地震频率谐振技术在煤矿采空区“三带”中的应用及效果分析
李小瑞1 ，田 原1 ，王光民2 ，薛爱民1 ，王 超2 ，王正茂1 ，闫宪洋2
1．北京派特森科技股份有限公司，北京 100085;
2．兖矿能源集团股份有限公司，山东 邹城 273500
摘 要:针对煤矿采动过程中易发生覆岩破坏形成“三带”，对矿井生产安全造成威胁的问题，以东滩煤矿6303工作面的探测工作为例，运用地震频率谐振技术，对采动过程中“三带”的形成过程进行了一次空间和时间上的综合观测，并通过波阻抗剖面进行了直观的呈现。研究结果表明，应用地震频率谐振技术可以获得地下地质体微弱的波阻抗变化，成果剖面也验证了该方法的科学合理性; 同时该方法施工简便高效，即使作为一项新的探测技术，对于更精确地研究“三带”分布状况仍具有积极的指导意义，可为同类煤矿开展相同工作提供技术借鉴。
关键词: 地震频率谐振技术; 采空区; “三带”分布; 煤矿工程
中国是煤炭生产大国，短时间内，煤炭资源依旧会在我国的能源经济体系中占据至关重要的地位［1］。随着煤炭开采力度不断增加，浅层煤炭资源逐渐开采殆尽，当前煤炭开采的深度也越来越大，伴随而来的技术难度和安全风险也越来越高［2］。加强采空区“三带”分布规律的研究对于掌握采场力学特征，指导安全生产具有重要意义。由于我国煤炭资源赋存条件复杂，超过半数的煤炭资源埋藏在深部(700～1000m以上的开采深度) ，因此，在煤矿生产过程中“三带”形成的研究一直备受重视。薛爱民等［3］应用三维地震勘探方法对济宁二矿覆岩离层进行了探测研究，该研究在数据振幅保真处理的基础上，通过地震属性分析对因地下采矿活动导致的离层发育情况进行了试验，初步揭示了覆岩离层的形态。伍泽东等［4］应用大型计算机和有限元技术对该地区的离层和整体覆岩下沉的力学特征进行了数字模拟，得到了覆岩离层空间几何形态参数，验证了算法的适用性及有效性。但事实上，即便采用了上述成熟的技术手段，也仍未达到清晰地反映“三带”具体地质特征的要求，如覆岩垮落形式、导水裂隙带发育情况等。为了揭示采空区“三带”分布特征，以东滩煤矿63上03 工作面开展的物探工作为背景，通过引入地震频率谐振技术，借助勘探剖面，对采空区“三带”进行空间成像，同时也对采动过程中不同时间段的不同地质特征及空间属性特点进行分析。该方法是少有的将实测剖面结果直接应用于“三带”研究，并通过勘探剖面直观地给出目标空间范围内不同波阻抗值所代表的地质体结构和属性，尝试为煤矿开采活动更精确地研究“三带”分布状况提供一种新的高精度探查技术手段。
1.1 地震频率谐振技术的发展及原理
地震频率谐振勘探技术是一种新的地震勘探理念［5］，与常规的地震勘探和人们目前所熟悉的噪声地震勘探( 如各种面波法、H /V 谱比法等) 基本理论有所区别。其主要利用的是地球震动噪声与地下地质体间的“谐振”关系进行勘探，成像结果为波阻抗或波阻抗比率剖面，该技术不受激发源条件的限制，能够很好地解决复杂地质地区的精细勘探问题。
众所周知，任何介质都存在固有频率，波场在从地下传播到地面的过程中会与地质体发生谐振，此时可以将被大地调谐后的谐振场的振幅谱 W（c,f）写成:
W（c,f） = In(f) ·M( C，f) ． (1)
式中:M(C,f)为传递函数;In(f)为激励场函数; C 是与地质参数相关的函数; f 为信号频率。整个表达式是一个频率域滤波的放大器公式。
在此，假设激励源场 In(f) 为平面波，为了获得目标区地下介质参数，则式(1) 可改写为:
M(C,f) = W (C,f)/ In(f)． (2)
而放大倍数的理论公式为:
M(理论) ∝ func{ 1 /[ cos 2 (θ)+ Z1/Z2 sin2(θ) ] } ． (3)
式中: θ 为地下波场与水平地面的夹角，( °) ; Z1 为上层波阻抗值，( g /m3 ·m /s) ; Z2 为下层波阻抗值，( g /m3 ·m /s) 。
当θ = 90°时，发生谐振，由于地面测量的噪声振幅谱均为谐振产物的统计学认识，此时 M 仅仅是Z1和 Z2的函数，即: M( w)∝ func{[Z2/Z1]} ．(4)上式说明，放大倍数函数与地层的关系式存在确定的表达式，当有了放大倍数( 传递函数)时，则可以反过来计算出地层参数，当采用一级近似后就有:
Z1/ Z2 = W (cf) / In(f)． (5)
式中: Z1 为一级近似后的上层波阻抗值，g /m3 ·m/s; Z2 为一级近似后的下层波阻抗值，g /m3 ·m /s。
由此，便可获得地下介质的不同地层波阻抗比率值，进而反演获得波阻抗参数或密度参数。以上便是地震频率谐振技术的最基本原理。 目前，地震频率谐振技术已日趋成熟，该技术呈现的高精度图像提高了对地质体密度差异的鉴别能力，所呈现目标空间范围内的高精度图像中不同的波阻抗比率值代表地下地质体结构和属性发生的变化。已逐渐成为了一种新的、有效的地球物理勘探技术手段。
1.2 地震频率谐振技术的特点
地震频率谐振技术主要有以下特点:
1) 处理过程中，将常规地震勘探的多次迭加技术引入其中，压制大量的无用信号噪声，使得地震频率谐振下的地震数据信号占优，体现出良好的抗非地质噪音能力。2) 通过对采集设备造成的非一致性进行合理校正，实现了检波器的单点采集与布设，相比传统的地震勘探，提高了作业效率，大大降低了施工成本。3) 通过对不同时间采集的噪声信号进行时间波动校正，获得了稳定的不随时间变化的激励场源， 进一步提高了该技术的浅层勘探能力和深层分辨率。
2 工区现状及数据采集处理
2.1 工区现状
东滩煤矿地跨邹县、兖州、曲阜三县，位于兖州煤田中部的东面。1979 年开始兴建，1989年进入商业投产。原设计生产能力400 万t /a，2015 年山东省对“两类”煤矿进行了生产能力重新核定，东滩煤矿核定生产能力现为 750 万t /a。东滩煤矿采用立井开拓，目前生产水平为第一水平(－660 m) ，共布置有7片采区，分别为东翼一、三、五、七采区，西翼四采区，北翼十四采区，南翼六采区。其中，三、六与十四采区为目前生产采区，五、七采区尚未准备。第一水平主采3号煤层，平均厚度8.4 m，目前开采深度在480 ～778 m，属于中深层开采，煤层倾角小，宽缓褶皱发育。采煤方法以后退式走向长壁顶板垮落法为主，综采放顶煤和综采两种采煤工艺，相邻工作面顺槽采用小煤柱沿空掘巷布置［6-9］。本次进行数据采集的 63上03工作面位于六采区中部，如图 1 所示。该工作面自生产以来，已发生多次矿震事件，且多集中在工作面后方采空区内。2018 年11月工作面开始回采，截止地震频率谐振数据采集工作开展时，已推进超过390m。本次工作是首次在煤矿作业环境中实现地面以下750m以浅空间范围内，地下介质和地质异常体( 裂隙、风化、夹层) 纵向辨识率≤10m的地球物理成像。
2.2 数据采集
为查明工作面老顶垮落步距和上覆岩层“三带”分布状况，在此研究工作面周期来压规律以提供可靠的地球物理参数。针对目标区域设计了2D测线7 条，其具体部署如图2所示。其中6条( 即L7，L8，L9，L10，L11，L12 线) 分别长300 m，剩余 1条( L13 线) 长150 m，部署总长度共1950 m，检波点点距 5 m，共采集数据点397 个，单点数据采集时长不少于45 min。整个数据采集过程配合采场的生产作业安排分批进行，图 2 中 L7、L8、L9、L10、L11等测线采集时间为同一时间段( 2019年5月7 日－11日) ，L12 和 L13 测线则为距此3个月后( 2019 年8 月7 日－11 日) 所采集。
3 数据分析
从时间上看，L7、L8、L9 三条测线的小号端点处在开始进行数据采集时，距离采动作业已经过去约1个月，直到数据采集工作行进至与L11线交叉位置时采掘工作刚刚开始。而等到L12和L13线开始进行数据采集时，L7、L8、L9 测线小号端的采动作业已经过去超过 3 个月时间。据此结合经验可初步判断，L7、L8、L9 测线大号端点应能够见到未采动时覆岩的基本状态或较为微弱的覆岩扰动，而在小号点处应能够见到覆岩采动后的“三带”空间分布状况。L10和L11线数据采集时，剖面处于已经采动的环境且位于距离工作面较近位置，结合测线与工作面二者的方位关系，推测其覆岩扰动应在波阻抗剖面图上出现同一规律性的特征。而L12和L13线与上述5条线的数据采集时间相隔了3个月，此时的波阻抗剖面应该出现与上述测线不同的扰动状况。据此，我们以其中的L7线和L13线为例，依次单独和整体在空间和时间上做对应的地质属性分析。
3.1 L7线空间地质属性分析
L7测线的波阻抗反演剖面图如图3所示。工作面推进方向从测线小号点向大号点方向进行，结合地面数据采集时间和工作面推进时间节点，地下采掘工作面在测线上的空间分布大致在7250 号测线位置。所揭示的视波阻抗值具有以下特征。1) 以475m处作为分界，越向下图像越凌乱，此现象直到采掘底板750 m 处，超过煤层采掘底板后该现象消失，越向上则在水平方向保持得越完整。该现象说明475m深度以上的岩石硬度较大，特别是其下存在一套砂泥岩，构成较大规模的离层，从而暂时阻隔了裂隙向上覆岩石的发育。由此推断，475m深度以下可定义为“冒落带”和“裂隙带”，两者的界限推测在710～650m深处。最大离层可能发生在475m处，因为这里是较为坚硬的砂岩与下伏页岩的分界。
2) L7线在700m深度以下到煤层底板具有非常低的波阻抗现象。综合考虑空间位置、采掘时间和岩石的不均匀性、底板深度( 750 m 左右) 以及数据处理的误差等，推测在原始数据采集时，该处岩石已经达到最大的垮塌程度。3) 在一个大的跨度带内，波阻抗值存在系列不规则块体结构，该结构由 475m深度向下由大逐渐变小，最下方块体较小，但其最大尺寸也未超过20 m。此现象可能反映岩石在采动状态下的破裂程度，块体规模越小说明岩石碎裂程度越高。
3.2 L13 线与L7线时间地质属性分析
由于L13线是在L7线采集后的3 个月进行的数据采集，且二者的测线方位基本与工作面走向一致。因此，我们将L13线与L7线进行数据衔接后做整体反演处理，如图4所示( 黑色虚线代表两段测线的衔接位置) ，用来对比采动后不同时刻的地下岩石基本特征，由图可知:1) L13测线分段的整体波阻抗值对比L7测线分段均较低，特别是150 ～ 300m深度部位，二者差异明显。这说明在L13线进行数据采集时，浅层缓慢沉降带的岩石由于长时间的裂隙扰动，已经造成了整体下沉; 而在L7线的原始数据采集时刻，浅层缓慢沉降带的岩石还未出现规模性裂隙扰动，也就没有出现明显的下沉现象。
2) L13 测线分段的覆岩分带视波阻抗值差异没有L7测线分段明显，推测为前者“冒落带”岩石已基本就位，“裂隙带”岩石也开始下沉并趋于稳定，“沉降带”岩石则开始整体沉降。3) L13 测线分段的300 ～475 m 处，波阻抗值明显低于L7测线分段上相同水平位置的波阻抗值，表明前者在该深度的小型“裂隙带”由时间的推移已经演变成了裂隙群，并存在差异性下沉离层现象。4) L13 测线分段的550～720m 处，波阻抗值明显高于L7测线分段上同位置的波阻抗值，表明随着时间的推移，到L13测线的原始数据采集时刻，在历经了3—4个月的岩石坍塌下沉后，覆岩的垮塌堆积已经上延到深度 550 m 处，而在L7测线的数据采集时刻，该过程可能刚刚开始。
4 结论
1) 根据地震频率谐振技术研究结果，可推测出在采动后1个月内，沿采掘方向覆岩分带破碎形成的断裂角度大致为60° ～62°，符合岩石破裂摩尔准则。2) 通过L7线的波阻抗剖面，在空间上可以界定出各带之间的深度界线。证明地震频率谐振技术有能力揭示采动后“三带”的分布范围。3) 通过L13与L7测线的合并数据剖面，将不同时空的岩石沉降特征直观地进行呈现，证实了岩石破碎、裂隙发育的程度和空间分布范围与采动后的时间变化关系极大。4) 地震频率谐振技术通过获取地下介质的波阻抗变化揭示了“三带”从发生、发展至稳定的这一动态过程，为煤矿采空区探测提供了一种简便且有效的技术手段。
原文来源：山西煤炭.２０２３年3月.第４３卷 第1期
DOI: 10.3969 /j.issn.1672-5050.2023.01.016
