李靜濤，胡國新，李衛(wèi)紅

（中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036000）

平朔東露天礦由于歷史原因，礦區(qū)內(nèi)廢棄生產(chǎn)礦井和小窯較多，開采方式多樣，且開采資料不全，確切的采空位置、大小等不清，給露天礦采空區(qū)探測、治理工作帶來很大的困難，如何實現(xiàn)采空區(qū)的超前精細探測，是保障東露天礦采空區(qū)（空洞）治理以及表層剝離和采煤作業(yè)安全、高效推進面臨的首要地質(zhì)問題[1]。

礦區(qū)內(nèi)地球物理工作條件存在問題為：①地表由松散黃土層覆蓋，主采煤層埋藏深度較??；②有地面大型運輸車輛、采場振動、電磁干擾等不良條件。因此，針對該采剝區(qū)特殊情況開展“輕型可控震源和大功率電火花震源混合激發(fā)”及“無線節(jié)點式與分布式地震儀同步采集”的“兩寬一高（寬頻、寬方位、高密度）”三維反射地震采集技術研究，開展井控地震數(shù)據(jù)高分辨關鍵處理技術及基于屬性體的解釋技術研究，形成“綠色激發(fā)”條件下厚黃土淺埋深采空區(qū)的三維地震精細探測方法[2]，提高利用地震縱波信息識別采空區(qū)的精度與準確率，提高地質(zhì)構造及采空區(qū)探測的尺度與精度，形成適用于平朔露天開采特殊施工地質(zhì)情況下的采空區(qū)探測技術體系[3]。

1 地震地質(zhì)條件

1）淺表層地震地質(zhì)條件。全區(qū)地表均已開始進行剝離，其中大部分為黃土剝離區(qū)，殘存黃土厚度在0～30 m 不等，地震波激發(fā)條件較差；采剝區(qū)東南部為基巖剝離區(qū)，激發(fā)條件相對較好，但該區(qū)為露天基巖爆破剝離區(qū)，礦方生產(chǎn)施工作業(yè)繁忙。采剝區(qū)內(nèi)煤礦重型作業(yè)車輛多，交通繁忙，對地震施工干擾影響嚴重，存在較大安全風險。綜上，本區(qū)淺表層地震地質(zhì)條件為復雜區(qū)[4]。

2）中深層地震地質(zhì)條件。根據(jù)已知鉆井資料分析，采剝區(qū)中深層地震地質(zhì)條件的特點是：煤層厚度大，埋深淺。其中，采剝區(qū)內(nèi)4 號煤層底板埋深30～190 m；9 號煤層75～230 m。9 號煤與4 號煤層間距比較穩(wěn)定，間距在50m 左右。結合以往鄰區(qū)的地震資料，由于煤層和上覆巖層在密度和速度等物性參數(shù)上差異較大，兩者的接觸界面為一強波阻抗界面。因此4 號煤層能形成能量較強的T4 反射波，9 號煤層所形成的T9 煤層反射波因為受到上覆4 號煤層對地震波的吸收、衰減、屏蔽作用影響，同相軸能量較弱，頻率較低[5]。

3）在上覆地層中，不整合界面、厚度較大的砂巖也能產(chǎn)生有一定強度的反射波，如新生界底界不整合接觸界面、K3 砂巖等，這些反射波都有一個共同的特點，即反射強度及連續(xù)性變化頻繁，極不穩(wěn)定，可能與其沉積相變有關。這些反射波組為本區(qū)構造解釋可提供輔助作用[6]。

2 試驗方案及有效性分析

2.1 試驗位置和試驗內(nèi)容

根據(jù)區(qū)內(nèi)表層巖土剝離情況，黃土殘存厚度不一，結合已知資料掌握的采空區(qū)分布情況，在區(qū)內(nèi)分別布設了2 個點試驗（S1、S2）和2 個線試驗工作（L1、L2）。

點試驗：S1 點試驗進行了可控震源和400 kg 重錘夯擊震源等2 種震源的激發(fā)參數(shù)試驗，主要進行了震動臺次、掃描長度、掃描頻率、驅(qū)動振幅、重錘高度、垂疊次數(shù)等激發(fā)參數(shù)的試驗對比。S2 點試驗進行了可控震源、400 kg 重錘夯擊震源、電火花震源、300 kg 橫波重錘震源等4 種震源的激發(fā)參數(shù)試驗。

線試驗：在采剝區(qū)內(nèi)布設2 條線試驗L1 和L2，均跨越采空區(qū)，分別采用反射縱波、反射橫波及折射波等不同勘探技術進行方法可行性對比分析。兩線均進行了可控震源激發(fā)下的縱波、SH 橫波、SV 橫波等3 種激發(fā)方式的線試驗[7]，均采用相同的觀測系統(tǒng)。

2.2 震源有效性點試驗成果認識

1）S1 點可控震源縱波資料分析。利用可控震源[8]，在“驅(qū)動幅度75%，掃描頻率12～160 Hz，掃描長度10 s”等固定參數(shù)前提下，進行了“1 次、2 次、3次、5 次”的震動臺次試驗，S1 縱波震動臺次試驗定量分析如圖1，S1 靜校正后震動臺次試驗單炮記錄分頻掃描如圖2。

圖1 S1 縱波震動臺次試驗定量分析

圖2 S1 靜校正后震動臺次試驗單炮記錄分頻掃描

2）S1 點夯擊震源資料分析。用400 kg 夯擊震源進行縱波激發(fā)，在固定重錘高度2 m 的前提下，進行了“1 次、2 次、3 次、4 次、5 次、6 次”的垂疊次數(shù)試驗，垂疊次數(shù)越多，資料信噪比越高，對隨機干擾的壓制作用越強，4～6 次垂疊次數(shù)單炮資料較好。但整體信噪比低。綜合考慮，建議選擇垂疊次數(shù)5 次。

3）S2 點電火花震源資料分析。通過對不同激發(fā)參數(shù)的單炮資料進行對比分析得出，電火花震源激發(fā)能量較差，難以獲得目的層的有效反射波。綜合認為，針對本工區(qū)，電火花震源基本不可用。

4）S2 點橫波重錘震源資料分析。通過對比分析得出，300 kg 橫波重錘震源激發(fā)能量較差，難以獲得目的層的有效反射波。綜合認為，針對本工區(qū)，300 kg 橫波重錘震源基本不可用。

通過對4 種非炸藥震源的不同激發(fā)參數(shù)進行系統(tǒng)性的震源有效性試驗對比工作，最終采用可控震源或400 kg（或更大質(zhì)量）以上夯擊震源激發(fā)進行縱波、SH 橫波、SV 橫波的反射法勘探，震源及激發(fā)參數(shù)有效性對比見表1。

2.3 方法有效性線試驗成果認識

1）L1 線反射縱波資料分析。通過對反射縱波靜校正后單炮和處理剖面進行資料品質(zhì)分析：地震剖面上4 煤采空區(qū)表現(xiàn)為同相軸缺失、雜亂反射。位置與地質(zhì)剖面基本一致；不同淺表層巖性出露地段均獲得有效反射波，強干擾地段受外包機械作業(yè)限制，干擾嚴重，資料品質(zhì)有所下降。剖面主頻30～55 Hz，頻帶寬度10～100 Hz，分辨能力7.6～14 m（縱波速度2 400 m/s），L1 線縱波線試驗地震剖面如圖3。

表1 震源及激發(fā)參數(shù)有效性對比

圖3 L1 線縱波線試驗地震剖面

2）L2 線反射縱波資料分析。不同淺表層巖性出露地段均獲得有效反射波；4 煤采空區(qū)位置與地質(zhì)剖面基本一致；地震剖面主頻35～55 Hz，頻帶寬度10～90 Hz，分辨能力7.6～12 m 左右，L2 線縱波線試驗地震剖面如圖4。

圖4 L2 線縱波線試驗地震剖面

通過后期地震剖面和地質(zhì)剖面對比得出：反射縱波能夠獲得新生系底界不整合面、4 煤、9 煤等多組有效反射波；在不考慮強干擾影響的情況下，面元大小5 m，覆蓋次數(shù)大于36 次的地震剖面段資料信噪比高，品質(zhì)較好，分辨率高，能夠真實反映地層結構、采空等地質(zhì)異常。

3 結語

平朔東露天礦復雜地形條件下三維地震可行性研究實驗，通過不同震源、參數(shù)的選取，最終取得了較好的試驗成果，為平朔公司選擇有效的采空勘查方法提供依據(jù)：

1）通過對可控震源、400 kg 夯擊震源、電火花震源、橫波重錘震源等4 種非炸藥震源進行系統(tǒng)性的震源有效性試驗對比工作，最終選取了可控震源（7 t）縱波激發(fā)，80%驅(qū)動振幅、掃描長度12 s、掃描頻率12～160 Hz，5 次垂疊效果較好。

2）采用可控震源激發(fā)、面元5 m、36 次覆蓋觀測、單點60 Hz 檢波器接收，獲得的目的層段反射P 波主頻可達50～60 Hz，分辨能力可達到7.6～14 m。達到了查明長軸大于等于15 m，平面擺動誤差不大于30 m 的采空區(qū)平面分布位置的目的任務。