地震频率谐振技术在深埋煤层采空区探测中的应用

2023-01-30 14:50:40 psg 98

地震频率谐振技术在深埋煤层采空区探测中的应用

朱聪聪，李海

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

第一作者简介：朱聪聪，男，工程师，硕士，主要从事工程物探应用与研究。

导读：煤矿采空区探测在铁路工程的建设中具有重要意义,常规物探手段受限于抗干扰能力弱、纵向分辨率低等问题,对深埋煤层采空区的探测效果都不太理想,因而急需寻求一种有效的新型物探手段。为此,本次研究在对以往采空区探测经验进行研究和总结的基础上,针对川东地区深埋煤层采空区,首先采用地震频率谐振技术进行了探测;然后对探测成果进行分析和解释,分析研究了采空区的地球物理和空间展布特征;最后进一步对成果的深度进行标度和物性验证。钻孔结果显示,物探和钻探结果对应均较好。表明,本次研究将地震波频率谐振勘探技术应用于深埋煤层采空区的探测取得了良好的效果,对铁路隧道范围内深埋煤层采空区的探测有很重要的借鉴和指导意义。

关键词：深埋；煤层采空区；地震频率谐振技术

内容提纲

0 引言

1 工区概况

2 工作原理及方法

3 数据处理与资料解释

4 钻探深度标定与物性验证

5 结论

0 引言

煤层采空区在铁路施工和运营安全中存在重大隐患，铁路选线时一般尽量绕避，当必须通过时，应该查明其地质及空间展布特征，对其进行安全性评价并提出工程措施意见。因此,对煤层采空区的分布规律、规模、埋深等情况的探测尤为重要。目前国内在探测采空区方面开展了大量的地球物理方法和勘探设备的研究工作，并取得了显著成果。例如，牟义等以鄂尔多斯范家村煤矿为工程背景，采用高密度电法对浅埋采空区精细探测体系进行了研究；徐晓培采用瞬变电磁法对某煤矿采空区的分布特征进行了探测；王延涛等在山西中南部铁路勘察期间，曾尝试电磁法对潞安北矿区内峪里、掩村村办小煤矿的采空区进行探测，但工区附近由于电磁信号干扰严重导致效果较差。在深埋煤层采空区，常规的物探手段受限于抗干扰能力弱、纵向分辨率低等问题，效果并不太理想，故本次针对川东地区深埋煤层采空区探测，采用新型物探手段地震频率谐振技术，分析研究采空区的地球物理特征，进而查明其空间展布特征。

1 工区概况

线路段内以沉积岩类为主，第四系土层较薄，且零星分布，基岩出露相对较好。工区地层自上而下依次为第四系地层粉质黏土，局部夹含较多崩坡积块、碎石和角砾，厚约5m；下伏侏罗系粉砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，厚约300~400m；三叠系粉砂质泥岩、泥岩、煤层组成，为区内主要含煤地层，厚约500m。根据已有井田勘探报告和煤矿揭露，隧道区内可采和局部可采煤层共计5层，赋存于须家河组第七段（T₃xj⁷）的有K25、K24、K23、外连和内连煤层，其中K25、K23、外连和内连煤层为区内主要可采煤层，本次主要对隧道及两侧围护带宽度下伏最下一层煤层（内连）边界角圈定区域（两侧宽度约300m范围内）内的煤矿采空区进行探测和评价，本次物探工作的主要目的是查明工区内采空区的大小及范围、采空区塌陷范围及边界等情况。

2 工作原理及方法

2.1 方法原理

地震波频率谐振勘探技术是近几年提出的一种新兴物探方法。该方法利用自然界广泛存在的频率谐振原理来进行地震勘探，获得地下地质体的几何、属性特征。自然界每一种物体都有自身的固有频率，地下介质也完全一样，当其受到振动，且振动频率与自身固有频率相当时，介质将发生自激，外界输入的震动振幅将被放大，图1为地震波典型共振图。地震波也存在谐振特征，地震波频率谐振勘探技术就是基于谐振原理，通过自然界噪声采集、处理、成像，达到对地下介质的探测目的。该方法具有以下几种特点:

1）不受地震波初至影响，避免了初至拾取造成的误差；

2）抗干扰能力很强，对复杂地表情况有更强的适应性；

3）对密度变化敏感；纵向和横向分辨率很高；勘探深度大，最大勘探深度可达50km；

4）可以进行无源方式采集和数据处理；

5）作业简单快速，经济环保。

鉴于本次探测煤层埋深超-300m，上覆厚层碎屑岩，且区内电磁干扰较大。地层存在波阻抗差异，如煤层一般呈低速度、低密度的物性特征。当煤层被开采后，顶板岩石垮落、破碎、产生裂隙变形，会造成围岩速度和密度发生变化，与完整基岩有明显的速度、密度差异，存在明显的波阻抗特征，在波阻抗剖面上表现为连续性变差等现象。测区具有开展地震波频率谐振勘探法的地球物理前提。因此，本次物探方法选用地震波频率谐振勘探法。

2.2 工作方法

本次地震波频率谐振勘探选用北京派特森科技股份有限公司生产的型号PSG-PAQ-001的采集站及频率成像仪，频带宽度为0.05~150Hz，该设备是一种宽频带、微功耗地震仪；施工前进行道间一致性试验，保证各道间幅度一致性小于5%，道间相位差小于0.1ms；点距5m，采集时长不低于40 min，共对3条横测线合计1930m长度进行了地震波频率谐振探测，测线布置以尽可能垂直隧道两侧煤矿采空区调查边界为原则，以探测影响隧道施工安全的采空区范围（两侧宽度约300m）为目的。测线示意图见图2。

3 数据处理与资料解释

3.1 数据处理

地震波频率谐振勘探法利用S波谐振频率对地下介质波阻抗变化的敏感性完成地下一定深度的地质体成像。地下某介质波阻抗率对应某一特定的地震谐振频率。分析谐振频率可以同时获得地下介质位置和波阻抗率（或称梯度）信息。数据处理采用派特森公司地震波频率谐振勘探数据处理PSGBench软件系统，具体流程如下:

1）外业采集的地下介质响应信号形成地震波频率谐振勘探时间序列数据；

2）对采集的地震波频率谐振勘探时间序列数据进行滤波处理；

3）将处理后的数据经过波场分析后通过傅里叶变换形成频率域数据；

4）对频率域数据的各分量进行多次叠加，获得多次叠加数据；

5）对叠加后的频率域数据进行噪音压制和磨光处理；

6）对频率域数据进行谐振遴选和深度分析即可得到整个探测剖面的S波波阻抗图。

3.2 资料解释原则

工区地层岩性反应出的波阻抗分布范围较大，从几百kg/(m²·s)到三千多kg/(m²·s)不等。根据物探反演结果结合地质资料，推测工区岩层及目的层的波阻抗对应关系可知:

①泥质砂岩、泥岩、砂岩的波阻抗范围为1400~1900kg/(m²·s)；

②煤层及煤层采空区的波阻抗范围为800~1500kg/(m²·s)。

煤层采空区在地震上的地球物理特征主要取决于采空区与围岩之间的速度及密度差异(波阻抗差异)。采空区由于其周围岩石多为脆性，因此在采空冒落带内通常为碎石、空气和水充填，新形成的采空区一般存在波阻抗低值。裂隙带、弯曲带由于岩石所受应力的变化，导致在此两带内的岩石多呈疏松状，其速度、密度有所降低。煤系地层多夹软弱岩层，相对完整岩层，呈现低阻波阻抗反应带，波阻抗异常比较明显。

3.3 探测成果解释与分析

对上述三条横测线成果进行分析和解释，详见表1，反演成果图见图3~图5。