工程案例 /CASE

地震頻率諧振技術在深埋煤層采空區探測中的應用

作者：admin 瀏覽：1804 發表時間：2020-05-05

朱聰聰，李海

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

第一作者簡介：朱聰聰，男，工程師，碩士，主要從事工程物探應用與研究。

導讀：煤礦采空區探測在鐵路工程的建設中具有重要意義,常規物探手段受限于抗干擾能力弱、縱向分辨率低等問題,對深埋煤層采空區的探測效果都不太理想,因而急需尋求一種有效的新型物探手段。為此,本次研究在對以往采空區探測經驗進行研究和總結的基礎上,針對川東地區深埋煤層采空區,首先采用地震頻率諧振技術進行了探測;然后對探測成果進行分析和解釋,分析研究了采空區的地球物理和空間展布特征;最后進一步對成果的深度進行標度和物性驗證。鉆孔結果顯示,物探和鉆探結果對應均較好。表明,本次研究將地震波頻率諧振勘探技術應用于深埋煤層采空區的探測取得了良好的效果,對鐵路隧道范圍內深埋煤層采空區的探測有很重要的借鑒和指導意義。

關鍵詞：深埋；煤層采空區；地震頻率諧振技術

內容提綱

0 引言

1 工區概況

2 工作原理及方法

3數據處理與資料解釋

4鉆探深度標定與物性驗證

5 結論

0 引言

煤層采空區在鐵路施工和運營安全中存在重大隱患，鐵路選線時一般盡量繞避，當必須通過時，應該查明其地質及空間展布特征，對其進行安全性評價并提出工程措施意見。因此,對煤層采空區的分布規律、規模、埋深等情況的探測尤為重要。目前國內在探測采空區方面開展了大量的地球物理方法和勘探設備的研究工作，并取得了顯著成果。例如，牟義等以鄂爾多斯范家村煤礦為工程背景，采用高密度電法對淺埋采空區精細探測體系進行了研究；徐曉培采用瞬變電磁法對某煤礦采空區的分布特征進行了探測；王延濤等在山西中南部鐵路勘察期間，曾嘗試電磁法對潞安北礦區內峪里、掩村村辦小煤礦的采空區進行探測，但工區附近由于電磁信號干擾嚴重導致效果較差。在深埋煤層采空區，常規的物探手段受限于抗干擾能力弱、縱向分辨率低等問題，效果并不太理想，故本次針對川東地區深埋煤層采空區探測，采用新型物探手段地震頻率諧振技術，分析研究采空區的地球物理特征，進而查明其空間展布特征。

1工區概況

線路段內以沉積巖類為主，第四系土層較薄，且零星分布，基巖出露相對較好。工區地層自上而下依次為第四系地層粉質黏土，局部夾含較多崩坡積塊、碎石和角礫，厚約5m；下伏侏羅系粉砂質泥巖、泥巖、粉砂巖，厚約300~400m；三疊系粉砂質泥巖、泥巖、煤層組成，為區內主要含煤地層，厚約500m。根據已有井田勘探報告和煤礦揭露，隧道區內可采和局部可采煤層共計5層，賦存于須家河組第七段（T3xj7）的有K25、K24、K23、外連和內連煤層，其中K25、K23、外連和內連煤層為區內主要可采煤層，本次主要對隧道及兩側圍護帶寬度下伏最下一層煤層（內連）邊界角圈定區域（兩側寬度約300m范圍內）內的煤礦采空區進行探測和評價，本次物探工作的主要目的是查明工區內采空區的大小及范圍、采空區塌陷范圍及邊界等情況。

2 工作原理及方法

2.1方法原理

地震波頻率諧振勘探技術是近幾年提出的一種新興物探方法。該方法利用自然界廣泛存在的頻率諧振原理來進行地震勘探，獲得地下地質體的幾何、屬性特征。自然界每一種物體都有自身的固有頻率，地下介質也完全一樣，當其受到振動，且振動頻率與自身固有頻率相當時，介質將發生自激，外界輸入的震動振幅將被放大，圖1為地震波典型共振圖。地震波也存在諧振特征，地震波頻率諧振勘探技術就是基于諧振原理，通過自然界噪聲采集、處理、成像，達到對地下介質的探測目的。該方法具有以下幾種特點:

1）不受地震波初至影響，避免了初至拾取造成的誤差；

2）抗干擾能力很強，對復雜地表情況有更強的適應性；

3）對密度變化敏感；縱向和橫向分辨率很高；勘探深度大，最大勘探深度可達50km；

4）可以進行無源方式采集和數據處理；

5）作業簡單快速，經濟環保。

鑒于本次探測煤層埋深超-300m，上覆厚層碎屑巖，且區內電磁干擾較大。地層存在波阻抗差異，如煤層一般呈低速度、低密度的物性特征。當煤層被開采后，頂板巖石垮落、破碎、產生裂隙變形，會造成圍巖速度和密度發生變化，與完整基巖有明顯的速度、密度差異，存在明顯的波阻抗特征，在波阻抗剖面上表現為連續性變差等現象。測區具有開展地震波頻率諧振勘探法的地球物理前提。因此，本次物探方法選用地震波頻率諧振勘探法。

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2.2 工作方法

本次地震波頻率諧振勘探選用北京派特森科技股份有限公司生產的型號PSG-PAQ-001的采集站及頻率成像儀，頻帶寬度為0.05~150Hz，該設備是一種寬頻帶、微功耗地震儀；施工前進行道間一致性試驗，保證各道間幅度一致性小于5%，道間相位差小于0.1ms；點距5m，采集時長不低于40 min，共對3條橫測線合計1930m長度進行了地震波頻率諧振探測，測線布置以盡可能垂直隧道兩側煤礦采空區調查邊界為原則，以探測影響隧道施工安全的采空區范圍（兩側寬度約300m）為目的。測線示意圖見圖2。

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3 數據處理與資料解釋

3.1 數據處理

地震波頻率諧振勘探法利用S波諧振頻率對地下介質波阻抗變化的敏感性完成地下一定深度的地質體成像。地下某介質波阻抗率對應某一特定的地震諧振頻率。分析諧振頻率可以同時獲得地下介質位置和波阻抗率（或稱梯度）信息。數據處理采用派特森公司地震波頻率諧振勘探數據處理PSGBench軟件系統，具體流程如下:

1）外業采集的地下介質響應信號形成地震波頻率諧振勘探時間序列數據；

2）對采集的地震波頻率諧振勘探時間序列數據進行濾波處理；

3）將處理后的數據經過波場分析后通過傅里葉變換形成頻率域數據；

4）對頻率域數據的各分量進行多次疊加，獲得多次疊加數據；

5）對疊加后的頻率域數據進行噪音壓制和磨光處理；

6）對頻率域數據進行諧振遴選和深度分析即可得到整個探測剖面的S波波阻抗圖。

3.2 資料解釋原則

工區地層巖性反應出的波阻抗分布范圍較大，從幾百kg/(m2·s)到三千多kg/(m2·s)不等。根據物探反演結果結合地質資料，推測工區巖層及目的層的波阻抗對應關系可知:

①泥質砂巖、泥巖、砂巖的波阻抗范圍為1400~1900kg/(m2·s)；

②煤層及煤層采空區的波阻抗范圍為800~1500kg/(m2·s)。

煤層采空區在地震上的地球物理特征主要取決于采空區與圍巖之間的速度及密度差異(波阻抗差異)。采空區由于其周圍巖石多為脆性，因此在采空冒落帶內通常為碎石、空氣和水充填，新形成的采空區一般存在波阻抗低值。裂隙帶、彎曲帶由于巖石所受應力的變化，導致在此兩帶內的巖石多呈疏松狀，其速度、密度有所降低。煤系地層多夾軟弱巖層，相對完整巖層，呈現低阻波阻抗反應帶，波阻抗異常比較明顯。

3.3探測成果解釋與分析

對上述三條橫測線成果進行分析和解釋，詳見表1，反演成果圖見圖3~圖5。

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