于采空区的探测技术手段较多，各探测手段具有一定的效果，但也存在局限性，例如地质雷达探测分辨能力强但深度有限且易受金属物干扰；直流电法受接地条件和地形起伏影响较大；地面瞬变电磁法受地形及高压电线影响严重，纵向分辨率较低；常规地震反射法探测采空区是基于连续均匀的、光滑的反射界面，而在采空区域，受采掘活动影响，反射界面受到破坏，采空区的大小、范围不能得到直观的体现[2-3]。

垂直地震剖面（Verticle seismic profile，VSP）是一种震探的观测方法，逆向垂直地震剖面法（Reverse verticle seismic profile，RVSP）是对VSP方法的改进。相比VSP方法，RVSP采用井中激发地面接收的观测方式，体现出来的优势包括：①数据采集接收系统要求低；②大面积高密度采集更容易实现；③有利于采用规则化观测系统；④能量一致性更好；⑤地震数据频带更宽主频更高；⑥数据采集成本更低；⑦规避了面波的产生。因此，对于上述煤炭资源开发过程中的勘探的高效低成本要求，RVSP观测方式更具有优势。

近年来，RVSP观测方法得到快速应用。美国煤矿安全与健康部与Zapata Engineering公司合作开展了煤矿采空区RVSP地震探测试验研究（2006）。Hoekstra（2006）综合运用RVSP和钻孔声纳成像对煤矿采矿区进行有效探测。Yin etal（2014）采用多孔联合的三维RVSP观测方式，采用初至走时层析技术调查了煤矿采矿区，取得了较好的效果[4-5]。

本文将通过数值模拟的方法，研究了采空区的RVSP反射地震响应特征，用于在地震数据中识别采空区，从而提高基于RVSP资料的采空区探测精度，为采空区综合治理提供可靠依据。利用研究结论，在实际应用中取得了较好的效果。

2 RVSP反射地震探测原理

采空区二维RVSP观测系统如图1所示，在井中激发地震波，地面布置检波点测线，接收地下反射回地面的地震波信息。与地面地震类似，可以通过对接收到的反射波进行分析处理，从而获得反映地下地质结构的信息。但是，由于RVSP观测系统的特殊性，其数据处理方法与地面地震数据处理有所不同，而采用叠前深度偏移方法，能够准确获得反映地下地质信息的地震剖面。

图1 采空区RVSP反射地震探测原理

3 采空区RVSP地震响应特征数值模拟

为提高采空区探测精度，建立了如图2所示的采空区RVSP数值模型。煤层埋深为500 m，模型中包含两处采空区，分别位于钻孔的两侧，模型中的地层参数如图2所示。地面100个检波器接收，道距10 m，钻孔中震源炮数为10炮，炮距为10 m。图3所示为震源深度60 m的波场快照（240 ms）。从波场快照中可以看出，当地震波遇到采空区后，由于采空区顶部冒落带影响，地震反射波散射严重，未形成能量较强的连续同相轴，这与煤层连续的地方形成的反射波不同。

图2 采空区RVSP数值模型

图3 采空区RVSP地震波传播快照（240 ms）

根据图2所示模型，利用有限差分数值模拟，对所得的模拟RVSP地震数据，采用叠前深度偏移的成像方法进行成像处理，处理结果如图4所示。图4中清晰地刻画出了采空区的空间位置。由于采空区所在位置反射波能量弱，因此在成像剖面中，采空区的出现使得煤层的反射波连续性发生中断。据此特征，可作为识别采空区的主要依据。此外，采空区所在之处，在煤层底板深的位置出现强能量反射同相轴，这是由于模型中的采空区底部是连续的，未考虑填充物的散色作用。实际采空区因内部充填不均，其底部同样具有较强的散射现象，而无法形成连续的强能量反射同相轴。图5所示为采空区RVSP探测的一个实际例子，采空区位于虚线指定处，可见在采空区分布的地区，无连续的煤层反射波，且该区域波场复杂，属于典型的具有不均匀充填、且冒落带发育突出的采空区特征。

4 结论

本文通过数值模拟的方法，研究了采空区的RVSP反射地震响应特征。研究结果表明：①利用RVSP观测系统，可以有效获得地下介质的反射波信息，通过对RVSP数据的成像处理，在成像剖面中，采空区所在区域表现出无连续的反射波同相轴；②实际资料显示采空区分布区域具有与模拟结果相同的特征，据此可用于有效判识采空区的分布特征，从而提高基于RVSP资料的采空区探测精度，为采空区综合治理提供可靠依据。

图4 数值模型叠前深度偏移成像剖面

图5 采空区RVSP探测实例

［1］李娟娟，潘冬明，胡明顺，等.煤矿采空区探测的几种工程物探方法的应用［J］.工程地球物理学报，2009，6（6）：728-732.

［2］王立会，潘冬明，张兴岩.三种探测煤层采空区的方法［J］.物探与化探，2008，32（3）：291-294.

［3］张华，潘冬明.探地雷达在探测煤矿采空区的应用［J］.能源技术与管理，2006（4）：6-8.

［4］徐红利，潘冬明，李红立.浅层地震勘探技术在探测公路采空区中的应用［J］.能源技术与管理，2008（3）：76-78.

［5］尹奇峰，潘冬明，于景邨，等.基于三维RVSP多孔联合技术煤矿采空区的探测［J］.煤炭学报，2014，39（7）：1338-1344.

2095－6835（2019）07－0066－02

P631.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.066

山东省交通科技项目（编号：2016B32）

刘正银（1965—），男，研究员，主要从事工程地质勘查研究。

〔编辑：王霞〕