基于地震波法的底板破壞區(qū)域探測技術及應用
張偉光，楊長德，王 鵬
（新疆工程學院采礦工程系，新疆烏魯木齊830091）
摘要：針對煤礦煤層底板采空區(qū)域不明確的問題，為了確定采空區(qū)的精確范圍以及內(nèi)部狀態(tài)，采用物探的礦井反射地震波探測技術，首先利用地質(zhì)探測儀對地震波波形進行數(shù)據(jù)采集，并進行數(shù)據(jù)分析以及波形的反演計算，最終根據(jù)波形的形狀和頻率確定底板破壞情況；其次將底板破壞區(qū)域分為上位層破碎帶和下位層破碎帶；最后在現(xiàn)場采用底板鉆探的方法對地震波探測技術進行了驗證。結果表明反射地震波探測技術得到的結果接近于鉆探結果，采用反射地震波探測技術可以較精確判斷底板采空區(qū)破壞范圍。
關鍵詞：底板采空區(qū)；地震波探測；鉆探驗證
中圖分類號：X936 doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 06. 014
0 引 言
我國有一部分礦井是由小煤窯兼并重組整合而成的，原小煤窯開采前大多數(shù)沒有合理的規(guī)劃，整合前的小煤窯屬于不規(guī)則開采，給整合后的礦井集中開采帶來許多困難。例如新疆某煤炭企業(yè)是由8個礦井整合而成，現(xiàn)布置1101首采工作面開采，現(xiàn)有的鉆孔數(shù)據(jù)表明首采面下方存在l處采空區(qū)，而采空區(qū)的邊界范圍未知。由于下方采空區(qū)決定了上方對應區(qū)域煤層及其頂?shù)装宓慕Y構破壞情況，因此確定工作面下方的采空區(qū)范圍是十分必要的。
傳統(tǒng)的探測方法為鉆探法，費時費力；反射地震波法作為一種物探法，因其顯著的技術優(yōu)越性在行業(yè)內(nèi)外得到廣泛應用。單蕊、李元杰利用地震勘探法研究了圈定采空區(qū)范圍的途徑，取得一定的效果；許延春、謝小鋒等在相似模擬實驗中將超聲波檢測技術應用于底板巖層結構破壞分析上，探測回采前后物性變化，并結合巖體內(nèi)部波速與力學特征的關系，給出底板巖體破壞的判斷標準；劉懷山、劉向坤等針對海洋水體特性，采用高分辨率地震勘探等技術，對海洋水體特性進行了快速監(jiān)測調(diào)查，得到了鹽度、溫度、速度、密度等參數(shù)的標定；趙文曙、張平松、邵雁等圳采用礦井地震波法通過波形數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理和反演計算，解釋了掘進工作前方異常的范圍和位置特征；顯然，國內(nèi)專家學者利用反射地震波法在探測煤礦巷道掘進端頭前方的斷層、破碎帶、陷落柱、工作面的突水、煤與瓦斯突出、湖泊海洋中水體特性、探測隧道前方不良地質(zhì)體等方面做了大量的研究工作，取得了一些列可供借鑒的研究成果。
綜上所述，一方面反射地震波法在探測底板采空區(qū)方面的研究還不十分完善，應用實例相對較少；另一方面缺少將反射地震波法和鉆探法相結合的方法應用于煤礦采空區(qū)勘探的實例。故在前人研究的基礎之上提出基于反射地震波法和鉆探法相結合、彼此數(shù)據(jù)相互比對探測煤層底板破壞區(qū)域的綜合研究方法，對小煤窯整合開采后及時、準確明晰原有采空區(qū)位置具有重要的實踐意義。論文以新疆某重組煤礦為工程背景，采用反射地震波法確定老空區(qū)位置，并用鉆探法對數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場驗證，以印證反射地震波法在采空區(qū)探測方面的優(yōu)越性、可行性。
1 工程概況
新疆某煤炭企業(yè)位于烏蘇市境內(nèi)，由若干小煤礦兼并重組整合而成，井田內(nèi)老井有8個，整合后煤礦生產(chǎn)能力300萬噸／年。井田內(nèi)可采煤層為1#、2#煤層，l#煤層位于上部，簡單結構，煤層傾角30~ 100，在井田內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定且大部為可采煤層，頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖。2號煤層位于下部，上距1號煤層4. 55~19. 10 m，平均層間距10. 90m，頂板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，個別為粉砂巖、中砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖、細砂巖。
1101工作面是礦井整合后的首采面，設計走向長度780 m，傾向長度220 m。老井資料顯示，1101工作面初采范圍內(nèi)下部有2#煤層遺留采空區(qū)，原小煤窯開采2#煤層屬于不規(guī)則的房柱式開采，且煤柱留設尺寸較小，強度較低，推測已發(fā)生破壞；預計采空區(qū)與1101工作面平面位置關系如圖1所示。采空區(qū)邊界離1101工作面最小平距為140 m左右，僅從收集資料只能作為參考，不能顯示真實的采空區(qū)范圍及其內(nèi)部的狀態(tài)，然而采空區(qū)的尺寸、延展形態(tài)以及殘留煤柱的穩(wěn)定性對于上覆巖層的變形、垮落與破壞具有重要影響，最終決定了1101工作面頂?shù)装宓钠茐那闆r。
2 反射地震波法勘探技術
2.1 勘探原理
地震波法勘探技術的原理是利用地下工程介質(zhì)彈性和密度的差異，通過測試和分析地震波在地下傳播運動規(guī)律，來推斷巖層結構的形態(tài)與性質(zhì)。利用該原理對煤層底板下方采空區(qū)盼范圍進行探測，由于煤層在含煤地層沉積序列中相對于頂、底板巖性物性特征而言，呈現(xiàn)出低速度、低密度特點；同時大量的巖性樣本和實際資料測試表明：煤層反射波的反射系數(shù)在0.3~0.5之間，是一個非常明顯的波阻抗界面，對于厚度大于1 m、埋深在1 000 m以內(nèi)的煤層，都能夠形成可以檢測到的煤層反射波。但是當煤層采空及其頂板遭受破壞后，在地震時間剖面上表現(xiàn)反射波組的中斷或消失，同時煤層頂部結構的不規(guī)則破壞，也將產(chǎn)生各種低頻干擾。根據(jù)相關地震資料，煤層采空區(qū)識別標志總結如下：
1)煤層內(nèi)無采空區(qū)時，反射波波形特征明顯、能量突出、信噪比高，同相軸連續(xù)性好，可以作為標準反射波在全區(qū)進行追蹤。
2)煤層內(nèi)含有局部采空區(qū)時，煤層反射波能夠連續(xù)追蹤，而在采空區(qū)邊緣煤層反射波波形發(fā)生畸變，直至進人采空區(qū)后煤層反射波徹底消失。
3)對于大面積的采空區(qū)，煤層的標準反射波已經(jīng)消失，出現(xiàn)雜亂反射信號，僅能夠從地震時間剖面上隱約發(fā)現(xiàn)個別殘留煤柱和巷道反射的痕跡。
2.2測試過程
本文采用地震勘探法最常見的單點探測技術，工作原理如圖2所示，震源在S位置產(chǎn)生地震波，地震波在反射界面處發(fā)生反射，檢波器在R位置處接收反射波。要求檢波器和震源盡量靠近，但不要接觸震源，即反射波中偏移距x近似為0的垂直反射形式。
單點探測技術的現(xiàn)場測試過程為：先在煤層底板選取一錘擊點，然后再以錘擊點為中心，以0.1~0.3 m為半徑的圓上打入兩個對稱的鋼釬，鋼釬的尾部插上2個檢波器R1、R2。傳感器安裝完成以后，采用錘擊震源S對錘擊點進行敲擊，每次激發(fā)共有2道檢波器接收震波，為消除誤差，每個激發(fā)點重復激發(fā)2~3次。而當錘擊位置過度松軟時，需將表面松軟層清除掉，以免震波能量衰減程度過大。
3 測試結果及分析
3.1 測線的布置
為精確探測底板采空區(qū)范圍，保證1101工作面的安全高效的開采，將開切眼和皮帶順槽底板設定為主要探測區(qū)域，布置L1、L2、L3三條測線，如圖3所示。
L1測線長186 m，布置在運輸順槽中，每隔2m布置一個測點，共布置94個測點，編號依次為1 - 1#N1 - 94#；為精確探測初次來壓區(qū)域底板的破壞特征，在L1測線的基礎上加密布置測線L2，L2測線長28 m，并將測點間隔減少至1m，共布置29個測點，編號為2- 1#～2 - 29#；又開切眼部分區(qū)域存在長期積水侵泡的現(xiàn)象，為探測此部分底板穩(wěn)定性，增加開切眼為主要探測區(qū)域，開切眼上布置測線L3，L3測線長120 m，每間隔1m設一個測點，共設
121個測點，編號依次為3 -1#~3-121#。
3.2測試結果
采用KD21114 - 6A30礦井地質(zhì)探測儀和TZBS系列傳感器進行數(shù)據(jù)采集，測試過程中針對每個測點的位置、底板完整性、鋼釬穩(wěn)定性、底板回聲特征等情況進行詳細記錄。L1測線大部分探測數(shù)據(jù)波形清晰、特征明顯，為數(shù)據(jù)解釋提供了較好的基礎，但部分測點底板較
硬，如1 - 12#、1- 22#、1- 23#、1- 77#、1-78#等，鋼釬難以有效插入，導致接收到的反射波能量較小，主要表現(xiàn)為振幅低，有效波形短，煤層反射波相位難以分辨，該類區(qū)域的數(shù)據(jù)解釋可通過兩側測點數(shù)據(jù)進行推斷。L2測線中，2 -25#~2- 27#測點底板為泥漿，無法有效安
裝檢波器，該測區(qū)內(nèi)底板松軟，大多數(shù)地震波數(shù)據(jù)頻率較低，波尾延續(xù)較長。L3測線中3 - 21#和3- 22#測點鋼釬難以有效插入，導致接收到的反射波能量較小，其余區(qū)域震波能量較為均勻，同相軸清晰可變，異常波形明顯。
通過對測試得到的有效數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)：地震波形圖大致可以歸結為正常波形與異常波形兩大類，如圖4所示。
圖4中第一道為異常反射地震波，第二道為正常反射地震波，從波形圖中可以看出異常反射地震波主頻降低，且波形發(fā)生畸變、反射波組遲滯、波尾幅值降低并延長。這是由于異常區(qū)域地帶（包括頂板裂隙帶、巷幫破碎區(qū)及冒落巖塊等）分布不規(guī)則，其介質(zhì)與密度明顯區(qū)別于穩(wěn)定的2#煤層，地震波通過此區(qū)域時震頻和速度均降低。根據(jù)異常反射地震波特征將異常區(qū)域劃分為兩類，一類位于層間巖層上部，由開切眼掘進影響、切眼側向固定支承壓力作用、掘進機碾壓及淋水浸泡所形成，簡稱上位層間巖層破碎區(qū)；另一類位于層間巖層下部，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料內(nèi)關于房柱式采煤法煤柱留設尺寸的描述可知此類區(qū)域是由采空區(qū)上部的冒落帶及裂隙帶形成，簡稱下位層間巖層破碎區(qū)。
兩類區(qū)域部分測點波形對比，如圖5所示，圖5(a)為3 - 25#～3 -47#測點波形圖，圖5(b)為1-16#～1 -45#測點波形圖。對比兩類異常波形圖，可知其具有共同的特征，即波形畸變、波尾幅值降低并延長；但區(qū)別在于T2同相軸到達時刻不一致。下位層破碎帶地震波形的T2同相軸幾乎在同一時刻，這是由于下位層破碎帶主要緣于下部的采空區(qū)，其異常主要分布在T2同相軸及其之后的續(xù)至波；而相反的是，上位層破碎帶緣于層間上部破壞，地震波形的T2同相軸到時明顯晚于周邊正常區(qū)域。
3.3 異常區(qū)域分布
根據(jù)測試現(xiàn)場反射地震波的數(shù)據(jù)，結合現(xiàn)有鉆孔資料，共推斷出6個異常區(qū)域，具體位置如圖6所示。
從圖6中可知，異常區(qū)域包括4個下位層間巖層破碎區(qū)K1~K4和2個上位層間巖層破碎區(qū)P1和P2。其中4處下位層間巖層破碎，主要集中在1101工作面皮運輸順槽，推斷為底板采空所致；2個上位層間巖層破碎帶主要集中在開切眼上，而開切眼異常區(qū)域的直接底為泥巖，又位于巷道坡底，區(qū)域內(nèi)長期積水，遭浸泡后已經(jīng)軟化，將其定義為軟底區(qū)域，而軟底區(qū)域又遭受過掘進機碾壓，加之超前支承壓力的作用，故推斷為掘進機碾壓、超前支承壓力或淋水所致。
4 現(xiàn)場鉆探驗證
為對地震波測試結果的可靠性進行驗證，在工作面內(nèi)部重點區(qū)域進行底板鉆探驗證。驗證鉆孔布置如圖7所示，其中圖7(a)為終孔平面圖，圖7(b)、7(c)和7(d) 分別為各區(qū)鉆孔正視圖，將終孔位置設定在2#煤層下方3m，如遇采空區(qū)時則停止鉆進。
根據(jù)驗證鉆孔A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的鉆探結果，判別出底板巖層的大致破壞范圍，如圖8所示。
鉆探結果表明曲線2邊界線至運輸順槽之間的底板下層大多數(shù)是采空區(qū)，總破壞區(qū)域最大走向距離為140 m，傾向最大距離為70 m。曲線1邊界線至開切眼之間屬于上位巖層破碎區(qū)域，破碎區(qū)域傾向長100 m，走向長30 m�？梢姺瓷涞卣鸩y試結果接近于鉆探結果，采用物探方式探測底板破壞區(qū)域還是比較精確可靠的。不一致的地方在于，物探結果表明運輸順槽存在4處不連續(xù)采空區(qū)破壞區(qū)域，這是因為原開采2#煤層的小煤窯屬于不規(guī)則的房柱式開采方式，采空區(qū)范圍內(nèi)仍殘留了部分煤柱，導致探測到的采空區(qū)不連續(xù)。由于物探段
只有在巷道內(nèi)對底板破壞區(qū)域進行探測，無法對對煤層底板破壞范圍進行檢測，因此只能大致確定巷道底板破壞范圍，還無法精確判定煤層內(nèi)殘留煤柱或采空區(qū)的精確位置。
5 結論
1)反射地震波探測結果表明，底板異常區(qū)域的地震波形明顯不同于正常區(qū)域，具有主頻降低，且波形發(fā)生畸變、反射波組遲滯、波尾幅值降低并延長等特征，其可作為識別異常區(qū)域的依據(jù)。
2)結合現(xiàn)場施工和鉆孔驗證，可知反射地震波法的探測技術對于底板存在采空區(qū)、底板不穩(wěn)定破碎等復雜異常邊界情況反映靈敏、探測分辨率較高，為確定類似煤礦巷道底板破壞區(qū)域分布提供了技術參考。
