甘志超，韓科明

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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井間地震層析成像技術(shù)在采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用

甘志超，韓科明

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]查清采空區(qū)及其覆巖現(xiàn)狀是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估和治理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵的工作。以淮北某礦老采空區(qū)為例，應(yīng)用井間地震對(duì)擬建場(chǎng)地的采空區(qū)及其覆巖現(xiàn)狀進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果分析了采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)類型，基本查明了完整巖層、破碎巖層和較完整巖層的層位和范圍，為采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)估和治理提供了基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]井間地震；層析成像；采空區(qū)；覆巖結(jié)構(gòu)；探測(cè)

近年來隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)和城市化進(jìn)程的加快，在產(chǎn)煤大省和礦區(qū)，由于采空區(qū)的廣泛分布，許多建(構(gòu))筑物無法避開采空區(qū)而必須建設(shè)在采空區(qū)上。根據(jù)學(xué)者的研究[1]，將采空區(qū)上覆圍巖結(jié)構(gòu)劃分為較完整層狀結(jié)構(gòu)、塊裂層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)等4種類型。因此，在該類工程建設(shè)中利用鉆探和物探查明采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)類型，可為擬建場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和采空區(qū)治理設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

在采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)探測(cè)中，傳統(tǒng)的工程地質(zhì)鉆探由于鉆孔數(shù)量有限，很難完整全面地反映采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，同時(shí)較深的鉆孔更加大了勘察的難度和成本。而井間地震層析成像技術(shù)通過觀測(cè)鉆孔間巖體波速并反演其速度分布，可以較可靠地反映出井間剖面的地質(zhì)情況，既具有較高的勘察精度又降低了勘察的工期。由于地震層析成像技術(shù)獲得的結(jié)果是地下介質(zhì)彈性波速度的空間分布，與電磁波類方法比，彈性波速度與介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系要密切得多，因此其不僅有利于全面細(xì)致地了解探測(cè)區(qū)域采空區(qū)的大小、形態(tài)及空間分布，也有利于確定采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類型。王立會(huì)、潘冬明等[2]利用井間地震勘察采空區(qū)，取得了較好效果；李天祺、彭濤[3]等研究了利用井間地震勘探巖溶發(fā)育情況；其他學(xué)者開展了井間地震方法和在石油勘探方面的研究[4-7]。

筆者利用井間地震層析成像技術(shù)，結(jié)合工程鉆探資料，分析研究了擬建場(chǎng)地的采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)。

1工作區(qū)概況

根據(jù)煤礦開采技術(shù)資料，擬建場(chǎng)地下方為淮北某煤礦老采空區(qū)。建設(shè)用地區(qū)域煤層開采時(shí)間約為20世紀(jì)70年代，開采深度為80～130m，煤層開采厚度為2.5m，煤層傾角7～10°。煤層開采方法為炮采，工作面開采寬度約為30～50m。相鄰工作面間殘留有部分煤柱。建設(shè)用地區(qū)域采空區(qū)上覆巖層中沖積層厚度較大，約為60～70m；基巖較薄，厚度約為20～60m。

鉆探勘察中發(fā)現(xiàn)在采空區(qū)內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)尺快、全漏水，還有井壁掉塊、掉鉆具、卡鉆和孔口吸風(fēng)現(xiàn)象，認(rèn)為雖然經(jīng)過30多年的時(shí)間下沉，采空區(qū)仍沒有被壓實(shí)、固結(jié)。

因此采用井間地震CT探測(cè)以查明擬建場(chǎng)地內(nèi)采空區(qū)和其上覆巖層裂隙發(fā)育、充填和破壞情況，從剖面上分析采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)類型，為采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和注漿治理設(shè)計(jì)提供資料和依據(jù)。

2觀測(cè)方式

井間地震激發(fā)震源采用瞬發(fā)雷管，接收采用美國(guó)產(chǎn)專用孔中水聽器接收，數(shù)據(jù)采集儀器采用吉林大學(xué)GEOPEN24位數(shù)字地震儀。

根據(jù)地質(zhì)任務(wù)及鉆孔條件，每個(gè)激發(fā)井中總共預(yù)設(shè)60炮，炮距0.5m，接收井中每次激發(fā)由12只檢波器同時(shí)接收，接收點(diǎn)距1m，然后激發(fā)井中雷管位置上移0.5m，再進(jìn)行激發(fā)和接收，震源逐次上移放夠20炮以后再整體提升井中檢波器，每次提升10m，共進(jìn)行了3對(duì)孔的井間CT探測(cè)工作，其觀測(cè)系統(tǒng)示意見圖1。

圖1　觀測(cè)系統(tǒng)示意

3探測(cè)效果

3.15號(hào)～6號(hào)孔間剖面

圖2為接收排列在79～90m，激發(fā)深度83m所得的原始記錄，圖3為接收排列89～100m，激發(fā)深度92m處采集到的原始記錄，對(duì)比二者可容易得到圖2所示記錄地震波初至清晰可辨，圖3所示記錄初至較明顯，可初步推測(cè)出5號(hào)、6號(hào)鉆孔之間地層較完整。

圖2　接收排列79～90m，激發(fā)深度83m處的原始記錄

圖3　接收排列89～100m，激發(fā)深度92m處的原始記錄

圖4為5號(hào)～6號(hào)鉆孔CT成像成果圖，原始記錄和層析成像結(jié)果綜合分析表明：5號(hào)孔反映基巖面深度約為65m，6號(hào)孔反映基巖面深度約為70m，基巖厚度約28m，孔間基巖受5號(hào)孔所在工作面采動(dòng)影響較小，巖體完整性總體較好。煤層深度在95m左右，完整基巖的CT成像速度在2400～3400m/s之間，根據(jù)鉆孔資料，該剖面中基巖主要為泥巖。

圖4　5號(hào)～6號(hào)鉆孔CT成像成果

3.23號(hào)～8號(hào)孔間剖面

圖5為接收排列在79～90m，激發(fā)深度86m處所得的原始記錄，圖6為接收排列在89～100m，激發(fā)深度94m處采集得到的原始記錄。對(duì)比二者并分析得到：圖5所示記錄地震波初至清晰可辨，圖6所示難于確定初至?xí)r間，可推測(cè)出孔間存在采空區(qū)碎裂或裂隙較發(fā)育巖體。

圖5　接收排列79～90m，激發(fā)深度86m處原始記錄

圖6　接收排列89～100m，激發(fā)深度94m處原始記錄

圖7為3號(hào)～8號(hào)鉆孔CT成像成果圖，大量原始記錄和層析成像結(jié)果綜合分析表明：3號(hào)孔反映基巖面深度約為69m，8號(hào)孔反映基巖面深度約為72m；基巖厚度約17m，基巖上部巖層受采動(dòng)影響較為松動(dòng)，裂隙發(fā)育；下部冒落帶深度范圍約為96～100m。根據(jù)成果圖中的速度值和覆巖結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合圖4中完整巖層的速度值和鉆孔資料，將速度大于2400m/s的覆巖確定為較完整層狀結(jié)構(gòu)，速度為2200～2400m/s的覆巖確定為塊裂層狀結(jié)構(gòu)，速度為1800～2200m/s的覆巖確定為碎裂結(jié)構(gòu)，速度小于1800m/s的巖體確定為散體結(jié)構(gòu)。

圖7　3號(hào)～8號(hào)鉆孔CT成像成果

建議對(duì)塊裂層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)的巖體進(jìn)行重點(diǎn)加固治理。

4結(jié)論

(1)通過工程實(shí)例的應(yīng)用，說明利用井間地震并結(jié)合鉆探可以確定采空區(qū)的大小、形態(tài)及空間分布，并且可以較好地確定采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類型，從而為擬建場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和采空區(qū)治理設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

(2)在城市或工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)域，井間地震受干擾的因素與電(磁)法相比相對(duì)較少，受干擾程度也相對(duì)較小，因此保證其有更高的分辨率，能更好地結(jié)合鉆孔進(jìn)行定量解釋，特別是對(duì)于地下的采空區(qū)空洞有更好的辨別能力。

(3)井間地震的施工成本相對(duì)較高，因此需進(jìn)一步研究減少其成本。

[參考文獻(xiàn)]

[1]郭廣禮，鄧喀中，汪漢玉，等.采空區(qū)上方地基失穩(wěn)機(jī)理和處理措施研究[J].礦山壓力與頂板管理，2000(3)：39-42.

[2]王立會(huì)，潘冬明，張興巖.三種探測(cè)煤層采空區(qū)的方法[J].物探與化探，2008，32(3)：291-294.

[3]李天祺，彭濤，郭印.井間地震層析成像技術(shù)在巖溶勘察中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36(6)：127-130.

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[7]裴正林，牟永光.復(fù)雜介質(zhì)小波多尺度井間地震層析成像方法研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2003，46(1)：113-117.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

Application of Crosswell Seismic Tomography Technology inGoaf and Overlying Strata Structure Probing

GAN Zhi-chao，HAN Ke-ming

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：Investigation results of goaf scope and overlying strata structure is the key and foundation work of goaf stability evaluation and treatment.The goaf scope and overlying strata structures under planning construction site were surveyed with cross well seismic tomography，based on old goaf of one coal mine in Huaibei，the paper analyzed the goaf scope and overlying strata structures according investigation results，and then identified the position and scope of integrity strata，broken strata and defective strata，it provided basic materials and evidences for goaf stability evaluation and treatment.

Keywords：crosswell seismic；tomography；goaf；overlying strata structure；probing

[中圖分類號(hào)]TD166;P631.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)01-0025-03

[作者簡(jiǎn)介]甘志超(1983-)，男，四川鄰水人，助理研究員，主要從事地球物理勘探與煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的研究工作。

[基金項(xiàng)目]天地科技股份有限公司(TZ-JJ-09-KC-02)

[收稿日期]2015-11-06

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.006

[引用格式]甘志超，韓科明.井間地震層析成像技術(shù)在采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2016，21(1)：25-27.