基于微震定位技术的采空区勘探方法研究

刘 平

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000)

0 前 言

采空区的存在严重影响了矿井的正常生产和地面施工。目前探测采空区采用的方法主要有可控源音频大地电磁测探法、探地雷达和地震法。

国内外学者对采空区勘探进行了大量的研究，宗志刚[1]对地震勘探方法在探测矿井采空区中的应用进行了研究，以矿井采空区的物性为基础，采用三维反射波地震方法，研究了探测采空区的可行性。然后分析了采空区的反射波特征，探讨了在地震数据采集工作中，采空区分辨率的影响因素；张飞等[2]采用IMS微震监测系统，研究了微震事件定位精度，对微震事件进行了实时监测，保证了矿山的安全开采。

由于地下矿体的开采，使得在地底形成空间区域，原有应力的平衡状态遭到破坏，在经历一段时间新的平衡，岩体发生移动，地应力重新得到调整。在整个过程中，上覆岩层产生的变形、错动，根据性质的不同，划分为冒落带、裂隙带、弯曲带，采空区塌陷垂直“三带”示意[3-5]如图1所示。

1 采空区地震勘探地球物理特征

矿层可以形成清晰、连续的反射波，是一层良好的反射界面，与围岩相比，具有速度和密度低、明显的波阻抗差异，是一种稳定和连续的沉积层。矿层和上覆岩层的地球物理特性发生了变化，主要体现为：①采空区形成的空洞、破碎、裂隙，致使地震波在传播到采空区时产生散射或反射等现象；②塌陷区地层使得地质变得疏松、密度降低，导致地震波传播速度、频率、振幅发生变化。采空区单炮记录[6-8]如图2所示。

图1 采空区塌陷垂直“三带”示意

从图2中可知：87～99道平均速度相对较小，当地震波穿过采空区时，其频率、能量和平均速度均发生明显的变化。

2 微地震事件定位方法

微地震事件是在微震信号旅行时，对震源的发震时刻和空间时刻进行反演，其实质是地球物理的反演问题。目前微震震源定位定源算法较多，本文主要介绍了Geiger定位的经典算法。为了建立地质模型，验证Geiger定位方法的有效性，模型尺寸为500 m×500 m，模型为水平层状介质浅层采空区模型，共有3层，其中采空区为第1层，速度模型和层位模型[9-10]如图3所示。

图2 采空区单炮记录

图3 平层状介质浅层采空区层位和速度模型

层状模型速度参数见表1。

表1 层状模型速度参数

微地震模拟记录到时拾取波形图和到时时间曲线，如图4所示。

图4 微地震模拟记录到时拾取及到时时间曲线

水平层状模型检波点坐标及到时时间见表2。

表2 水平层状模型检波点坐标及到时时间

根据表1和表2可知，设置迭代初始震源位置为(0，0)，采用Geiger法，对过程进行33次迭代，收敛最终位置设置为(150.256，60.564)。

Geiger法定位结果[11-15]如图5所示，初始位置设置为(0，0)，该位置位于真实震源(150，60)左下方，垂直距离相距60 m，水平距离相距150 m。

由图5可知：Geiger法具有效率高、速度快等特点，在简单模型事件定位中具有有效的作用。

3 实际地震资料处理

该次观测系统设计点距为20 m×20 m，线数设置为31条，其中每条测线为160道，实际观测系统平面如图6所示。

结合井地反演结果，以勘探区域中散射波双曲线连续性相对理想的测线为反演对象，初步推测4个区域为采空区，其中位置分布如图7所示。

由图7可知：结合K11孔井地CT初至层析反演结果，图8中深色区域为层析反演出的低速异常区，然后确定散射波反演位置设置钻孔进行验证。打钻结果得出，钻机大约在50 m位置处，开始掉钻，掉钻深度为10 m，然后在层析反演低速异常中心点位置进行打钻进行验证，掉钻20 m，最终确定该位置为采空区。

图5 Geiger法定位结果

图6 实际观测系统平面

图7 采空区定位结果

4 结 论

1)当地震波穿过采空区时，其频率、能量和平均速度均发生明显的变化；Geiger法具有效率高、速度快等特点，在简单模型事件定位中具有有效的作用。

2)当进行实际地震监测时，为了降低噪音干扰和保护有效信号，当进行系统设计时，应对该区域进行全面的了解，结合井地反演结果，以勘探区域中散射波双曲线连续性相对理想的测线为反演对象，初步怀疑4个区域为采空区，结合打钻验证，最终确定该位置为采空区。