采空区及其下部煤层的地震响应特征

曹秀森

（河北省煤田地质局 环境地质调查院，河北 石家庄 050091）

0 引 言

一段时期以来很多煤矿在进行上部煤层的采掘前，并未有效掌握下部煤层的赋存及构造发育情况。随着上部煤层开采结束，如何有效掌握下部煤层情况，从而使地下煤炭资源得到充分利用，保持矿井的安全及可持续发展，显得尤为重要。

煤矿对采空区的处理方法主要有全部垮落法、充填法、煤柱支撑法等。因全部垮落法简单可靠、费用少，绝大多数煤矿在条件允许时，基本都会采用全部垮落法。采用全部垮落法的采空区大致会经历3个阶段：刚采空时的空腔期、上部地层逐渐塌陷充填采空区的塌陷期、塌陷稳定后的稳定期。

采空区的探测一直是煤炭勘探行业上的一大难题。根据采空区与正常地层的电性变化、放射性及弹性阻抗差异等，其主要勘探方法有瞬变电磁法、高密度电阻率法、氡气测量法和三维地震勘探方法。目前三维地震勘探方法的应用最为广泛。

但因采空区的埋深、形态特征、填充物等方面变化较大，在对其及下部煤层的地震数据采集、处理及解释上都受到了严重影响。

本文使用全波场地震模拟软件建立了3种不同填充条件下的上部煤层采空区模型，对应模拟采空区形成后的空腔期、塌陷期、稳定期。之后对模型模拟放炮得到的单炮记录进行切除、速度分析、动校正、叠加和偏移处理，得到最终的时间剖面。通过不同时间剖面上的特征分析，总结出了在采空区不同阶段下组煤的勘探效果，指导了实际的生产工作。

1 正演模拟的原理

地震的正演模拟是指已知地下构造的界面形状、岩石的密度和地震波的传播速度等参数，应用地震波的运动学和动力学的基本原理，求取地震记录，根据其结果为生产实践提供依据。地震正演模拟技术在地震数据采集及地震资料解释等实际生产和方法研究中都发挥了很大的作用。

本文采用的全波场地震模拟软件是一种基于有限差分法的软件，提供了垂直波传播、标量介质模拟、声波介质模拟、弹性介质模拟和弹性各项异性介质模拟5种波动方程有限差分数值解的算法。相较于射线追踪单纯模拟地震波运动学特征的算法，波动方程能够同时模拟地震波场的运动学和动力学特征。因此波动方程能够模拟得到更接近真实情况的波场特征，适用于任意复杂构造的地质模型。

2 正演模型的建立

此次正演模拟共建立了5个地质模型，包括1个赋存上下2个煤层的基础模型，和4个不同充填条件下的上部煤层采空区模型。主要目的是模拟在煤层采掘形成采空区后，随着年限的增加煤层采空造成的空洞逐渐被水或上覆岩层充填、压实的一个过程。

2.1 煤层未采的基础模型

基础模型在水平方向上从0延伸到1 000 m，垂直方向从0向下到1 000 m。模型上设置了上下2个煤层，煤层以外为砂岩所填充，具体详见表1和图1。

表1 煤层未采基础模型参数Table 1 Basic model parameters of unmined coal seam

图1 煤层未采的基础模型Fig.1 Basic model of unmined coal seam

2.2 上部煤层的采空模型

设置的采空区位于煤层1上，水平距离在500～600 m，垂直距离在400～404 m。根据不同的充填物参数共设置了4个采空模型（Modle-Ⅰ、Modle-Ⅱ、Modle-Ⅲ、Modle-Ⅳ），详见表2和图2。

图2 煤层1采空模型Fig.2 The mined out model of No.1 coal seam

表2 煤层1采空模型参数Table 2 The mined out model parameters of No.1 coal seam

2.3 观测系统的参数选取

此次正演模拟选取的观测系统为235-5-10-5-235，具体详见表3。模型上共设置了54炮，第一炮在（235，0）位置处。

表3 观测系统参数Table 3 The observation system parameter

2.4 模型正演的地震时间剖面特征分析

将正演模拟得到的单炮记录通过初至切除、速度分析、动校正、叠加和偏移，得到各模型对应的叠加和偏移剖面。

2.4.1 煤层未采的基础模型地震剖面特征

煤层未采模型正演地震剖面如图3所示。

图3 煤层未采模型正演地震剖面Fig.3 The forward seismic profile of coal seam unmined model

从图3中可以看出，因煤层本身与围岩存在着明显的波阻抗差异，时间剖面上两层煤形成的反射波组波形稳定、能量强、连续性好。因基础模型上煤层及围岩的层位都为水平、速度稳定，没有突变点，所以经偏移处理后的剖面与叠加剖面没有明显变化。

2.4.2 Modle-Ⅰ地震时间剖面特征

Modle-Ⅰ正演地震剖面如图4所示。Modle-Ⅰ上采空区的纵波速度为340 m/s，密度为1.29 kg/m3，模拟的是采空区刚刚形成时的一个纯空腔的状态。从正演得到的时间剖面上可以看出，因刚形成的采空区与围岩波阻抗差异很大，在采空区上界面形成了一个强反射层，对应反射波振幅增强，频率降低。叠加时间剖面上绕射波发育，下部煤层在采空区的强屏蔽作用下，形成的反射波能量弱，且有明显的因延时造成的下弯现象。偏移处理后的剖面上绕射波得到了很好的收敛，采空区上的强振幅反映更加明显，采空区与下部煤层2间发育多次波。

图4 Modl e-Ⅰ正演地震剖面Fig.4 The forward seismic profile of Modle-Ⅰ

2.4.3 Modle-Ⅱ地震时间剖面特征

Modle-Ⅱ正演地震剖面如图5所示。Modle-Ⅱ上采空区的纵波速度为1 000 m/s，密度为1 565 kg/m3。从正演得到的叠加时间剖面上来看，水平距离500～600 m的采空区位置上，反射波振幅增强，频率降低，绕射波发育，下部煤层反射波振幅变弱，并有下弯现象。但其影响程度相较于采空模型Ⅰ有了明显的减弱。偏移处理后的剖面上绕射波得到了很好的收敛，采空区下的煤层形成了连续的反射波，但其振幅较弱。

图5 Modl e-Ⅱ正演地震剖面Fig.5 The forward seismic profile of Modle-Ⅱ

2.4.4 Modle-Ⅲ地震时间剖面特征

Modle-Ⅲ正演地震剖面如图6所示。Modle-Ⅲ上采空区的纵波速度为1 500 m/s，密度为1 970 kg/m3。从正演得到的叠加时间剖面上来看，水平距离500～600 m的采空区位置上，反射波振幅有一定增强，频率略低，绕射波发育，对应下部煤层反射波振幅变弱，并有下弯现象，但其特征已不明显。偏移处理后的剖面上绕射波得到了收敛，采空区下的煤层形成了连续的反射波，其振幅稍弱。

图6 Modl e-Ⅲ正演地震剖面Fig.6 The forward seismic profile of Modle-Ⅲ

2.4.5 Modle-Ⅳ地震时间剖面特征

Modle-Ⅳ正演地震剖面如图7所示。Modle-Ⅳ上的纵波速度为2 000 m/s，密度为2 010 kg/m3。模拟的是煤层采空区在经过长期的塌陷、充填、压实稳定后的一个状态。从正演得到的叠加时间剖面上来看，下部煤层形成了稳定连续、振幅基本一致的反射波。采空区位置的反射波除了振幅稍弱外，相比于正常煤层没有明显的区别。偏移处理后的剖面上绕射波得到了很好的收敛，采空区位置的反射波振幅稍弱，下部煤层反射波清晰、稳定、能量强。

图7 采空模型Ⅳ正演地震剖面Fig.7 The forward seismic profile of mined out modelⅣ

3 实例分析

东庞矿隶属于冀中能源股份有限公司，是我国目前井工矿开采生产规模较大的现代化矿井之一。煤系地层地层为石炭、二叠系。主要可采煤层为2煤和9煤。2煤从20世纪80年代开采，一直延续至近年，时间跨度达30余年，基本已开采殆尽。2煤的采掘方法为单一走向长壁采煤法，采空区的处理为全部垮落。为了掌握下部9煤的赋存及构造发育情况，以便进行采掘，在东庞矿南翼中部地区开展了三维地震勘探工作。

图8为一工区内的一条时间剖面，剖面分别通过了2004年采空区（2煤）、2014年采空区（2煤）、正常2煤区。

图8 东庞时间剖面Fig.8 The time profile of Dongpang Mine

从图8中可以看出，因煤层与围岩存在明显的波阻抗差异，正常2煤处及其下部的9煤均形成了波形连续、稳定、振幅强的反射波；2004年的2煤采空区位置在经历了14 a的塌陷、填充稳定后，重新形成了较连续、稳定的反射波，只是振幅相对正常煤层位置要弱，其下部的9煤反射波能量强、波形稳定，基本未受到采空区的影响；而2014年的2煤采空区因形成时间较短（4 a），尚处于采空区塌陷期，未形成稳定的反射波，下部的9煤层受其影响严重，同样未获得有效的反射波。

4 结 论

（1）通过此次不同填充情况的采空区正演模拟来看，刚形成的采空区对下部煤层的影响最为严重，空腔与围岩形成的强反射面基本屏蔽了地震波的上、下行通道。

（2）随着年限的增加，采空区逐渐接受上部地层塌陷、填充后，对下部煤层的屏蔽作用会随之减弱，直至其稳定后，下部煤层便重新形成了连续、稳定的反射波。

（3）结合东庞矿勘探实例，采掘时间距今越久的工作面，对下组煤层的影响越小；在条件允许的情况下，应在采空区的塌陷稳定后再实施下部煤层的地震勘探。

（4）此次正演模拟只考虑了采空区在3个不同塌陷阶段的变化，但实际上包括开采方式、开采深度、下部煤层与采空区的间隔、具体的地震地质条件等都会对下组煤的勘探效果产生比较大的影响。实际的地震勘探中还需综合考虑多种影响因素，以获得最佳的勘探效果。