宋津宇，白新飛*，張曉彤，張軍，徐蒙，于超，張松林，翟立民

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250100;2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

在采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)探測中，傳統(tǒng)的工程地質(zhì)鉆探由于鉆孔數(shù)量有限，很難全面地反映采空區(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查的難度和成本。而井間地震層析成像技術(shù)通過觀測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，因此利用地震層析成像技術(shù)不僅有利于全面細(xì)致地了解探測區(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。馮彥謙等[1]人闡述了井間地震層析成像的正反演技術(shù)；王立會(huì)等[2-5]利用井間地震勘查采空區(qū)，取得了較好效果；王俊茹等[6]研究了淺層地震勘探在采空區(qū)勘測中的應(yīng)用；王磊等[7-9]總結(jié)了淺層地震法在煤礦采空區(qū)勘探中的應(yīng)用；薛國強(qiáng)等[10-14]進(jìn)行了煤礦采空區(qū)幾種物理探測方法的應(yīng)用綜述。李天祺等[15]研究了利用井間地震勘探巖溶發(fā)育情況；嚴(yán)建文等[16-18]開展了井間地震方法和在石油勘探方面的研究；陳世軍等[19-20]總結(jié)了井間地震技術(shù)的現(xiàn)狀與展望；隋淑玲[17]開展了井間地震資料的屬性分析及應(yīng)用；本文工作選取濟(jì)南市章丘區(qū)小冶睦里片區(qū)，結(jié)合工程鉆探資料和煤礦實(shí)際開采資料，分析研究了井間地震層析成像技術(shù)在該地區(qū)采空區(qū)勘查中的可行性。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層構(gòu)造

研究區(qū)位于濟(jì)南市章丘市境內(nèi)，屬華北地層魯西地層分區(qū)。地表大部分為第四系覆蓋，西側(cè)沖溝有山西組、太原組零星出露。根據(jù)鉆孔資料，區(qū)內(nèi)地層自下而上依次為：奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭—二疊紀(jì)本溪組、太原組、山西組，第四紀(jì)大站組。

研究區(qū)構(gòu)造以斷裂為主。研究區(qū)位于濟(jì)東煤田圣井煤礦區(qū)域，井田位于雞山斷層與黃旗山斷層之間，黃旗山斷層為井田的東邊界斷層，雞山斷層位于圣井煤礦以西，2條斷裂構(gòu)成一個(gè)地壘構(gòu)造。研究區(qū)內(nèi)的含煤地層整體呈斷塊構(gòu)造，位于地壘中，含煤地層整體走向NW，傾向NE，地層傾角5°～15°，一般7°～8°。這2組大斷裂基本控制了研究區(qū)斷裂的形成和空間展布方向。

研究區(qū)大部分位于圣井煤礦礦井范圍之內(nèi)，主要含煤地層為太原組和山西組，共含煤13層，煤層總厚度3.5m，含煤系數(shù)為1.1%。太原組含4煤層，為煤7、煤9、煤10-2、煤13，可采煤層為煤7、煤9、煤10-2；山西組含煤3和煤4兩層，煤3、煤4為局部可采煤層。

1.2 地球物理特征

研究區(qū)內(nèi)采煤采空區(qū)和巖石破碎屬于地質(zhì)異常體。根據(jù)前期鉆孔揭露，本區(qū)揭露的采空區(qū)有灰?guī)r填充、巖石破碎多有方解石脈充填。充填方解石脈的破碎帶和充填灰?guī)r的采空區(qū)相對圍巖介質(zhì)(如完整的灰?guī)r、砂巖)波速相對較低，反演波速剖面圖中低速體應(yīng)為探測異常，采空區(qū)和破碎產(chǎn)生的低速異常與圍巖存在波速差異，這為研究區(qū)應(yīng)用井間地震層析成像技術(shù)勘探尋找采空區(qū)和破碎提供了良好的地球物理前提。研究區(qū)內(nèi)揭露巖土和巖體的波速數(shù)值見表1。

表1 常見巖土波速表

2 采空區(qū)井間地震層析成像技術(shù)勘查

2.1 基本原理

井間地震層析成像技術(shù)原理如圖1所示。在測區(qū)內(nèi)要有2口或更多鉆孔(井)。每次在一口井的相應(yīng)井段上，設(shè)置密集的震源點(diǎn)，在其預(yù)定的位置上安放震源，此為震源井；而在另一口井的相應(yīng)井段設(shè)置密集的接收點(diǎn)，布置若干接收檢波器，此為接收井。在震源井中規(guī)定間隔，逐點(diǎn)激發(fā)；在接收井中相應(yīng)深度規(guī)定間隔，逐點(diǎn)接收。人工在A井中依次激發(fā)地震波，B井中接收地震波，分析地震波場在A和B井間地層的分布規(guī)律，利用正演和反演算法得出波場范圍內(nèi)溶洞﹑裂隙﹑采空區(qū)﹑斷層等地質(zhì)構(gòu)造分布情況。

圖1 井間地震層析成像技術(shù)原理圖

2.2 野外工作方法

本次測試采用激發(fā)北京同度物探工程物探技術(shù)公司的TD-Sparker20KJ電火花震源型電火花震源和德國Geotomographie公司的水聽器，數(shù)據(jù)采集SUMMIT24通道數(shù)字地震儀。本次研究工作布設(shè)了井間地震層析成像共2組4個(gè)鉆孔，分別為ZK32-26與ZK32-27，ZK4-21與ZK3-21(圖2)。根據(jù)地質(zhì)任務(wù)及鉆孔深度等條件，選擇道距1m，炮距1m，共采集2對數(shù)據(jù)。

1—研究區(qū)范圍；2—勘查區(qū)范圍；3—煤3采空區(qū)；4—煤4采空區(qū)；5—煤9采空區(qū)；6—煤10-2采空區(qū)；7—井間地震鉆孔；8—勘查鉆孔圖2 研究區(qū)鉆孔、采空區(qū)平面圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 處理關(guān)鍵技術(shù)

在成像計(jì)算時(shí)必須知道首波(初至波)從激發(fā)點(diǎn)到接收點(diǎn)所走路徑，當(dāng)所測剖面比較均勻時(shí)可近似為兩點(diǎn)間連線(直射線)。當(dāng)異常體變化較大時(shí)，根據(jù)費(fèi)馬原理首波將沿走時(shí)最小的路徑傳播，要實(shí)現(xiàn)彎曲射線CT首先必須能夠快速計(jì)算出首波走時(shí)和路徑，通過應(yīng)用Dijkstra所提出的最佳路徑算法,成功解決了這一難題[21]，使得計(jì)算次數(shù)由O(N!)降為O(N2)。同時(shí)通過限定射線彎曲程度減少查找結(jié)點(diǎn)數(shù)可以進(jìn)一步提高成像速度。

在首先使用直射線方法對剖面成像后，這時(shí)剖面速度圖像是由許多正方形單元組成，每個(gè)單元內(nèi)波速可近似認(rèn)為均勻不變。據(jù)彈性波傳播原理射線只能在單元邊界上發(fā)生反射、折射或散射，因此進(jìn)行射線追蹤時(shí)，首先要對單元邊界進(jìn)行離散，選擇快速計(jì)算方法是只用邊界交點(diǎn)作為計(jì)算結(jié)點(diǎn)；精細(xì)計(jì)算方法是在單元邊界中間內(nèi)插一個(gè)結(jié)點(diǎn)，這樣精度有所提高但計(jì)算時(shí)間加長。由于彎曲射線是在直射線附近彎曲，如果用剖面內(nèi)所有結(jié)點(diǎn)來追蹤射線計(jì)算量很大且沒有必要，因此，規(guī)定在進(jìn)行射線追蹤時(shí)，以其激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)作為焦點(diǎn)所作橢圓內(nèi)進(jìn)行，則結(jié)點(diǎn)數(shù)可減少很多，從而提高計(jì)算速度。當(dāng)橢圓參數(shù)b(短軸距離)/c(焦距)=1/10時(shí)稱為小彎曲成像方法，適用于異常體較小的情況；當(dāng)橢圓參數(shù)b/c=1/5時(shí)稱為大彎曲成像方法，適用于異常較大的情況。

(1)

如果已知介質(zhì)波速變化范圍可使用約束條件 (1/Vmax)

2.3.2 資料處理流程

原始數(shù)據(jù)解編—噪聲去除—炮點(diǎn)觸發(fā)延遲校正—初至拾取—建立初始速度模型—走時(shí)層析反演計(jì)算。

圖3 井間地震走時(shí)層析成像反演計(jì)算方法流程圖

3 成果解譯

3.1 ZK32-26與ZK32-27跨孔CT成像

ZK32-26與ZK32-27跨孔CT成像如圖4所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)ZK32-26與ZK32-27鉆孔基巖面延伸的情況，并從該中心鉆孔與周圍鉆孔的彈性波CT速度剖面中，進(jìn)一步從橫向空間上劃定基巖界面展布方向、從縱向空間上進(jìn)行巖性劃分和異常圈定。

圖4 研究區(qū)ZK32-26與ZK32-27鉆孔CT成像

橫向上，深度范圍60～67m，橫向范圍0～18.2m，速度反演結(jié)果體現(xiàn)為低速分布，推斷為采空區(qū)；在深度范圍90～100m之間，橫向范圍0～18.2m，速度反演結(jié)果體現(xiàn)為低速分布，推斷為采空區(qū)；在深度范圍100～130m之間，橫向范圍10～18.2m，速度反演結(jié)果體現(xiàn)為低速分布，即在井ZK32-27一側(cè)巖石破碎；在深度范圍210～220m之間，橫向范圍0～18.2m，速度反演結(jié)果體現(xiàn)為低速分布，推斷為采空區(qū)。

本次ZK32-26與ZK32-27跨孔CT圈定的低速異常，與實(shí)際鉆孔資料吻合較好，對應(yīng)鉆孔資料可知是巖石破碎和采空區(qū)。速度反演結(jié)果圈定的低速異常如下：

(1)ZK32-26、ZK32-27的60～67m成像顯示為低速帶，推斷為三煤采空區(qū)。

(2)ZK32-26、ZK32-27的90～100m成像上顯示低速帶，推斷為四煤采空區(qū)。

(3)ZK32-26、ZK32-27的210～220m成像顯示低速帶，推斷為九煤采空區(qū)，上部20m受采空區(qū)塌陷影響，巖層松散破碎。

將速度反演結(jié)果與鉆探資料、煤礦實(shí)際開采資料結(jié)合分析，推斷ZK32-26與ZK32-27之間3煤、4煤、9煤層位上全部為采空區(qū)。

3.2 ZK4-21與ZK3-21跨孔CT成像

ZK4-21與ZK3-21跨孔CT成像如圖5所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)ZK4-21與ZK3-21鉆孔基巖面延伸的情況，并從該中心鉆孔與周圍鉆孔的彈性波CT速度剖面中，進(jìn)一步從橫向空間上劃定基巖界面展布方向，從縱向空間上進(jìn)行巖性劃分和異常圈定。

圖5 研究區(qū)ZK4-21與ZK3-21鉆孔CT成像

在深度范圍0～70m、橫向范圍30～43m，速度反演結(jié)果體現(xiàn)為低速分布，反應(yīng)巖石破碎；在深度范圍65～80m之間，速度反演結(jié)果體現(xiàn)為低速分布，即在井ZK3-21、ZK4-21之間存在采煤采空區(qū)。

本次ZK4-21與ZK3-21跨孔CT圈定的低速異常，與實(shí)際鉆孔資料吻合較好，對應(yīng)鉆孔資料可知是巖石破碎和采空區(qū)，速度反演結(jié)果圈定的低速異常如下：

(1)在深度范圍0～70m、橫向范圍30～43m之間，速度反演結(jié)果體現(xiàn)為低速分布，反應(yīng)巖石破碎。

(2)在深度范圍65～80m之間，速度反演結(jié)果體現(xiàn)為低速分布，反應(yīng)在井ZK3-21、ZK4-21之間存在采空區(qū)；將速度反演結(jié)果與鉆探資料、煤礦實(shí)際開采資料結(jié)合分析，推斷ZK3-21與ZK4-21之間4煤層位上全部為采空區(qū)。

3.3 采空區(qū)覆巖發(fā)育特征

根據(jù)兩對井孔的速度反演結(jié)果推斷的采空區(qū)層位，推斷3煤、4煤、9煤垮落帶和裂隙帶高度見表2：

表2 采空區(qū)覆巖發(fā)育特征表

3煤層采空區(qū)覆巖跨落帶高度范圍為2.0～2.8m，可采區(qū)內(nèi)3煤層平均采高0.6m，則跨落帶高度為采高的3.3～4.7倍；裂隙帶高度范圍為10.5～13.2m，可采區(qū)內(nèi)3煤層平均采高0.6m，則裂隙帶高度為采高的17.5～22.0倍。

4煤層采空區(qū)覆巖跨落帶高度范圍為1.8～4.6m，可采區(qū)內(nèi)4煤層平均采高0.6m，則跨落帶高度為采高的3.0～7.7倍；裂隙帶高度范圍為11.6～16.0m，可采區(qū)內(nèi)4煤層平均采高0.6m，則裂隙帶高度為采高的19.3～26.7倍。

9煤層采空區(qū)覆巖跨落帶高度范圍為0.9～6.5m，可采區(qū)內(nèi)9煤層平均采高1.3m，則跨落帶高度為采高的0.7～5.0倍；裂隙帶高度范圍為18.6～30.2m，可采區(qū)內(nèi)9煤層平均采高1.3m，則裂隙帶高度為采高的19.3～23.2倍。

4 結(jié)論

(1)綜合研究表明，巖石破碎異?？v波速度為1800m/s，采空區(qū)異?？v波速度為1400m/s，與實(shí)驗(yàn)得出的劃分依據(jù)相吻合，同時(shí)證明了所得速度范圍的可靠性，可以把試驗(yàn)所得速度范圍應(yīng)用于該區(qū)的巖性劃分和異常圈定。

(2)鉆孔揭露各巖層分層深度與井間地震層析成像技術(shù)解譯推斷巖性劃分深度較為一致，采空區(qū)深度與井間地震層析成像技術(shù)解譯異常位置也大致吻合；鉆孔數(shù)量有限，鉆孔間的采空區(qū)通過井間地震層析成像技術(shù)推斷，可以較為完整、全面地反映采空區(qū)的大小、形態(tài)及空間分布。使得井間地震層析成像技術(shù)在采空區(qū)勘查中成為一種有效的補(bǔ)充手段，提高了采空區(qū)判別的準(zhǔn)確性，具有較高的可行性與實(shí)用性。