采空区勘查新技术及应用

采空区勘查新技术及应用采空区危害巨大，但是目前常用的物探方法都难于准确探测。

以非均匀地质模型为基础的SSP地震散射技术作为一种新的地震勘探方法，通过波场分离、速度分析、偏移成像技术，可获取地层波速与地质界面信息，依据低速区分布与界面形态综合判定采空区，提高了采空区勘探的准确度。

该方法还具有分辨率高、准确性好、探测深度大和图像直观等特点，适合复杂地形、地质条件的采空区勘探，并在大量应用中取得了令人满意的结果。

1采空区探测技术及发展采空区对采矿安全、交通、水利水电设施、地面建筑等构成严重威胁，目前己经成为我国隐蔽致灾的主要原因之一。

我国采空区数量巨大，并且仍在快速地增加，然而矿区的地形、地质条件往往非常复杂，再加上采空区地表变形与地面塌陷影响，使采空区勘查变得十分困难。

目前虽然有一些物探方法可用，但应用效果并不理想。

目前探测采空区使用的物探方法主要有反射地震方法和电磁方法,这两种方法都存在一定局限性。

反射地震方法基于分层均匀的地质模型⑴，层状地质结构条件下勘探效果好，但对于采空区这样的纵、横向地质条件均剧烈变化的地质体，层状模型不再适用，反射地震方法勘探效果不突出。

采用电磁方法（包括CSAMT、瞬变电磁、高密度电法、电导率等方法）勘探，对于含水低阻采空区，其勘探效果较好；若采空区不含水，则采空区表现为高阻，与高阻围岩难以区分，探测效果欠佳。

由此可见，上述两种方法都有局限性，有必要发展采空区探测新技术。

地震散射技术是以非均匀地质模型为基础的地震勘探新技术。

地震散射分前向散射与背向散射,前向散射研究非均匀地质条件对地震透射波的影响,它是地球深部构造探测的基础；背向散射是研究非均匀地质体的地震散射回波特性，是地震散射勘探技术的基础。

对前向散射的研究开始较早，始于上世纪70年代，Aki 等（1976）研究天然地震波通过地球深部构造区的走时与衰减特性，建立了利用天然地震波走时反演深部构造的地震方法。

在国际地壳与上地幔计划、地球动力学计划和岩石圈计划的推动下，全球范围内掀起了利用天然地震资料研究地球深部构造的热潮⑵。

AnderSOn等（1984）利用地震面波研究了全球上地幔的波速异常⑶。

刘福田等（1986）在中国先后完成了华北、南北带、西南等地区的深部构造层析成像叫对地震波背向散射的研究开始较晚，目的是发展工程地震勘探技术。

本世纪初，中国工程建设进入高峰期，山区铁路、高速公路项目剧增，传统的地震反射技术不能满足山区复杂地形、地质条件的工程勘察。

赵永贵（2006年）在研究地震背向散射的基础上，开发出TST隧道地质超前预报技术⑸和SSP地震散射勘探技术，在全国推广应用。

李斌、石大为等（2012年）将SSP技术应用到贵州高速公路隧道选址的采空区的探查中，为高速公路隧道选址提供了重要依据⑹；虞力、王国维等（2013年）将SSP技术应用到浅表层精细结构研究中，为消除浅表层影响提供了有效手段⑺。

采空区最显著的特征是岩体的低波速异常，无论采空区是否含水，低波速的特征都不会改变。

针对采空区的低速特征，SSP技术开发了波速成像功能，通过低速区的分布与地质界面形态来综合判定采空区的位置，大大地提高了采空区识别的可靠性。

并且该技术适合复杂地形、地质条件，具有勘探深度大、分辨率高、图像直观的优点，可用于采空区与精细地质结构的勘查。

2SSP 地震散射技术的基本原理2.1 地震散射基础理论在反射地震方法中，地质体被简化为分层均匀地质模型，即层内波阻抗不变，只在层间界面处波阻抗突变。

波的传播遵循SneI1定律，层间界面作为边界条件，层内地震波沿直线传播，在边界上满足位移与应力连续条件，产生反射与透射波。

均质条件下地震波传播满足如下弹性波方程。

地震散射理论是建立在非均匀地质模型基础之上的，介质波阻抗随空间位置变化而变化。

在非均匀质弹性体内，地震波的传播十分复杂。

吴如山(1993)等用微扰法详细地研究了非均匀介质中地震纵、横波传播的散射方程⑻，表达式相当复杂，难以引用。

N.布莱斯坦等(2000年)研究地震散射使用的波动方程比较简洁，而又不失物理含义的正确性，因而常被引用。

其方程形式如下⑼：其中： U-U s Λ-U 1(3) 22、v ^v ∩ ct(r)=——y-y -(4)V 2 式中〃为地震波的总波场，由入射波卬和散射波处构成。

波速U 是空间变化量，VO 为区域背景平均波速，α⑺为波速异常(波速平方变化的百分比)，在方程中的作用相当于散射强度。

(2)式为非齐次波动方程，右端项相当于被动震源。

方程的物理含义是当有地震波入射时，波阻抗变化的界面相当于散射源，向周围辐射散射波，散射波的强度与入射波的加速度和散射强度。

⑺的乘积成正比。

SSP 地震散射技术研究的是反问题，即通过在地表激发和接收地震波，重建地下波速异常。

⑺以及地层波速的空间分布，以揭示隐伏的地质结构，这就是SSP 技术的基本原理。

2.2地震散射与反射技术的比较图1地震散射与反射对地震记录理解的差异SSP 地震散射与地震反射理论都是建立在弹性波理论的基础之上，但二者在地质模型以及地震波的传播方式假定的方面有巨大差别。

(I)地震反射方法将地下介质简化为分层均匀模型(如图1-(a)),而SSP 地震散射方V 2U- v 2∂t 2 =OV72 ^g(r)∂2u 1 (2)法是采用非均匀地质模型(如图1-(b));(2)地震反射理论认为检波器接收到的反射波来源于炮检距的中间点，而SSP认为接收到地震波来源于介质中的所有散射点；(3)散射波传播波遵循惠更斯原理，反射波只是散射点规则排列时相干叠加的结果；(4)反射地震要求界面的水平尺度要大于3倍波长，散射时界面的尺度可以为波长的1/3,因而对于相同的地震记录，使用散射处理技术比反射技术的分辨率提高一个数量级；综上分析，散射理论比反射理论具有更广泛的适应性。

3SSP地震散射的技术要点SSP技术是建立在非均匀模型基础之上的，因而其数据处理技术与反射方法有很多不同。

SSP的核心技术包括波场分离、速度分析以及合成孔径偏移成像三项技术。

3.1波场分离技术地震记录中散射波能量较弱，面波、声波等干扰波较强，散射数据处理的首要问题是波场分离，也称滤波，滤除干扰波，提取散射波。

SSP技术中采用基于尸-KT-P变换的技术进行波场分离，这与地震反射方法的滤波基本相同。

广K技术依据散射波、声波、面波间视速度的差异进行滤波;E-P技术基于不同地震波走时与视速度的双重差异进行滤波，与F-K滤波相比更为有效。

图2是地震记录滤波前后的比较：原始地震记录中面波、声波能量很强，滤波后信噪比提升，散射波、反射波被凸显。

(a)滤波前(b)滤波后图2FK滤波前后对比3.2地震速度分析技术波速是地震勘探中重要的分布参数，是由双程时获取准确地质界面的基础，也是判识采空区的重要依据。

地震散射方法建立在非均匀地质模型基础之上，空间波速是剧烈变化的，因而波速空间分布的获取是地震散射的核心技术。

SSP技术中的速度分析以Radon变换为基础，Radon变换以共炮点数据为对象，通过双曲线路径积分变换，将地震数据由时间-空间域转换到深度(双程时)-波速域。

如图3所示，在时间-空间域，地震反射波的能量沿双曲线分布，而在深度-速度域，反射波能量集中为一点。

当积分路径与反射波走时曲线一致时，积分能量有极大值，该极值点的纵坐标为界面深度，横坐标为上覆地层平均波速，由此获得炮点附近波速分布垂直断面图。

联合所有炮点的垂直速度剖面，可获得空间二维、三维速度分布。

RadOn变换公式如下：Ra v)=∫∫∏(χ√)^(r- ⅛2+⅞W∕(5)(a)时间-空间域的反射波(b)深度-速度域的反射波能量分布图3Radon变换提高信噪比3.3合成孔径偏移成像技术偏移成像是将地震记录的能量归位到散射点，重建地质结构图像的技术。

SSP技术采用几何偏移成像中的合成孔径技术，汇集所有地震散射记录，进行延时叠加，由地震散射波能量重建散射强度α分布的图像，它可以表征地震结构的主要特征。

与反射地震的CMP叠加相比，这里使用的数据是多孔径的，记录道数要多得多，分辨率更高。

从三种技术的优势中不难发现：这三种技术使探测结果更为准确。

通过波场分离技术，剔除地震记录中的干扰成分，增强有用信号，提高了信噪比。

通过速度分析获得地层波速图像，通过偏移成像获得地质界面偏移图像，两种图件提供了地层波速、地质界面位置和形态、地质界面力学性质三类信息，联合地下介质的多参数、多特征进行解释，探测结果能够更为准确地反映地下介质的真实情况。

4SSP技术用于采空区探测物理依据采空区内地层错断、煤层终断，这些特征可以作为地震勘探方法判定采空区的线索。

但对于构造复杂地区，仅依据界面形态判定采空区是困难的。

实际上采空区最明显的地球物理特征是岩体的低速异常，由于，三带，的影响，采空区岩体垮塌、开裂、变形，形成大范围的低波速异常区。

并且无论采空区是否充水，其低波速特点都不会改变，这为寻找采空区提供了重要的线索。

SSP通过速度分析技术获得了岩体的二维、三维波速分布图像，根据低速异常的分布，可以准确地圈定采空区范围。

另一方面，采空区的边缘波阻抗变化剧烈，散射强度α大，在偏移图像中表现为强烈的散射界面。

综上所述，SSP的偏移图像能显现出采空区的边缘轮廓，波速图像能清晰地展现采空区的位置、范围和破坏程度，这就是采空区探测与解释的物理基础。

5SSP技术在采空区勘探中的应用5.1矿区概况山西兴县苏家吉煤矿的含煤地层为石炭系和二叠系地层，其中二叠系的为山西组8号煤层，石炭系为太原组13号煤层。

矿区内原有15处民采区，其中立井3处，斜(平)胴12处。

因无序开采，无开采资料可查。

矿区内采空区引起的次生地质灾害频发，6次滑坡，1处地面塌陷，以及3处潜在崩滑点。

采空区对煤矿与铝土矿地下开采的安全构成了严重威胁，为确保矿山生产安全，决定应用SSP技术勘探采空区分布，为治理采空区提供参考。

5.2勘探工作布置与采集系统在勘探区内布置一条测线，长240m,勘探深度120m。

测线经过ZK2001和ZK2400两个钻孔，测线位置见图4。

勘探使用24道工程地震仪，锤击震源，道间距2m,炮间距4m。

炮点位于排列中点，以提高波速分析精度。

图4地震测线位置5.3数据处理与成果解释将地震记录进行方向滤波，滤除面波、声波，保留地下散射波；然后应用Radon积分变换进行速度分析，并进一步换算得到二维地层速度剖面（如图5）；最后进行偏移成像，得到地质界面偏移图像（如图6）。

ZK2400立井ZK2001图5地层速度剖面地层速度剖面反映岩体波速的分布特征，其纵坐标为深度，横坐标为里程。

图中红色、黄色表示高波速，浅蓝、深蓝色表示低波速，其中深蓝色与采空区有关。

红色、黄色的区域波速在2500m∕s以上，对应未受开采影响的岩层，包括砂岩和煤层；绿色的区域，波速在1500-2500m∕s范围内，对应受开采影响较小的弯曲带，岩体结构变化不大；浅蓝色的低波速区，波速在1000-1500m∕s范围，为裂隙带，岩体结构已遭受严重破坏；深蓝色为极低波速区，波速低于I（X）Om∕s,对应冒落带的位置。