首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 微动勘探在查明采空区空间分布中的应用

微动勘探在查明采空区空间分布中的应用

2024-06-04 270 上传者：管理员

摘要：陕北矿区煤炭资源大规模开发利用时的煤矸石外排，诱发了地表沉陷、地下水位下降、土地沙漠化加剧、土壤污染等一系列生态环境问题，而井下充填是最有效的煤矸石处置方式之一。为指明煤矸石在采空区的充填靶区，以小保当煤矿112201工作面为工程背景，采用微动勘探法查明采空区沉陷和地下空间分布规律。利用5条微动测线的横波速断面处理结果，以插值方法对该区域进行空间重构，得到勘探区横波速度立体图及地下空间分布断面图，再通过切片方式对采空区发育及影响范围进行分析。结果表明，深度350～400 m处为冒落带强裂隙发育带，距离两帮50～100 m处、深度350 m处为最佳注浆靶区；此外，根据裂隙带和冒落带发育特征，深度范围在250 m时大量裂隙发育，开始具备注浆潜力。

关键词：
地下空间
地震波
微动勘探
裂隙发育区
采空区
加入收藏

结合陕北矿区生态环境脆弱的特点，现有煤矸石处理技术中最彻底最有效的处置方式为井下充填[1,2]。煤矸石井下充填开采，不仅消除了矸石山对生态环境的污染，有效遏制了地表沉陷，保护了地表和地下水资源，减少了井下采空区涌水、降低采空区瓦斯积聚等事故发生的可能性，实现以最小的生态扰动获取煤炭资源，既消纳了大量煤矸石保护环境，又促进煤炭开采和生态环境协调、共融发展，取得了良好的生态和社会效益，实现煤炭绿色开发。其中，科学预测采空区残留空洞、空隙、离层裂缝分布规律是实现矸石高效充填的基本前提[3]。

采空区上覆岩层发生变形破坏，会形成裂隙发育区域，堆积物松散区，地震波在不同地层介质中传播的速度不同，一般来说介质密度越高，传播速度越高。在基岩中地震波波速相比砂土层、裂隙发育区、堆积物松散区中要高，利用该特性在小保当煤矿采用微动勘探对采空区空间分布规律进行探究。

1、微动勘探原理

采空区上覆岩层发生变形破坏，会形成裂隙发育区域，堆积物松散区，地震波在不同地层介质中传播的速度不同，一般来说介质密度越高，传播速度越快，在基岩中地震波速相比砂土层、裂隙发育区、堆积物松散区中要快，利用这个特性可以进行采空区位置分布探测[4,5,6]。

微动探测技术利用的是地震波中的瑞雷面波。1885年，瑞雷(John Strutt, Lord Rayleigh)首先在理论上预测瑞雷面波的存在，此后关于面波传播和面波频散的反演有一系列重要发现[7]。长期以来，天然地震面波被地震学家用于研究地球深部结构。如今，面波，尤其是瑞雷面波，已广泛用于无损检测和场地评价，并逐渐发展为一种重要物探方法[8,9,10]。

微动探测不需要人工激发震源，只需在地面上以一定的方式摆放检波器，利用周围环境震动作为震源，接收地震记录，利用面波的频散特性提取频散曲线，然后反演出视横波速度，形成视横波速度剖面，结合场内地质资料分析低速异常区，推断出采空区分布范围。此技术不受电磁、电阻率、含水程度等环境干扰，较其他方法具有独特的优势[11,12,13]。

2、测线布设

微动探测系统的主要参数有：观测系统、采样时间、采样间隔、采集模式、道间距，测点间距等。为达到探测目的，结合实际工程地质条件，由于小保当煤矿112201工作面深度350 m, 本次微动探测的观测系统可采用线性排列，使用ANT-1C智能地震仪，布置测线5条，测线总长3 750 m, 检波器布设在采空区上方地表，间隔8 m, 所有测线施工方向由西南至东北，观测系统长400 m, 探测深度达到350 m, 如图1所示。观测系统为线性排列400 m, 采集时间120 min, 测点距离8 m, 采样间隔2 ms, 测线布设及完成工作量统计见表1。

图1 微动施工布设

表1 测线布设及完成工作量统计(国家大地2000坐标)

3、数据分析

天然源面波频率-波数法处理分以稳定随机理论为基础的微动面波成像和采用背景噪声频率域成像求取视波阻抗，微动面波成像用最大似然法提取面波频率-波数谱，它包括数字滤波、相似系数的求取，频率-波数谱的求取，速度-频率曲线(频散曲线)的求取等功能。波形显示的目的主要是检查、定义观测系统，检查各道记录的波形质量，对采集到的天然场地震信息中固定干扰、畸变严重部分进行剔除，以便对各时间段采集的数据做进一步处理。利用台站间经验格林函数提取频散曲线是本次试验测试的一个重要内容。由于微动信号较弱，需要多次叠加信号才能获得清晰的频散曲线。图2为预处理后采集的噪声数据，经过处理后获得的频散曲线如图3所示。

图2 预处理后噪声记录图谱

图3 频散曲线图谱

求取波速采用了最优化选择法，最优化选择法是首先根据经验初始模型，计算该模型的理论频散与实测频散之差，并据此修正模型参数(厚度、速度),这种修正可以由人工凭经验来做或由计算机自动完成这样的过程反复进行几次，直到两种频散的差值小于某一特定值时停止，用此时的模型参数作为反演结果。一般在计算机上实现自动迭代反演的算法是阻尼最小二乘法求取相速度Vi所需的参数为层数N、各层厚度Hi和Vs、密度p(层数N在计算中不改变)即瑞雷波相速度是这些模型参数的非线性函数，即

Vi= f(N,Vp,Vs,p,h,T) (1)

由于各层中其他参数对相速度影响很小，为减少变量，均作为Vs的函数对待，实际在迭代过程中修改的模型只有Hi和Vs。

由于各层中其他参数对相速度影响很小，为减少变量，均作为Vs 的函数对待，实际在迭代过程中修改的模型只有Hi和Vs。

以测线1为例进行微动处理反演曲线如图4所示，对应图5中的成果位置图，断面起始坐标为0,横坐标代表沿着测线方向距离，纵坐标代表埋深，5条断面起始坐标见表2。

图4 Line01反演曲线

图5 微动处理成果图

4、地下空间分析

利用5条微动测线的横波速断面处理结果，采用插值方法对本区域进行了空间重构，得到探区横波速度立体图及地下空间分布断面图，再通过切片方式对采空区发育及影响范围进行研究。在立体图上，可以更加直观的了解到裂隙空间展布，低速异常区域可以理解为裂隙发育较强区域，如图6所示。

表2 断面起始位置坐标

经分析后反映在地下空间分布断面图上，如图7所示。采用微动方法进行采空区探测理论基础在于，采空区上覆岩层发生变形破坏，会形成裂隙发育区域，堆积物松散区。

图6 横波速度立体图

地震波在不同地层介质中传播的速度不同，一般来说介质密度越高，传播速度越高，在基岩中地震波速相比砂土层、裂隙发育区、堆积物松散区中要高，利用这个特性可以在微动处理成果视横波速度断面图上，结合已有的地质地层资料对采空区位置分布可进行合理推测。

图7 地下空间分布断面图

从Line 01线波速断面图(图8(a))上看，距离0～220 m, 深度320～450 m横波速度略低于周围地层，说明此区域采空区上覆岩层部分破坏，空隙、裂隙较发育；距离220～360 m, 采空区上覆岩层尚未造成较大破坏，裂隙发育程度较弱。

图8 线波速断面图

从Line 02线波速断面图(图8(b))上看，深度350～440 m, 距离10～170 m采空区上覆岩层破坏程度较大，空隙、裂隙发育；深度150～220 m, 距离0～260 m横波速度明显低于周围地层，已经形成了基岩沉降；深度50～110 m, 距离170～260 m横波速度明显低于周围地层，可能受下覆基岩沉降影响形成了地表沉降；深度350～420 m, 距离170～270 m 出现低速异常，上覆岩层速度差异变化不大，表明此处采空区上覆岩层破坏较小。从Line 03线波速断面图(图8(c))上看，深度280～390 m横向范围内波速度明显低于周围地层，推断为冒落带，裂隙发育强；深度170～280 m, 距离150～350 m形成3条柱状裂隙发育带，裂隙发育较强。从Line 04线波速断面图(图8(d))上看，深度350～420 m, 距离0～200 m横波速度明显低于周围地层，推断为冒落带，裂隙发育强；深度250～320 m, 距离0～170 m横波速度明显低于周围地层，裂隙发育强；深度270～350 m, 距离170～320 m 横波速度略低于周围地层，属于中裂隙发育。从Line 05线波速断面图(图8(e))上看，深度300～380 m横向范围内波速度不均匀，部分区域速度值较低，说明此区域裂隙发育强，推断为冒落带；深度220～280 m, 距离0～150 m明显低速异常，推断为强裂隙发育区，上覆岩层受此区域影响形成柱状断裂带。

5、结论

(1)采用微动方法对采空区进行了空间重构，试验得出深度350～400m处为冒落带强裂隙发育带；深度250～300 m处为强裂隙发育带及中裂隙发育带；深度150～250 m为基岩沉降区；深度50～110 m受下覆基岩沉降影响形成了地表沉降，深度0～50 m基本未受影响。

(2)距离50～100m、250～300 m采空区上覆岩层的破坏程度大，空隙、裂隙发育强，距离100～250 m 采空区上覆岩层的破坏程度较大，裂隙发育较强。

(3)距离两帮50～100m处，深度350 m处为最佳注浆靶区。同时，根据裂隙带和冒落带发育特征，深度范围在250 m时大量裂隙发育，开始具备注浆潜力，为煤矸石采空区充填指明方向。

参考文献:

[1]王双明,魏江波,宋世杰,等.黄河流域陕北煤炭开采区厚砂岩对覆岩采动裂隙发育的影响及采煤保水建议[J].煤田地质与勘探,2022,50(12):1-11.

[2]范立民,孙魁.基于保水采煤的煤炭开采带与泉带错位规划问题[J].煤炭科学技术,2019,47(1):173-178.

[3]朱磊,古文哲,宋天奇,等.采空区煤矸石浆体充填技术研究进展与展望[J].煤炭科学技术,2023,51(2):143-154.

[4]张帅,冯国瑞,张东升,等.榆神矿区导水裂隙带高度多因素影响规律及保水采煤分区[J].太原理工大学学报,2023,54(2):301-312.

[5]刘佳维.充填开采围岩-充填体组合体系应力-位移演化及稳定性研究[D].徐州:中国矿业大学,2020.

[6]孙强.充填开采再造隔水关键层机理及方法研究[D].徐州:中国矿业大学,2019.

[7]陈阳洋.煤矿采空区的地震动力响应特性分析[D].青岛:山东科技大学,2017.

[8]马丽,金溪,贺正东.微动物探方法探测采空区[J].中国煤炭地质,2013,25(5):50-54.

[9]张伟龙,张杰,蔚保宁,等.综放工作面局部采空区浆体充填试验研究[J].煤炭技术,2023,42(6):10-15.

[10]肖洪飞.煤矿采空区裂缝识别方法研究[D].徐州:中国矿业大学,2022.

[11]汪北方,梁冰,张晶,等.浅埋煤层采空区岩体应力空间分布特征研究[J].采矿与安全工程学报,2019,36(6):1203-1212.

[12]李小琴,聂鑫,郝国才.煤矿采空区卸压空间分布特征研究[J].煤矿安全,2018,49(4):197-200.

[13]贾煦,孙建伟,刘向东,等.微动勘探与高密度电法在小尺度老采空区探测中的应用[J].中国地质调查,2022,9(6):42-50.

基金资助:陕西省煤田地质集团重大专项项目:陕北生态脆弱区采空区矸石水力充填关键技术研究(SMDZ-2022ZD-1) 陕西省重点研发计划一般项目:陕北生态脆弱区采空区矸石充填及生态效益评价(2023-YBSF-544);陕煤联合基金项目:煤矿高矿化度水形成机理及赋存规律研究——以陕北榆横矿区为例(2021JLM-14);

文章来源:刘龙吉,高博,高翔,等.微动勘探在查明采空区空间分布中的应用[J].陕西煤炭,2024,43(06):57-62.