周俊杰，張二偉，姚 宇

（1.河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046103）

0 引 言

礦井采掘活動(dòng)的進(jìn)行會(huì)形成采空塌陷區(qū)，造成地面變形和地表建筑物的破壞。如何精細(xì)、精準(zhǔn)探測(cè)煤礦采空區(qū)是關(guān)鍵。地球物理探測(cè)手段和方法作為礦井探測(cè)手段之一，在礦井采空區(qū)探測(cè)中發(fā)揮著重要的作用。由于礦井地質(zhì)條件復(fù)雜多變，老窯采空區(qū)資料的缺失或不明，給礦井采空區(qū)探測(cè)帶來(lái)困難。地震勘探以其良好的縱向和橫向分辨能力，被廣泛應(yīng)用于老窯采空塌陷區(qū)的探測(cè)中，特別是采空區(qū)塌陷引起的上覆和下伏巖層的破壞帶的預(yù)測(cè)。不同學(xué)者從地震數(shù)據(jù)采集時(shí)地震工程布置、不規(guī)則觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多方法和技術(shù)進(jìn)行了探測(cè)，但探測(cè)效果還存在缺陷。同時(shí)，采空區(qū)分布的不規(guī)則性，使采空區(qū)及其圍巖邊界處的地震反射層面發(fā)生變化，對(duì)于地面接收到的地震信號(hào)是否為采空區(qū)及其圍巖邊界形成的界面反射是地震數(shù)據(jù)處理與解釋的難點(diǎn)。

本文依據(jù)山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司現(xiàn)采3號(hào)煤層中的S5101工作面開采情況，在其地表布置2條勘探測(cè)線，通過煤層開采前和開采后同一條測(cè)線的地震探測(cè)，精細(xì)識(shí)別工作面開采前后形成的單炮地震、疊加時(shí)間剖面記錄，識(shí)別出開采后形成的采空區(qū)地震地質(zhì)響應(yīng)特征，確定開采后形成的采空區(qū)分布空間特征、位置及開采后形成的地表破壞范圍。

1 礦井地質(zhì)概況

山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司礦井主采3號(hào)和15號(hào)煤層，現(xiàn)采S5101工作面3號(hào)煤層，煤層深度大致為400 m。為有效探測(cè)和掌握采空區(qū)影響范圍、大小及分布特征，通過在地表布置二維地震勘探測(cè)線，利用地震數(shù)據(jù)識(shí)別采空區(qū)位置和空間分布形態(tài)，合理圈定工作面采空區(qū)地表影響范圍。

2 采空區(qū)地震探測(cè)技術(shù)

2.1 反射波探測(cè)采空區(qū)的物理基礎(chǔ)

煤層與圍巖之間形成一定良好的波阻抗差異界面，當(dāng)煤層足夠厚時(shí)，就可形成連續(xù)的地震反射波。當(dāng)煤層開挖形成采空區(qū)后，煤層（低密度、低速帶）與圍巖之間形成良好的地震反射波組。

煤層采空區(qū)及其塌陷區(qū)與完整的煤層（或者上覆巖層）之間，地層松散、密實(shí)度降低，同時(shí)在塌陷區(qū)和采空區(qū)的邊界處，會(huì)形成一定的破裂、裂隙的存在，在地震反射中常表現(xiàn)為一定的繞射波、散射的現(xiàn)象。

2.2 工程布置

依據(jù)野外地形和S5101工作面位置投影，在工作面切眼和回采800 m位置處布置2條測(cè)線進(jìn)行地震勘探，如圖1所示，點(diǎn)距5 m，端點(diǎn)激發(fā)方式，96道接收道集數(shù)。DC1側(cè)線平行于工作面項(xiàng)北部延展，DC2測(cè)線與工作面斜交，經(jīng)過采前和采后2次2條測(cè)線同一位置的地震探測(cè)，分析和評(píng)價(jià)工作面采前、后地面變形范圍。

圖1 二維地震勘探地面測(cè)線位置分布Fig.1 Location distribution of ground survey lines in two-dimensional seismic exploration

3 采空區(qū)地震勘探精細(xì)識(shí)別技術(shù)

3.1 采空區(qū)單炮地震記錄精細(xì)識(shí)別技術(shù)

通過2條測(cè)線同一位置處在工作面開采前、后的地震勘探工作，得到工作面回采前、后原始單炮地震記錄，如圖2、圖3所示。從圖2、圖3上可以看出，對(duì)比工作面回采前、后，回采后的地面塌陷地段取得的地震記錄存在明顯的繞射波，且地震單炮記錄的頻率變低，同一反射層位形成的相位和頻率出現(xiàn)變化，甚至出現(xiàn)中斷，部分地段形成相位反轉(zhuǎn)、波形畸變，振幅出現(xiàn)變小特點(diǎn)。

圖2 工作面回采前、后同一位置單炮記錄Fig.2 Single shot record at the same position before and after working face mining

圖3 工作面回采前、后單炮記錄頻譜曲線Fig.3 Curve of single shot record frequency spectrum before and after working face mining

對(duì)回采工作面回采前、后的塌陷地段的地震記錄頻譜曲線進(jìn)行對(duì)比，表明工作面回采前的煤巖層地震反射波的優(yōu)勢(shì)頻率在70 Hz以上（圖3a），工作面回采形成地面塌陷區(qū)后的煤巖層地震反射波的優(yōu)勢(shì)頻率在60 Hz以下（圖3b）。說(shuō)明工作面回采后由于上覆巖體的運(yùn)移，煤巖層位置的空間變化使煤層反射波動(dòng)力學(xué)特征發(fā)生明顯變化，地震記錄表現(xiàn)為振幅減弱，頻率降低，相位反轉(zhuǎn)及波形畸變等。據(jù)此特征，可精細(xì)識(shí)別出工作面回采后造成的地表破壞地段。

3.2 采空區(qū)疊加時(shí)間剖面前后對(duì)比

野外地震記錄經(jīng)過針對(duì)性地震數(shù)據(jù)處理后，得到高質(zhì)量疊加時(shí)間剖面。DC2地震測(cè)線在回采前、后同一位置處的疊加時(shí)間剖面如圖4所示。對(duì)疊加時(shí)間時(shí)間剖面的對(duì)比可看出，工作面回采后造成該處煤層缺失，同時(shí)引起上覆煤巖層的破裂與沉陷，造成疊加地震疊加時(shí)間剖面同相軸出現(xiàn)不連續(xù)、異?，F(xiàn)象?；夭珊蟮牡卣鸠B加時(shí)間剖面采出煤層位置處出現(xiàn)空白區(qū)，上覆煤巖層發(fā)生變形區(qū)，地震剖面表現(xiàn)出回采前的地震記錄連續(xù)性好，回采后由于巖體的運(yùn)移造成地震記錄發(fā)生下陷特征，而周邊為采掘的煤層同相軸連續(xù)性好。通過對(duì)采區(qū)破壞后的疊加時(shí)間剖面的識(shí)別，利用采空區(qū)邊界特點(diǎn)，確定塌陷區(qū)與圍巖之間的破裂角度為65°左右。

圖4 DC2測(cè)線回采前、后同一位置疊加時(shí)間剖面圖Fig.4 Superimposed time profile of same position before and after mining of No.DC2 survey line

為更為精細(xì)識(shí)別和確定工作面回采造成的地表和上覆巖體的破壞范圍，在疊加時(shí)間剖面上充分反映出工作面回采造成的上覆巖體破壞形成的地震記錄特征（圖5）。

圖5 采空區(qū)在疊加時(shí)間剖面的反映Fig.5 The reflection of goaf in superimposed time profile

回采后的疊加時(shí)間剖面上出現(xiàn)了反射波組中斷或能量變?nèi)酰▓D5a）；地震波頻率的突變，工作面回采造成地面破壞范圍內(nèi)的地震波頻率突然降低，可將地震波頻率突變位置處劃定為造成地面破壞范圍的邊界（圖5b）；工作面回采造成反射波同相軸扭曲產(chǎn)狀突變，表現(xiàn)為一系列反射波同相軸向煤層開采破壞范圍內(nèi)側(cè)扭曲，因此其扭曲異常突變點(diǎn)的連線可以認(rèn)為是工作面回采造成地表破壞范圍的邊界，且隨著回采工作面上覆巖體破壞的穩(wěn)定性增強(qiáng)，地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為地震波同相軸逐步向回采工作面中心位置傾斜的特征（圖5c）；反射波相位轉(zhuǎn)換，反射波極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，其反轉(zhuǎn)起始點(diǎn)連線即為采空區(qū)邊界（圖5d）。

3.3 回采工作面地面破壞范圍的圈定

依據(jù)地震勘探測(cè)線解釋成果，采取地表破壞帶精細(xì)識(shí)別技術(shù)，圈定S5101工作面回采后地表沉陷區(qū)影響范圍，回采工作面回采造成的地面破壞范圍主要集中在布置工作面邊界外推130~150m，如圖6所示。形成的主要破壞類型為地面不均勻沉降造成的地表沉陷和塌陷裂隙、陡坎等，不均勻沉降也會(huì)造成地表上覆建筑物和固有物的整體沉陷和開裂。

利用地震時(shí)間剖面解釋的地表破壞帶邊界位置，進(jìn)行實(shí)地位置的投影驗(yàn)證分析，距離DC1測(cè)線位置250 m處P1點(diǎn)（圖6）為解釋的地表變形破壞范圍的邊界，在實(shí)地的測(cè)量點(diǎn)位上可見地表形成與工作面走向基本一致的地表裂縫，長(zhǎng)度約為50 m，裂縫寬度為15～20 cm，如圖7所示。

圖6 地震勘探確定工作面沉陷影響范圍Fig.6 Influence range determination of working face subsidence by seismic exploration

圖7 工作面回采形成DC1測(cè)線的P1點(diǎn)地表破壞裂縫帶Fig.7 Surface fracture zone at No.P1 point of No.DC1 line formed by working face mining

4 結(jié) 論

回采工作造成的上覆巖體采空區(qū)及其地面影響范圍探測(cè)是礦井隱蔽致災(zāi)體探測(cè)的重要任務(wù)，采用二維地震勘探在工作面回采前后得到地震記錄，對(duì)余吾煤業(yè)S5101工作面在回采前、后地震勘探記錄進(jìn)行對(duì)比，圈定出工作面回采造成的淺部和深度影響范圍，在疊加時(shí)間剖面上識(shí)別塌陷類型和回采工作面破壞邊界范圍，解釋效果明顯。

（1）利用地震勘探得到疊加時(shí)間剖面同相軸錯(cuò)段、相位和頻率突變，特別是反射波同相軸向回采工作面中心位置扭曲等特征，利用扭曲、突變點(diǎn)的連線可精細(xì)確定出煤層回采破壞區(qū)的邊界。

（2）利用破壞帶與圍巖間疊加時(shí)間剖面進(jìn)行精細(xì)識(shí)別，對(duì)應(yīng)邊界位置清晰可靠，利用邊界處的地震波頻率、相位突變（斜率劇烈變化處），劃定回采造成的煤巖層破壞及沉陷破壞地帶邊界位置。

依據(jù)二維地震回采工作面回采前、后的對(duì)比，圈定出余吾煤礦S5101工作面回采前后造成的地表影響范圍及邊界，工作面回采造成地面破壞變形范圍邊界可依據(jù)工作面垂直投影位置外推130～150 m，該范圍外地表破壞較弱。