二维地震勘探技术在煤矿采空区探测中的应用

1 概述
　　经过百年的开采，老虎台矿面临煤炭资源枯竭问题。在煤层开采后，地下会留下采空区，采空区的垮塌会造成地面下沉、裂缝，毁坏耕地、建筑物等设施，破坏生態环境。地下采空区是工程建设的一大隐患，对其进行高效、准确探测是很重要的。采空区会直接影响煤矿的安全生产，及早发现采空区的分布范围，采取相应的应对措施，就能保证煤炭安全生产[1-2]。
　　2 地质概况及地震地质条件
　　老虎台井田地层自下而上分为：太古界鞍山群，中生界下白垩系，新生界下第三系，抚顺群和第四系[3]，老虎台井田共有两层煤，即一层煤（也叫本层煤），三层煤（也叫B层煤）二层煤（A层煤）缺失。一层煤为开采的主要煤层，三层煤曾在-159m、-225m、-280m和-330m等水平进行试采，但由于岩浆侵入的严重破坏，煤层常被玄武岩吞食或相变为页岩。
　　勘探区内地势起伏不大，北部地面建筑物密集，有矿区铁路通过，靠近勘探区北部边界，有一条主干公路通过，南部地表大面积覆盖着厚度不均的回填土方，南部局部地段因地下煤层开采导致地面塌陷、地面沉陷和地裂缝，甚至有积水区，西部、南部有矸石山。勘探区内机电活动和人为活动，会给数据采集造成影响。测区内建筑物、铁路、回填土方和积水区等，会对采集工作有一定影响。
　　浅层主要为冲积层，上部为砂质粘土，细至粗砂，底部为卵石，层厚4～24.3m，平均14.15m，冲积层砂及砾石存在强含水层，含水层对地震波的激发非常有利，但底部为卵石，难以成孔。勘探区南部覆盖大范围回填土方，会对地震波的高频信息产生一定的吸收衰减作用。综合来看，浅层地震地质条件一般。
　　勘探区内仅赋存一层煤层，即本层煤，厚度较厚，比较稳定，煤层的顶板岩性为油母页岩，巨厚、致密、坚硬，与煤层本身存在较大的物性差异，因此本层煤与其顶板可以形成良好的反射界面，可以形成能量较强的反射波;煤层的底板岩性为凝灰岩，与煤层本身存在较大的物性差异，但由于是侵入岩，界面凹凸不平，因此本层煤与其底板的反射界面，形成的反射波能量较弱，由于采空区影响，反射波连续性较差。综上所示，测区内深层地震地质条件较好，浅层地震地质条件一般，而表层的人类文明活动，必然会给数据采集带来影响。
　　3 数据采集
　　本次工程施工采用地震纵波反射波法，单边下倾方向激发。根据试验结论及本区的地质情况，确定本次二维地震勘测野外数据采集采用如下施工因素：
　　3.1 激发因素
　　震动台次5次，扫描频率为10-100Hz，扫描长度6s，驱动电平70-80%。
　　3.2 观测系统
　　采用单边下倾激发，96道接收，采用10m道距，20m炮点距，叠加次数24次。
　　3.3 接收参数
　　采用60Hz检波器，采样间隔为1ms，记录长度2s，前放增益0dbm，全频带接收，记录格式为SEG-Y。
　　4 资料处理
　　资料处理是地震勘探工作的三大主要环节之一，处理结果是解释工作的基础资料。根据本次地震勘探所承担的地质任务，考虑本区复杂的表、浅层地震地质条件，本区资料处理应以高精度、高分辨率、高信噪比为目标。考虑到本区地表复杂，低速带厚度变化大等实际情况，本次资料处理要重点做好以下几方面工作：
　　（1）速度分析：动校速度准确是保证叠加效果的关键。为此处理中采用扫描速度多次迭代计算动校正量。 　　（2）频谱分析：谱分析是选择滤波参数的依据，根据处理需要，分析了频谱，原始记录，叠前、叠后三种频谱。
　　（3）静校正：由于表层速度变化较大，且厚度不均，所以，一次静校正的精度对资料的质量优劣影响较大。因此要做好静校正工作。本区静校正基准面为+90m。
　　（4）高分辨率处理：反褶积是提高分辨率的重要环节，采用何种反褶积方法，要根据资料的特点做充分的试处理，最后确定最佳的反褶積方法和参数。采用谱白化反褶积，能较好地提高分辨率，基本消除原始记录的频率差别，也大大削弱了线性干扰。
　　（5）保幅处理：除常规的振幅恢复处理以外，还应进行道平衡及道间均衡处理，另外Q补偿（Q是大地滤波因子）应尽可能考虑消除因浅表层厚度不均等对地震波衰减的影响，从而使处理剖面较真实地反映煤层信息。
　　5 采空区解释
　　由于勘查区为大范围采空区，并且大部分是在公路上施工，因此，所获得的时间剖面信噪比较低。
　　DZ2线：剖面长1055m，地质资料显示，该线位于未开采区域。地震资料显示，在600ms附近有一强反射，结合地质资料确定该组反射波为煤层反射波。南部反射波同相轴连续性较好;往北反射波同相轴连续性较差，信噪比低，但上部地层反射波完整，未变形。综合分析该线一层煤未开采。该线北部反射波连续性差、信噪比低的原因：有可能受F1逆断层影响。（见图1）。
　　DZ3线：剖面长865m，地质资料显示，该线0-75m为采空区，75-865m位于未开采区域。地震资料显示，0-190m煤层反射波能量弱，同相轴连续性差，信噪比较低，且上部地层反射波不完整，时间剖面上形成“漏斗”状，岩移界面明显，岩移角大约75°左右为采空区;190-475m煤层反射波能量强，反射波同相轴连续性较好，信噪比高，为一层煤未开采区，475m-865m煤层反射波能量弱，同相轴连续性差，信噪比较低，但上部地层反射波较完整，未变形。综合分析该线0-190m为一层煤采空区;190m-865m一层煤未开采。该线北部反射波连续性差、信噪比低的原因：有可能受F1逆断层影响（见图2）。
　　 DZ4线：剖面长752.5m，地质资料显示，该线0-413m为采空区，413-752.5m位于未开采区域。地震资料显示，该线煤层反射波能量弱，同相轴连续性差，信噪比较低，且上部地层反射波不完整，时间剖面上上部地层有“塌陷”现象，岩移界面明显，岩移角大约在65°-75°之间，根据对比结果分析，0-450m为一层煤采空区;450-752.5m煤层反射波能量较弱，同相轴连续性一般，信噪比较低，但上部地层反射波较完整，未变形。综合分析该线0-450m为一层煤采空区;450m-752.5m一层煤未开采。该线北部反射波连续性差、信噪比低的原因：有可能受多条断层发育影响（见图3）。
　　DZ5线：剖面长950m，地质资料显示，该线0-140m为采空区，140-950m位于未开采区域。地震资料显示，0-145m煤层反射波能量弱，同相轴连续性差，信噪比较低，且上部地层反射波不完整，为一层煤采空区;145-950m煤层反射波能量一般，同相轴连续性一般，信噪比较低，上部地层反射波较完整，未变形。综合分析该线0-145m为一层煤采空区;145m-950m一层煤未开采。该线北部反射波连续性差、信噪比低的原因：有可能受F1断层影响（见图4）。
　　DZ7线：剖面长340m，地质资料显示，该线为一层煤采空区。地震资料显示，该线煤层反射波能量弱，反射波同相轴连续性差，信噪比较低，为一层煤采空区，且F18逆断层从一层煤上部切过（见图5）。
　　DZ9线：剖面长1040m，地质资料显示，该线0-645m为一层煤采空区，645-1040m位于未开采区域。地震资料显示，该线一层煤反射波同相轴连续性差，信噪比较低，且上部地层反射波较完整，F18逆断层从一层煤上部切过。综合分析该线为一层煤采空区。该线北部反射波连续性差、信噪比低有可能受F18逆断层影响（见图6）。
　　5 结论
　　从解释结果分析，勘探区适合纵波地震勘查，由于受地表条件限制，选择可控震源激发效果更佳。数据采集方法正确，施工因素合理，采集数据真实可靠。资料处理流程合理，参数选择合适，时间剖面有效波突出、信噪比较高（未开采区）。
　　基本查明了勘查区内有煤区、采空区及煤层缺失区的分布范围，查明了老虎台矿采空区北部边界，为煤矿安全开车提供了可靠的地质依据。