微动一字形台阵应用于煤矿陷落柱探查

＊杨乐宇

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司高阳煤矿 山西 032302）

前言

山西汾西矿业（集团）有限责任公司高阳煤矿地质构造条件复杂，陷落柱、断层等地质构造异常体发育，陷落柱、断层等隐蔽致灾地质因素严重影响工作面的安全掘进与回采，需要采用相应技术手段对其有效探测。微动探测[1]技术属于无源地震勘探技术方法的一种，该方法是在背景噪声成像研究的基础上发展起来的，其利用地球本身的微弱振动作为信号源，该方法不受野外强电磁环境、人文工业活动的干扰，其无需主动震源，因此对地面环境没有损害；并且微动信号在地球表面无处不在，使用起来不受区域限制，该技术理论在基岩地质调查、城市活断层探测、地基勘察、地铁工勘、煤矿采区构造探测、地热勘探等领域均取得了很好的应用效果。文章通过在高阳矿选定勘探区域，对下组煤陷落柱的发育区域进行探测应用，经过微动观测台阵[2]试验，选定一字形台阵进行工业性试验，以确定能否对陷落柱[3]进行有效探测。

1.微动方法原理[4]

微动利用的是地球表面微小的天然振动，主要包括大自然中的火山、风动、地壳运动、潮汐等运动及人文活动中的机械振动、道路交通活动中的各种振动。微动是由包括纵波、横波、瑞雷波和勒夫波等各种地震波组成的复杂振动，其中面波能量为主导，占地震波能量中的70%以上，微动中存在的面波特征信息与地层中的各种介质密切相关，在实际勘探应用中最经常用的为瑞雷面波。

瑞雷面波存在频散特性，其在地下介质中传播时波速随着频率的变化而变化，微动地震信号具有振幅、频率随时间、空间的变化而发生变化的特点。微动探测方法是以平稳随机过程理论为依据，利用空间自相关（SAC）法从微动信号提取瑞雷面波的频散曲线，通过计算出波速在垂直上的分布，依据不同时代不同岩性地层的波速差异，即可推测出地下各种地层的分布情况。微动探测的技术特点主要如下：

（1）信号的普遍与及时性：地球表面和内部在任何地点任何时间都存在微小的振动；

（2）信号的随机性：微动中振动动源的触发时刻时间、空间分布位置及能量强度都是随机的；

（3）信号来源的不确定性：在单一固定的接收位置，微动地震波的来向一般不能确定；

（4）低频：微信信号的频率一般比较低，在0.3～ 5.0Hz之间。

2.微动台阵试验

在工业性试验测区附近布置测线进行台阵试验，分别进行了一字直线型台阵、L型台阵及三重圆台阵3种台阵观测试验，观测时间为40min，根据不同台阵类型采集数据的频散特征对比分析并结合实际生产需要综合确定观测台阵[2]类型。试验详情如下：

试验布置：

采用15个台站进行试验，台站按照一字直线型布置，分别为1～15#，其中8#位置为观测中心点，台站间距为20m，台阵最大观测半径为140m；采用15个台站进行试验，台站按照L形状布置，分别为1～15#，其中8#位置为观测中心点，台站间距为20m，台阵最大观测半径为140m；采用10个台站进行试验，分别为1～10#，其中1#位置为观测中线点，2#、3#、4#按等边三角形布置，距离1#的距离r=35m，5#、6#、7#按等边三角形布置距离1#距离2r=70m，8#、9#、10#按等边三角形布置，距离1#距离4r=140m，其中最大台阵半径为4r=140m，三种台阵类形布置示意，如图1。

图1 不同台阵类形布置示意图

经处理分析，一字直线型、三重圆台阵对低频信号中深部信息反映较好，在施工过程中优先选择三重圆、一字直线型台阵。结合工业性试验测区的地形条件、施工难易程度、施工效率，野外实测工作选择一字直线型台阵。

3.陷落柱探测

(1)试验工区地质概况

①地形地貌

本次试验工区为属低山丘陵地貌，整体地形西北高、东北低，研究区南北穿越一条深沟，两条浅沟，研究区地面有两条高压线，无其他建筑物。最高点位于研究区西北部，海拔标高945.9m，最低点位于勘探区东北部，海拔标高850m，相对高差95.9m，地表多被第四系覆盖，未发现地表河流。

②试验工区地质概述

试验工区内可采煤层主要为2号煤、9号＋10号＋11号煤，2号煤埋深约232～345m，9号＋10号＋11号煤埋深约330～428m。研究区内2#煤已经采空，9号＋10号＋11号煤层准备布置21106工作面，研究区南北向包含设计21106工作面自切眼向外走向长490m左右，研究区东北角为21107工作面，西北方向为21105工作面，研究区的东边界包含21105工作面运输巷的部分，21105、21107工作面已回采完毕。研究区地层整体为西北东南轴向的向斜构造，工区内地质构造主要为：A.断层：东南角发育有F12断层，落差20m左右，西北部F60断层，落差1.4m左右。其中F12断层为主要研究断层，F12断层为地面桑湾村揭露断层，断层走向NE，倾向NW，倾角35°左右，为较可靠断层，同时F12断层在2号煤、9号＋10号＋11号煤揭露产状未知；B.陷落柱：Z15陷落柱位于研究区东北角，为21107运输巷揭露陷落柱，陷落柱预计长轴91m、短轴25m，实际大小未知；Z206陷落柱为21105工作面运输巷揭露陷落柱，预计长轴131m、短轴77m，实际大小未知，其中Z206陷落柱为本项目重点研究陷落柱。C.采空破坏区：采空破坏区主要为高阳煤矿上组煤原411（1、2号煤）、413（1、2号煤）工作面采空区，原山西孝义凯乾煤业公司上组煤小窑巷道，原山西孝义凯乾煤业公司可能在9号＋10号＋11号煤的采空破坏区，原山西孝义凯乾煤业公司井筒未在勘探区范围内。

(2)试验工区21106工作面地质概况

①工作面概况：21106工作面开采9＋10＋11煤层，为高阳矿二采区第六个工作面，地面标高+845～+943，工作面标高+507～+534，工作面地面位置位于高阳煤矿工贸公司金属网厂东145m处，地表为黄土覆盖，井下其北为二采轨道巷保安煤柱，东为21107工作面，南为F12（H＞20m）断层，西为二采轨道巷保安煤柱。工作面设计走向长1459～1566m，平均1512.5m，倾斜长190m。

②工作面煤层及顶底板：本工作面开采太原组9＋10＋11号煤，煤层厚度7.95～9.30m，平均8.69m，煤层倾角 0～10°，平均5°，根据临近二采大巷以及21107、21105工作面揭露的实际煤层情况知：该区域地质构造较为复杂，尤其工作面切眼附近，煤岩层产状变化较大，工作面煤层结构平均1.47(0.25)1.95(0.21)2.03(0.03)0.95(0.27)0.85(0.1 8)0.47，属复杂结构煤层，稳定可采，煤种为瘦煤。

③工作面地质构造：21106工作面地质构造复杂，根据临近工作面及上组煤揭露情况预计揭露陷落柱7个，断层11条。

④工作面水文地质条件：21106工作面煤层上覆含水层为煤层顶板K2灰岩，还有K3、K4灰岩含水层，其含水量丰富，但补给不足，以静储量为主，在裂隙发育处有淋水现象，对本工作面掘进影响不大；下伏含水层为奥陶系石灰岩，其含水量丰富，根据水文补勘资料知，该工作面整体带压、范围内最大突水系数约0.014＜0.06MPa/m，正常情况下预计不会影响工作面掘进。预计本工作面涌水量为10～ 30m3/h。

(3)现场布置

图3为本次陷落柱探测测点布置示意图，共布置2条测线，测点间距20m，测点间距20m，单条测线长600m，现场探测时使用RTK进行放点。Z206陷落柱为21105工作面运输巷揭露陷落柱，21105运输巷揭露陷落柱的北边界，其范围大小未完全揭露，陷落柱揭露位置对应研究区X1线400m（桩号20）左右位置。

图3 微动测线布置示意图

(4)资料分析

①资料分析原则

依据微动勘探原理及地层速度分布特征，当地层沉积分布均匀，未受任何破坏和改变，其视S波分层均匀变化；如遇有断层、陷落柱、采空破坏区时，其介质密度及应力结构等发生变化，视S波速度对应发生变化，其变化特征主要描述如下：

A.断层：当产生断裂构造时，断层破碎带煤岩体密度变小，断层带发育范围内相对正常地层视S波速度表现相对低速，断层上下盘受地应力的挤压或拉伸影响视S波速度表现为相对高速或相对低速，断层上下盘视S波速度变化特征需结合已知资料进行反演；

B.陷落柱：根据陷落柱形成原理，陷落柱是在地下溶洞垮塌的情况下，由上覆非可溶性岩层坍塌充填形成，陷落柱内岩性特征表现为岩石成分混杂，未胶结或弱胶结，无分选，岩石碎块成棱角状，形状不规则，排列混乱。根据以上陷落柱发育位置的地质条件变化特征，分析陷落柱发育位置视S波速度变化特征为相对低速；

C.采空破坏区：当煤层开采后采空区内存在空腔、富水或顶板垮落，采空区的垮落带、裂隙带会在煤层顶板发育一定高度。根据以上采空破坏区发育范围内的地质条件变化特征，分析采空破坏区及顶板范围内其视S波速度整体呈现相对低速变化。

②成果资料

根据以上资料分析原则可对本次微动探测试验的成果资料进行分析，详情如下：

图4为微动1线视S波速度等值线断面图，从图上可以看出在测线360m（桩号18）左右至测线480m（桩号24）左右出现一出上下联通的相对低速区域，埋深自标高+760m至+400m左右发育，低速区形态横向由埋深+760m至+460m逐步扩大，埋深+460m至+400m逐步收敛，视S波速度范围为 1200～1600m/s，详情见图4中洋红色虚线圈定范围。根据21105运输巷实际揭露资料及谐振探测相对低速发育规律及特征，推断其为Z206陷落柱的响应特征。

图4 微动1线视S波等值线断面图

图5为微动2线视S波速度等值线断面图，从图上可以看出在测线380m（桩号19）左右至测线460m（桩号23）左右出现一出上下联通的相对低速区域，埋深自标高+750m至+400m左右发育，低速区形态横向由埋深+750m至+550m逐步扩大，埋深+550m至+400m逐步收敛，视S波速度范围为 1200～1600m/s，详情见图5中洋红色虚线圈定范围。根据21105运输巷实际揭露资料及谐振探测相对低速发育规律及特征，推断其为Z206陷落柱的响应特征。

图5 微动2线视S波等值线断面图

综上所述，微动一字直线形台阵对煤矿陷落柱具有良好的分辨能力。

4.结论

（1）微动技术具有抗干扰能力强、施工便捷等技术优点；

（2）经过试验微动一字形台阵对低频信号中深部信息反映较好，且施工相对便捷，在煤矿地形复杂矿区满足勘探要求的情况下施工效率相对较高；

（3）实测应用结果可得，微动一字形台阵能对一定规模（直径大于50m）的陷落柱能有效分辨。