基于微震定位技術(shù)的采空區(qū)勘探方法研究

劉 平

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

0 前 言

采空區(qū)的存在嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)和地面施工。目前探測(cè)采空區(qū)采用的方法主要有可控源音頻大地電磁測(cè)探法、探地雷達(dá)和地震法。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采空區(qū)勘探進(jìn)行了大量的研究，宗志剛[1]對(duì)地震勘探方法在探測(cè)礦井采空區(qū)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，以礦井采空區(qū)的物性為基礎(chǔ)，采用三維反射波地震方法，研究了探測(cè)采空區(qū)的可行性。然后分析了采空區(qū)的反射波特征，探討了在地震數(shù)據(jù)采集工作中，采空區(qū)分辨率的影響因素；張飛等[2]采用IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了微震事件定位精度，對(duì)微震事件進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了礦山的安全開采。

由于地下礦體的開采，使得在地底形成空間區(qū)域，原有應(yīng)力的平衡狀態(tài)遭到破壞，在經(jīng)歷一段時(shí)間新的平衡，巖體發(fā)生移動(dòng)，地應(yīng)力重新得到調(diào)整。在整個(gè)過程中，上覆巖層產(chǎn)生的變形、錯(cuò)動(dòng)，根據(jù)性質(zhì)的不同，劃分為冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，采空區(qū)塌陷垂直“三帶”示意[3-5]如圖1所示。

1 采空區(qū)地震勘探地球物理特征

礦層可以形成清晰、連續(xù)的反射波，是一層良好的反射界面，與圍巖相比，具有速度和密度低、明顯的波阻抗差異，是一種穩(wěn)定和連續(xù)的沉積層。礦層和上覆巖層的地球物理特性發(fā)生了變化，主要體現(xiàn)為：①采空區(qū)形成的空洞、破碎、裂隙，致使地震波在傳播到采空區(qū)時(shí)產(chǎn)生散射或反射等現(xiàn)象；②塌陷區(qū)地層使得地質(zhì)變得疏松、密度降低，導(dǎo)致地震波傳播速度、頻率、振幅發(fā)生變化。采空區(qū)單炮記錄[6-8]如圖2所示。

圖1 采空區(qū)塌陷垂直“三帶”示意

從圖2中可知：87～99道平均速度相對(duì)較小，當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^采空區(qū)時(shí)，其頻率、能量和平均速度均發(fā)生明顯的變化。

2 微地震事件定位方法

微地震事件是在微震信號(hào)旅行時(shí)，對(duì)震源的發(fā)震時(shí)刻和空間時(shí)刻進(jìn)行反演，其實(shí)質(zhì)是地球物理的反演問題。目前微震震源定位定源算法較多，本文主要介紹了Geiger定位的經(jīng)典算法。為了建立地質(zhì)模型，驗(yàn)證Geiger定位方法的有效性，模型尺寸為500 m×500 m，模型為水平層狀介質(zhì)淺層采空區(qū)模型，共有3層，其中采空區(qū)為第1層，速度模型和層位模型[9-10]如圖3所示。

圖2 采空區(qū)單炮記錄

圖3 平層狀介質(zhì)淺層采空區(qū)層位和速度模型

層狀模型速度參數(shù)見表1。

表1 層狀模型速度參數(shù)

微地震模擬記錄到時(shí)拾取波形圖和到時(shí)時(shí)間曲線，如圖4所示。

圖4 微地震模擬記錄到時(shí)拾取及到時(shí)時(shí)間曲線

水平層狀模型檢波點(diǎn)坐標(biāo)及到時(shí)時(shí)間見表2。

表2 水平層狀模型檢波點(diǎn)坐標(biāo)及到時(shí)時(shí)間

根據(jù)表1和表2可知，設(shè)置迭代初始震源位置為(0，0)，采用Geiger法，對(duì)過程進(jìn)行33次迭代，收斂最終位置設(shè)置為(150.256，60.564)。

Geiger法定位結(jié)果[11-15]如圖5所示，初始位置設(shè)置為(0，0)，該位置位于真實(shí)震源(150，60)左下方，垂直距離相距60 m，水平距離相距150 m。

由圖5可知：Geiger法具有效率高、速度快等特點(diǎn)，在簡(jiǎn)單模型事件定位中具有有效的作用。

3 實(shí)際地震資料處理

該次觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)距為20 m×20 m，線數(shù)設(shè)置為31條，其中每條測(cè)線為160道，實(shí)際觀測(cè)系統(tǒng)平面如圖6所示。

結(jié)合井地反演結(jié)果，以勘探區(qū)域中散射波雙曲線連續(xù)性相對(duì)理想的測(cè)線為反演對(duì)象，初步推測(cè)4個(gè)區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，其中位置分布如圖7所示。

由圖7可知：結(jié)合K11孔井地CT初至層析反演結(jié)果，圖8中深色區(qū)域?yàn)閷游龇囱莩龅牡退佼惓^(qū)，然后確定散射波反演位置設(shè)置鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。打鉆結(jié)果得出，鉆機(jī)大約在50 m位置處，開始掉鉆，掉鉆深度為10 m，然后在層析反演低速異常中心點(diǎn)位置進(jìn)行打鉆進(jìn)行驗(yàn)證，掉鉆20 m，最終確定該位置為采空區(qū)。

圖5 Geiger法定位結(jié)果

圖6 實(shí)際觀測(cè)系統(tǒng)平面

圖7 采空區(qū)定位結(jié)果

4 結(jié) 論

1)當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^采空區(qū)時(shí)，其頻率、能量和平均速度均發(fā)生明顯的變化；Geiger法具有效率高、速度快等特點(diǎn)，在簡(jiǎn)單模型事件定位中具有有效的作用。

2)當(dāng)進(jìn)行實(shí)際地震監(jiān)測(cè)時(shí)，為了降低噪音干擾和保護(hù)有效信號(hào)，當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行全面的了解，結(jié)合井地反演結(jié)果，以勘探區(qū)域中散射波雙曲線連續(xù)性相對(duì)理想的測(cè)線為反演對(duì)象，初步懷疑4個(gè)區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，結(jié)合打鉆驗(yàn)證，最終確定該位置為采空區(qū)。