采空区的地震波场特征
三维地震技术在探测煤矿腔状采空区中的应用
Ａｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ Ｄ ｅｓ ｉ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ Ｃｏ ｌ ｎ “ ｖ ｔ — ｈ ｐ ｄ”Ｇｏ ｅ ｔ ｃ ｉ ｎ ｐ ｉ ｔ ｆ３ Ｓ ｉ ｃ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ａ ｍｉ ｅ Ｃａ ｉｙ ｓ ａ ｅ ｃ ｏ ｍ ｂ Ａｒ ａ Ｄｅ ｅ ｔ ｏ
Ｄｕ ｎＪａ ｈ ａ， ｎ ｅ ｑａ ｇ ｎ ｎ ｕ ａ ｉｎ ｕ Ｙａ ｇＷ ｎ ｉｎ ａａ ｄ Ｎｉ Ｘｉｈ ｉ
第２ ２卷 ８ 期 ２１ ０ ０年 ８月
ｄ ｉ１．９９ ．ｓ．６ ４ １０ ．０ ００ ．６ ｏ：０３６ ０ｉ ｎ１７ － ８ ３２ １．８０ ｓ
文章 编号 ：６４ １０ （００ ０ —０ １０ １７ — ８ ３２ １ ）８ ０２ — ４
中 国 煤 炭 地 质
Ｃ０ＡＬ ＧＥＯＬＯＧＹ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
充气时产生的反射波频率 比充水时产生的反射波频率要低 。山西左权佳瑞煤业有 限公 司的应用 实例佐证 了三维地
震 勘 探 技 术探 测 腔 状 采 空 区 的有 效 性 。 关键词 ： 状采空区 ； 射波频谱 ； 射波振幅 ； 震波场 ； 腔 反 反 地 三维 地 震 勘 探
中图 分 类 号 ： ６ １ Ｐ ３． ４ 文献标识码 ： Ａ
摘 要 ： 用 三 维 地 震 勘 探方 法对 采 空 区进 行 勘 探 ， 积 累 了大 量 的经 验 ， 在 实 际 应 用 中 ， 释 误 差 依 然 存 在 ， 采 虽 但 解 尤其 是 煤 层 顶 板悬 空 ， 在 一 定 范 围 内呈 “ 状 ” 型 的 采 空 区 ， 出现 较 高 的 “ 检 率 ” 为 此根 据 实 际地 层 序 列设 计 了 并 腔 类 会 漏 。 地 质 模 型 ， 采 空 区的 地 震 反射 波场 特 征 进 行 了研 究 。 腔状 采 空 区充 气 、 对 将 充水 时 的正 演 地 震 剖 面 ， 煤 层 开 采 前 正 与 常 地 层 波场 响应 特 征 进 行 对 比发 现 ， 层 开 采 后将 会 产 生 比 正 常 波场 能量 更 强 的 反 射 波 组 。 外 根 据 腔 状 采 空 区充 煤 另 水 和 充 气 反射 波最 大振 幅及 反 射 波 频 谱 对 比结果 ， 发 现 充 气 时 产 生 的 反 射 波 能 量 比充 水 时 产 生 的反 射 波 能 量 强 ； 还
老窑采空区的三维地震勘探技术
幅、 频率 、 相位 以及衰减特征的指标 ， 过去一般称为地震 参数 、 地震特征和地震信息。属性提取技术在石油上发 展已较为成熟 ， 由于地震波属性中包含有丰富的地下地 质体信息 ， 有的对储层环境 的变化很敏感 ， 有 的可以揭 示地 下异 常 ， 有 的又 与 含 油气 性： 有 一定 关 系 ， 因此 可通 过对地震波属性 的提取来分析地下地质体异常信息情 况， 从而达 到 寻找采 空 区的 目的 。 本文 主要是 提取 地 震 波振 幅属 性 特征 来 实 现对 采 空 区的探 测 。
是非常必要的。本文通过对反射波场特征分析研究 ， 提
取 敏 感 的地震 反射 波振 幅属 性 ， 有 效地解 决 了韩 家湾 矿 区老 窑采 空 区的探 测及 周边 小煤 窑越界 开 采 的问题 。
ｌ 三维 地震 勘探 技术
三维 地震 勘探 技术 是 一项 集 物 理 学 、 数学、 计 算 机
第一作者简介 ： 刘增平（ １ ９ ６ ６ 一 ） ， 男（ 汉族） ， 陕西铜川人 ， 高级工程师 、 注册安全 工程师 ， 现从事煤矿生产技术工作 。
１ ４ ８
西部探矿工程
２ ０ １ ３ 年第 １ 期
韩家湾矿区位于陕北侏罗纪煤 田东部 ， 地层区划属
华北 地层 区鄂尔 多斯 盆地 分 区。根 据 地质 填 图及 钻 孔 揭露 ， 矿 区地 层 由老至新 有 ： 上三 叠 统永 坪 组 （ Ｔ 。 ） ， 下
４ 工程 实例 ４ ． １ 地质 条件
同的程序进行处理运算 ， 经各种处理的数据进行叠加和 偏移 ， 最 后得 到地 震 剖 面或 三 维数 据 体 文 件 ； 资 料 解 释
三种探测煤层采空区的方法
第32卷第3期物 探 与 化 探Vol.32,No.3 2008年6月GE OPHYSI CAL&GE OCHE M I CAL EXP LORATI O N Jun.,2008 三种探测煤层采空区的方法王立会,潘冬明,张兴岩(中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221008)摘要:采空区的存在对矿山生产和工程建设造成极大的安全隐患,采空区探测已成为重要研究课题。
笔者结合参加过的工程项目,具体介绍3种探测煤层采空区的方法:井间地震、探地雷达和浅层地震反射波法,并分析比较了它们的优缺点。
关键词:采空区;井间地震;探地雷达;浅层地震中图分类号:P631.4 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2008)03-0291-04 随着煤矿开采生产过程的进行,许多矿山形成了大量的采空区。
特别是小煤窑越界开采造成的不明采空区,更是形态各异,层位复杂。
另外,一些老采空区,由于设计资料不全或丢失,无法确定其位置和边界。
这些地下采空区,给矿山生产和工程建设,带来了极大的安全隐患。
这就需要对采空区的稳定性、位置、边界等进行勘查与评价,为将来的综合治理提供依据。
目前,采空区探测方法大体分为现场调查、物探与钻探3类。
在实际工作中,通常是首先收集相关资料和进行现场调查,然后利用各种物探方法进行探测,最后以钻探方法来验证、修正,使得物探资料解释更符合实际地质情况。
由此可见,物探方法在采空区探测中具有举足轻重的作用。
采空区探测的物探方法有井间地震、探地雷达、浅层地震反射波法、高密度电法、瞬变电磁法、测氡法等。
笔者结合参加过的工程项目,具体介绍前面3种物探方法。
1 井间地震1.1 原理井间地震是将震源与检波器都置入井中进行地震波观测的新型物探方法。
在测区内要有2口或更多已钻好的孔(井)。
在1口井的预定的位置上,设置震源点,此为震源井;而在另一口井设置接收点,布置检波器,此为接收井。
目前井间地震观测系统类型主要有共炮点数据采集、共接收点数据采集、炮点—接收点平行同步移动观测等。
判断采空区依据
判断采空区主要依据以下几个方面的信息和方法：
1. 地质勘探数据：
- 地质钻探资料：通过地质钻孔揭示地下煤层开采后的空间分布情况，分析钻孔揭露的煤层缺失、厚度变薄或突然中断等情况。
- 地震波速测试：利用地震波在地下的传播特性变化来推断是否存在采空区，因为采空区与完整岩体相比，其地震波速度会有明显差异。
2. 物探技术应用：
- 电磁法（如瞬变电磁法、大地电磁法等）：探测地下导电率异常区域，由于采空区往往形成含水的空洞，其导电性能与周围岩石不同。
- 地电阻率法：测量地表电阻率的变化，发现因开采造成的地下结构变化。
- 气体检测法：如氡气测量法，可以通过检测地下逸出气体浓度的变化来识别可能存在的采空区。
- 微震监测：对微弱地震信号进行监测，开采活动可能会引起微震，通过定位微震源可以推测出潜在的采空区位置。
3. 地表变形特征：
- 地表塌陷：观察地面是否有塌陷坑、裂缝、倾斜等地质灾害现象，这是采空区上方地表常见的直接表现。
- 建筑物损坏：建筑物出现裂缝、下沉、倾斜等异常情况，可能是由于地下采空区导致的地基不稳。
4. 遥感技术：
- 卫星遥感影像分析：通过高分辨率卫星影像识别地表形态及植被覆盖等细微变化，间接推测地下采空区。
5. 工程地质测绘与历史资料收集：
- 收集矿山开采历史记录、巷道布置图、开采平面图等资料，结合实地测绘，可以较准确地判断已知或潜在的采空区范围。
6. 监测井与地下水位监测：
- 设置监测井观测地下水位变化，若存在采空区，地下水位可能因开采造成疏干而发生显著变化。
综上所述，判断采空区通常需要综合运用多种技术和方法，根据实际情况选择合适的手段。
非均匀介质地震波场特征分析wgc
11.
因此可以得到总场表达式：
u (r , ω ) = u 0 (r , ω ) + u s (r , ω ) = u 0 (r , ω ) +
∫∫∫ G(r, r , ω )k ε (r, ω )u(r, ω )dV
2 V g
此方程为一个非线性方程，即是著名的Lippmann-Swinger方程。
随着勘探开发的进一步深入，横向不连续、纵向重叠的非均质砂岩储层以及缝洞型碳 酸盐岩储层逐渐成为人们的研究热点。
一、引言
2、典型非均匀介质---裂缝 地表调查
大尺度裂缝
小尺度裂缝
中尺度裂缝
大尺度：长度10-100m，宽度10-100cm 中尺度：长度1-10m， 宽度1-10cm 小尺度：长度小于1m，宽度小于1cm
ω2
u (r , ω ) = −
C 02 (r )
ω2
ε (r )u (r , ω )
6.
由于： k 0 ( z ) =
ω
C0(z)
则方程可以写为：
∇ 2 u (r , ω ) + k 2 u (r , ω ) = − k 2 ε (r )u (r , ω
7. 根据地震波散射理论将波场进行分解： 即： 式（7）带入式（6）可得：
)
u ( r , ω ) = u0 ( r , ω ) + u s ( r , ω )
∇ 2ui ( r , ω ) + k 2ui ( r , ω ) + ∇ 2us ( r , ω ) + k 2us ( r , ω ) = − k 2ε ( r ) u ( r , ω )
二、地震波散射原理
地震散射波动方程的建立 地震波散射原理
基于地震属性分析的红柳林煤矿采空区解释
第42卷 第3期 煤田地质与勘探Vol. 42 No.32014年6月 COAL GEOLOGY & EXPLORA TION Jun . 2014收稿日期: 2013-06-05作者简介:叶红星(1973—)，男，安徽淮北人，硕士，高级工程师，从事地球物理勘探工作.文章编号: 1001-1986(2014)03-0087-05基于地震属性分析的红柳林煤矿采空区解释叶红星(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)摘要: 以红柳林煤矿采空区的三维地震勘探为例，对房柱式采煤形成的采空区的地震波场进行了正演模拟，分析了不同采空区地震波振幅特征、频谱特征及绕射波对采空区地震响应的影响；利用均方根振幅(RMS)属性圈定了小煤窑采空区范围。
钻探验证结果表明，利用地震属性解释采空区的应用效果良好。
关 键 词：三维地震；采空区；地震属性；钻探验证中图分类号：P631 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2014.03.020The interpretation of the gob based on the analysis of seismicattribute in Hongliulin coal mineYE Hongxing(Xi'an Research Institute , China Coal Technology & Engineering Group Corp , Xi'an 710077, China )Abstract: Based on the 3D seismic exploration for the gob in Hongliulin coal mine , this paper used the forward modelling method for the seismic wave field of the gob caused by room and pillar mining , analyzed the seismic wave amplitude characteristics and the spectrum characteristics of different gobs and the effect of diffraction wave on seism in the gobs , identified the range of mined–out area , using RMS attribute. Drilling results proved that the seismic attribute interpretation for the gob could achieve good results. Key words: 3D seismic; gob; seismic attribute; drilling validation小煤窑乱采乱掘遗留的采空区对煤矿安全生产留下了隐患[1]，也给生态环境、工程建设等带来了负面影响[2-3]。
非煤矿山采空区三维地震解释技术与应用实例
文章编号:1005－6157(2019)01－045－安徽地质Geology of Anhui第29卷第1期2019年3月V ol.29 No.1 Marcher 2019摘要：煤矿采空区地震勘测由来已久，也取得很多经验和成果，而非煤矿山采空区地震勘测是近几年开展比较多的方法技术，由于非煤矿山地层结构不同于一般煤田地层结构，有的矿体成层性差，有的矿体倾角大，有的矿体形状不规则，开采产生的采空区具有分布无规律，形状无规则等特殊性，给三维地震勘测中的资料解释带来一定难度，本文意在总结在多个非煤矿山采空区勘测中的三维地震解释经验，依据地震勘探原理，给出采空区三维地震勘测地震反射波的剖面和平面解释的基本特征，并在实际应用中得到进一步证实，取得良好效果。
关键词：非煤矿山采空区；三维地震解释；反射波特征；安徽定远东兴盐矿中图分类号：P631.4 文献标志码：A0 引言随着我国国民经济的快速发展，非煤矿山开采量越来越大，多数矿山由过去的散小乱状态，逐渐转化为规模化或露天开采，但过去开采留下的众多采空区，有的年份久远资料遗失，有的私采乱挖根本没有资料可寻，有的透水坍塌造成矿难，给国家和社会造成重大经济损失，这些采空区的存在成为后续矿山开采人员、设备的重大安全隐患，而且严重影响开采效率，因此查明非煤矿山采空区的分布、大小及其稳定性，为下一步治理规划及地质灾害防治提供依据是十分必要的。
1 非煤矿山采空区特征及危害将采空区以是否为煤矿来进行分类，可分为煤矿采空区和非煤矿山采空区，非煤采空区是在非煤矿山由人为挖掘或水溶地下矿体产生的“空洞”。
两者显注的区别是煤矿采空区成层状，高度基本一致，空间形态相对规则，而非煤矿山采空区空间形态不规则，大小迥异，分布无规律，埋深差异大等特点，因此非煤矿山采空区的探测难度相对更大。
对于非煤矿山采空区勘测主要有两个方面的地质任务，一是查明隐伏非煤矿山采空区空间分布，二是评价采空区的稳定性。
采空区基本知识
采空区采空区是由人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”，采空区的存在使得矿山的安全生产面临很大的安全问题，人员与机械设备都可能掉入采空区内部受到伤害。
由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。
目前，地下空区已经成为制约矿山发展的一个重要难题，随着矿山向深部开采，地压增大，地下空区在强大的地压下，容易发生坍塌事故，尤其对地下转露天开采的矿山影响很大；地下开采残留大量的采场、硐室、巷道没有进行及时处理，对露天开采带来了严重的隐患，同时给矿山工作人员和设备带来严重的威胁。
自20世纪末以来，我国矿业开采秩序较为混乱，非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空区，这是影响目前矿山安全生产的主要危害源之一。
如河南栾川钼矿、广西大厂矿区、甘肃厂坝铅锌矿、铜陵狮子山铜矿、云南兰坪铅锌矿、广东大宝山矿、湖南柿竹园矿等许多矿山都存在大量的采空区，致使矿山开采条件恶化，引起矿柱变形、相邻作业区采场和巷道维护困难、井下大面积冒落、岩移及地表塌陷等，更为严重的是空区突然垮塌的高速气流和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏，这些都给矿山安全生产构成严重威胁，并造成环境恶化、矿产资源严重浪费。
解决上述问题的前提条件就是要科学地探查井下空区的即时状态和空间形状，为空区安全治理和资源回采提供准确的设计依据。
结合栾川钼矿的实际工程地质条件，利用地下空间和采空区三维激光系统(C-ALS)对矿山的部分空区进行探测，了解其空区的形状、大小和位臵，运用其自带的软件进行编辑与成图。
从而确定空区在矿山平面图上的具体位臵，为空区的处理提供可靠的理论依据，从而确保作业工人和设备的安全。
目前世界上先进的采空区整体解决方案是利用高密度电法等地球物理方法探测到采空区的大概位臵，再使用C-ALS等激光扫描设备对采空区进行数字化和可视化，达到科学探测采空区的目的。
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电法中有： “高阻体排斥电流，低阻体吸引电流。”
地震中应是：“高速体吸引弹性波，低速体排斥弹性波。”
二、采空区与高速体地震波场对比
RVSP 炮 点 在 米 处 有 异 常 体 的 单 炮 记 录 200
主要内容
一、概述
二、采空区与高速体地震波场对比
三、采空区的地震波场编程模拟
四、结论
三、采空区的地震波场编程模拟
波的基本原理
1、惠更斯-菲涅尔原理： 2、费马原理 3、绕射波的产生：地震波在地下传播的过程中，遇到局部地质体或者弹性不连续 的间断点或者地层岩性的突变点（如地层的间断点、地层的尖灭点或者不整合面的 突起点以及断层的棱角点等等），就会在这些突变点处会产生绕射波。也称狭义绕 射波。 4、散射波的产生：。地震波在地下岩层中传播过程中，遇到不平滑、粗糙的分界 面，界面上凹凸不平的部分的曲率半径与波长相近时，往往产生散射现象，波在界 面上以地质体为中心形成向各个方向传播的散射波，在地震记录上形成杂乱而没有 规律的反射，散射的结果使地震波的能量分散，振幅衰减，范围很宽，可以在很多 接收点接收，它的特征与异常地质体的组分，几何形态等相关。（不好正演模拟）
采空区的地震波场特征
13硕 唐兆建
导师：潘冬明
主要内容
一、概述
二、采空区与高速体地震波场对比
三、采空区的地震波场编程模拟
四、结论
一、概述
采空区
一般采空区分为两种： 1、 当开采时间较短或支护措施较充分或者开采面积较小时，其岩层顶板的塑性程 度较高并在开采范围内整体保存比较完整，此时采空区对于上覆岩层虽然不可避免 地造成了应力状态的变化，但在采空区上覆岩层范围内没有发生显著的位移变化， 未引起上覆岩层变动产生塌落、变形，因此采空区以不充水或充水的相对完整的空 洞形式保存下来；
Tesseral 2-D软件
二、采空区与高速体地震波场对比
无异常体单炮记录
二、采空区与高速体地震波场对比
有 异 常 体 的 单 炮 记 录 （ 异 常 体 很 大 ）
二、采空区与高速体地震波场对比
有 异 常 体 的 单 炮 记 录 （ 异 常 体 较 小 ）
二、采空区与高速体地震波场对比
小结
2、大多数情况下，采空区的实际地质环境无法达到以上所提到的要求，即当开采 面积较大或开采时间较长时，采空区在重力和地层应力的综合作用下，采空区上覆 岩层会发生坍塌、冒落，从而形成冒落带、裂隙带和弯曲带（三带）等，使得采空 区被上层塌落的松散物充填，从而导致塌落带上覆岩层的特性也发生了变化。
一、概述
不足和以后方向
三、采空区的地震波场编程模拟
采空区的地震模型
三、采空区的地震波场编程模拟
折射波时距曲线方程
折射波的时距方程是：
折射波的绕射波时距方程是：
三、采空区的地震波场编程模拟
折射波模拟记录
三、采空区的地震波场编程模拟
反射波时距曲线方程
反射波的时距方程是：
当反射波传播到达采空区的附近时，以采空区界面的端点A 和B 为新震源产生绕射波，叠加在反射 波上，由反射波传播到达采空区界面的端点A 产生的绕射波的时距方程为：
三、采空区的地震波场编程模拟
编程模拟记录
主要内容
一、概述
二、采空区与高速体地震波场对比
三、采空区的地震波场编程模拟
四、结论
四、结论
结论
1、通过正演模拟对采空区的地震波场特征进行分析学习，与高速体（孤石）的波 场对比，找出两种异常体波场的异同点； 2、通过简化模型，射线追踪，运用MATLAB编程实现各种类型的波场进行单独模 拟，最后通过叠加单波模拟地震记录。 1、对采空区波场的特征分析只限于定性的，没有定量研究，还没有对采空区的大 小、准确位置的细节分析。 2、还没有结合实际数据，主要在理论模型上的模拟。 3、对采空区产生的绕射波，学习利用绕射波成像技术，更准确预测采空区。
主要内容
一、概述
二、采空区与高速体地震波场对比
三、采空区的地震波场编程模拟
四、结论
二、采空区与高速体地震波场对比
固定不变的观测系统
1、地质体剖面：1000*200； 2、偏移距：0； 3、跑点数：1； 4、检波点：101； 5、采样间隔：0.001s；
6、采样时间：1.5；
三、采空区的地震波场编程模拟
反射波时距曲线方程
由反射波传播到达采空区界面的端点B 产生的绕射波的传播路径见图2.7 所示，由于采空区的存在， 只有采空区左侧的检波器才能接收到由B 点产生的绕射波，因此当x <= d 时，由 B点产生的绕射波的 时距方程为：
三、采空区的地震波场编程模拟在传播过程中，其规律满足波动方程，然而实际岩层的非均匀性，使得波动 方程的边界变得非常复杂，难于求解。因此在一定条件下，使用射线理论近似波动理 论，使正演模拟过程变得简化； 2、在本次编程过程就做了这样的简化（边界理想化），并认为采空区是真空的，波无 法传播； 3、通过地震波射线追踪方法利用MATLAB程序设计对在采空区存在的情况下产生的折 射波、反射波及其传播遇到采空区的速度突变点时产生的折射绕射波、反射绕射波进 行模拟，在单独考虑折射波、反射波传播的情况下，分析所产生的绕射波对波场的影 响。