平朔东露天矿采空区三维地震探测可行性研究

李静涛，胡国新，李卫红

（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036000）

平朔东露天矿由于历史原因，矿区内废弃生产矿井和小窑较多，开采方式多样，且开采资料不全，确切的采空位置、大小等不清，给露天矿采空区探测、治理工作带来很大的困难，如何实现采空区的超前精细探测，是保障东露天矿采空区（空洞）治理以及表层剥离和采煤作业安全、高效推进面临的首要地质问题[1]。

矿区内地球物理工作条件存在问题为：①地表由松散黄土层覆盖，主采煤层埋藏深度较小；②有地面大型运输车辆、采场振动、电磁干扰等不良条件。因此，针对该采剥区特殊情况开展“轻型可控震源和大功率电火花震源混合激发”及“无线节点式与分布式地震仪同步采集”的“两宽一高（宽频、宽方位、高密度）”三维反射地震采集技术研究，开展井控地震数据高分辨关键处理技术及基于属性体的解释技术研究，形成“绿色激发”条件下厚黄土浅埋深采空区的三维地震精细探测方法[2]，提高利用地震纵波信息识别采空区的精度与准确率，提高地质构造及采空区探测的尺度与精度，形成适用于平朔露天开采特殊施工地质情况下的采空区探测技术体系[3]。

1 地震地质条件

1）浅表层地震地质条件。全区地表均已开始进行剥离，其中大部分为黄土剥离区，残存黄土厚度在0～30 m 不等，地震波激发条件较差；采剥区东南部为基岩剥离区，激发条件相对较好，但该区为露天基岩爆破剥离区，矿方生产施工作业繁忙。采剥区内煤矿重型作业车辆多，交通繁忙，对地震施工干扰影响严重，存在较大安全风险。综上，本区浅表层地震地质条件为复杂区[4]。

2）中深层地震地质条件。根据已知钻井资料分析，采剥区中深层地震地质条件的特点是：煤层厚度大，埋深浅。其中，采剥区内4 号煤层底板埋深30～190 m；9 号煤层75～230 m。9 号煤与4 号煤层间距比较稳定，间距在50m 左右。结合以往邻区的地震资料，由于煤层和上覆岩层在密度和速度等物性参数上差异较大，两者的接触界面为一强波阻抗界面。因此4 号煤层能形成能量较强的T4 反射波，9 号煤层所形成的T9 煤层反射波因为受到上覆4 号煤层对地震波的吸收、衰减、屏蔽作用影响，同相轴能量较弱，频率较低[5]。

3）在上覆地层中，不整合界面、厚度较大的砂岩也能产生有一定强度的反射波，如新生界底界不整合接触界面、K3 砂岩等，这些反射波都有一个共同的特点，即反射强度及连续性变化频繁，极不稳定，可能与其沉积相变有关。这些反射波组为本区构造解释可提供辅助作用[6]。

2 试验方案及有效性分析

2.1 试验位置和试验内容

根据区内表层岩土剥离情况，黄土残存厚度不一，结合已知资料掌握的采空区分布情况，在区内分别布设了2 个点试验（S1、S2）和2 个线试验工作（L1、L2）。

点试验：S1 点试验进行了可控震源和400 kg 重锤夯击震源等2 种震源的激发参数试验，主要进行了震动台次、扫描长度、扫描频率、驱动振幅、重锤高度、垂叠次数等激发参数的试验对比。S2 点试验进行了可控震源、400 kg 重锤夯击震源、电火花震源、300 kg 横波重锤震源等4 种震源的激发参数试验。

线试验：在采剥区内布设2 条线试验L1 和L2，均跨越采空区，分别采用反射纵波、反射横波及折射波等不同勘探技术进行方法可行性对比分析。两线均进行了可控震源激发下的纵波、SH 横波、SV 横波等3 种激发方式的线试验[7]，均采用相同的观测系统。

2.2 震源有效性点试验成果认识

1）S1 点可控震源纵波资料分析。利用可控震源[8]，在“驱动幅度75%，扫描频率12～160 Hz，扫描长度10 s”等固定参数前提下，进行了“1 次、2 次、3次、5 次”的震动台次试验，S1 纵波震动台次试验定量分析如图1，S1 静校正后震动台次试验单炮记录分频扫描如图2。

图1 S1 纵波震动台次试验定量分析

图2 S1 静校正后震动台次试验单炮记录分频扫描

2）S1 点夯击震源资料分析。用400 kg 夯击震源进行纵波激发，在固定重锤高度2 m 的前提下，进行了“1 次、2 次、3 次、4 次、5 次、6 次”的垂叠次数试验，垂叠次数越多，资料信噪比越高，对随机干扰的压制作用越强，4～6 次垂叠次数单炮资料较好。但整体信噪比低。综合考虑，建议选择垂叠次数5 次。

3）S2 点电火花震源资料分析。通过对不同激发参数的单炮资料进行对比分析得出，电火花震源激发能量较差，难以获得目的层的有效反射波。综合认为，针对本工区，电火花震源基本不可用。

4）S2 点横波重锤震源资料分析。通过对比分析得出，300 kg 横波重锤震源激发能量较差，难以获得目的层的有效反射波。综合认为，针对本工区，300 kg 横波重锤震源基本不可用。

通过对4 种非炸药震源的不同激发参数进行系统性的震源有效性试验对比工作，最终采用可控震源或400 kg（或更大质量）以上夯击震源激发进行纵波、SH 横波、SV 横波的反射法勘探，震源及激发参数有效性对比见表1。

2.3 方法有效性线试验成果认识

1）L1 线反射纵波资料分析。通过对反射纵波静校正后单炮和处理剖面进行资料品质分析：地震剖面上4 煤采空区表现为同相轴缺失、杂乱反射。位置与地质剖面基本一致；不同浅表层岩性出露地段均获得有效反射波，强干扰地段受外包机械作业限制，干扰严重，资料品质有所下降。剖面主频30～55 Hz，频带宽度10～100 Hz，分辨能力7.6～14 m（纵波速度2 400 m/s），L1 线纵波线试验地震剖面如图3。

表1 震源及激发参数有效性对比

图3 L1 线纵波线试验地震剖面

2）L2 线反射纵波资料分析。不同浅表层岩性出露地段均获得有效反射波；4 煤采空区位置与地质剖面基本一致；地震剖面主频35～55 Hz，频带宽度10～90 Hz，分辨能力7.6～12 m 左右，L2 线纵波线试验地震剖面如图4。

图4 L2 线纵波线试验地震剖面

通过后期地震剖面和地质剖面对比得出：反射纵波能够获得新生系底界不整合面、4 煤、9 煤等多组有效反射波；在不考虑强干扰影响的情况下，面元大小5 m，覆盖次数大于36 次的地震剖面段资料信噪比高，品质较好，分辨率高，能够真实反映地层结构、采空等地质异常。

3 结语

平朔东露天矿复杂地形条件下三维地震可行性研究实验，通过不同震源、参数的选取，最终取得了较好的试验成果，为平朔公司选择有效的采空勘查方法提供依据：

1）通过对可控震源、400 kg 夯击震源、电火花震源、横波重锤震源等4 种非炸药震源进行系统性的震源有效性试验对比工作，最终选取了可控震源（7 t）纵波激发，80%驱动振幅、扫描长度12 s、扫描频率12～160 Hz，5 次垂叠效果较好。

2）采用可控震源激发、面元5 m、36 次覆盖观测、单点60 Hz 检波器接收，获得的目的层段反射P 波主频可达50～60 Hz，分辨能力可达到7.6～14 m。达到了查明长轴大于等于15 m，平面摆动误差不大于30 m 的采空区平面分布位置的目的任务。