由于历史的原因，我国不少大型煤矿井田范围内以及周边都存在着老窑破坏，老窑大多数没有采掘工程图纸，开采无序，滥采乱挖，形成的采空区或塌陷采空区更是成为矿井透水事故的主要来源，给整合国有煤矿的安全成产、大型工厂场地的选址带来安全与质量的隐患，因此在煤矿生产前提前探明老窑塌陷采空区，并准确地圈定其位置是我们地震勘探急需解决的一项重要问题.

本文建立不同塌陷类型的采空区地质模型，并对内部结构不同的塌陷采空区地质模型进行正演模拟，对所得到的单炮记录进行了抽道集、动校正、叠加、叠后偏移等处理，重点是对所得到的时间剖面上的的地震波场特征进行分析和对比，总结出塌陷采空区在地震剖面的判别标志以及识别特征，为整合矿井提供出准确的塌陷采空区位置，以减少人民生命安全事故的发生和资源浪费. 1 地震地质模型的建立 1.1 地质模型

老窑采空区多数以房柱式进行开采，由于采区面积相对较大，在重力以及地层应力作用下，顶板塌陷、垮落，垂直方向会形成所谓的“三带”：冒落带、裂缝带和弯曲带(徐家林和钱鸣高，2004; 张华兴和郭惟嘉，2008; 张广忠等，2009).由于弯曲带只产生弯曲沉降，并不产生破裂，带内的岩层仍为层状结构，因此引起的物性差异普遍比冒落带以及裂隙带微弱的多，我们可对此带可进行忽略，本文塌陷采空区模型仅仅体现出冒落带与裂隙带.冒落带与裂隙带合起来也叫导水裂隙带，导水裂隙带的空间分布形态与采空区大小、顶板岩性以及矿层的倾角关系密切，但基本形态都是“马鞍形”.冒落带底部岩块大小不等、杂乱无章，向上岩块渐大，但脱离母体岩层；裂隙带下部裂缝较为发育，越往上则逐渐减弱(候长祥等，2001).而孔、裂隙度与速度呈负相关性，弹性波的速度会随着岩石的孔隙度的增加而降低(王超凡等，1998; 陈祖安和伍向阳，2000.安勇等，2006; 乔二伟等，2012; 周水生等，2013)，为此我们设置3个地质模型：冒落带与裂隙带均为均匀介质；冒落带与裂隙带均为连续性介质(有波阻抗差异)；冒落带与裂隙带均为连续性介质(无波阻抗差异).模型参数详见表 1与表 2.

表 1(Table 1)

表 1 模型参数表Table 1 The parameters table of Model 层位 厚度(m) 密度(kg/m3) 速度(m/s) 砂岩 370 2290 3600 煤层 10 2086 2200 灰岩 340 2425 4500

表 1 模型参数表Table 1 The parameters table of Model

表 2(Table 2)

表 2 塌陷采空区模型参数表Table 2 The model parameters table of the collapse of gob area 模型 状态 速度(m/s) 密度(kg/m3) 高度(m) 模型1 冒落带与裂隙带为均匀性介质 冒落带 2400 2162 裂隙带 3000 2200 冒落带高度为40~50，裂隙带高度为45~99. 模型2 冒落带与裂隙带为连续性介质(存在着波阻抗差异) 冒落带 1800~2400 1994~2162 裂隙带 2600~3400 2200~2260 模型3 冒落带与裂隙带为连续性介质(无波阻抗差异) 冒落带 1800~2600 1994~2200 裂隙带 2600~3400 2200~2260

表 2 塌陷采空区模型参数表Table 2 The model parameters table of the collapse of gob area

对于老窑房柱式开采形成的塌陷采空区，必然引起地球物理场的显著变化.正常情况下，围岩与煤层之间存在着明显的波阻抗差异，因此可形成良好的煤层反射波.等煤层采空及上覆岩层遭受破坏后，在地震时间剖面上主要表现为煤层反射波同相轴及辅助相位不连续，波形异常，无规律分布，频率较低，延时现象明显.同时煤层顶部的不规则性破坏，将产生各种干扰，这些作为识别采空区的重要标志(曹均等，2004.杨双安和宁书年，2004；陈相府等，2005；程建远等，2008;刘岩，2008;裔传标等，2008; 武国宁等，2013). 2 正演模拟

本文采用Tesseral 2-D软件对所设置的3个地质模型进行全波场正演模拟，该软件是一种基于有限差分法的波动方程模拟软件.采用射线追踪的模拟方法来完成正演模拟，不能很好地反映地震波的动力学特征，特别是在复杂地区难以得到正确的结果；而波动方程模拟技术相对于射线追踪方法具有更高的精度，在内部为非均质时，也更加有效(冯英杰等，2007；裴文春等，2007；王润秋等，2010；李国平等，2011；郭念民和吴国忱，2012；王锡文等，2012；何彦锋等，2013).本文利用Tesseral 2-D软件有限差分法的波动方程对地质模型进行了正演模拟，对得到单炮记录进行了抽道集、动校正、叠加以及叠后偏移等一系列处理，在最终的时间剖面上很好地反映出了塌陷采空区复杂的波场特征.

模型1—冒落带、裂隙带均为均匀性介质

在图 2-1这个地质模型中，共建立3个地层：砂岩、煤层以及灰岩，其他参数详见表 1及表 2.模型横向延伸1250 m，纵向延伸720 m，图中红色倒三角表示炮点，共19炮，炮间距30 m，黑点表示检波器，道间距10 m，排列片72道，中间放炮.通过模拟放炮，并进行抽道集、动校正、叠加以及叠后偏移等处理过程，最终得到了该模型的叠加剖面与偏移剖面(见图2-2与图2-3).

图 2

Fig. 2

图 2-1 地质模型1(冒落带、裂隙带均为均匀介质)Fig. 2-1 Geological model 1(the caving zone and fracture zones are homogeneous medium)

从图 2-2的叠加剖面上可以清晰地看到裂隙带顶界面、冒落带顶界面以及煤层底板的反射波同相轴；由于突变点的存在，在叠加剖面上出现了绕射波的正半支，负半支被干涉几乎抵消了，可总结为“一个主体，两个尾巴”；又由于冒落带以及裂隙带内部被低速带物质所充填，绕射波进入低速介质后，产生了个时间延迟，即延迟绕射波.经过偏移后得到了图 2-3的偏移剖面，剖面上绕射波几乎都得到了很好的收敛，但延迟绕射波的时间延迟性使得它经过偏移后不能归位为一个点，因此偏移剖面上还存在着延迟绕射波；塌陷采空区内也形成一些连续的界面反射波：冒落带与裂隙带的顶界面反射波同相轴；且煤层底板反射波同相轴也出现明显的时间延迟现象，频率也明显变低.

图 2-2

Fig. 2-2

图 2-2 地质模型1叠加剖面Fig. 2-2 The Stack section of geological model 1

图 2-3

Fig. 2-3

图 2-3 地质模型1偏移剖面Fig. 2-3 The migration section of geological model 1

模型2—冒落带、裂隙带均为连续性介质，存在着波阻抗差异

图 2-4的地质模型2与图2-1的地质模型1基本形同，区别在于这个模型的冒落带与裂隙带均为连续性介质.由冒落带与裂隙带的孔、裂隙特征 可知：“两带”的速度从上至下均由高到低连续性地变化.假设冒落带与裂隙带之间有一个明显的地层分界面，即存在着波阻抗差异.通过对该模型模拟放炮，并进行处理，得到了该模型的叠加剖面和偏移剖面(见图 2-5和图2-6).

图 2-4

Fig. 2-4

图 2-4 地质模型2(冒落带、裂隙带均为连续性介质，存在着波阻抗差异)Fig. 2-4 Geological model 2(the caving zone and fracture zones are continuous medium which the wave impedance is different)

图 2-5

Fig. 2-5

图 2-5 地质模型2叠加剖面Fig. 2-5 The Stack section of geological model 2

图 2-6

Fig. 2-6

图 2-6 地质模型2偏移剖面Fig. 2-6 The migration section of geological model 2

图 2-5的叠加剖面与图 2-2的叠加剖面基本相同，区别在于塌陷采空区煤层底板的反射波同相轴没有均匀介质连续性好，而是出现了分叉现象.经偏移处理后得到了图 2-6的偏移剖面与图 2-3的偏移剖面很相似，区别在于剖面上塌 陷采空区内形成一些连续的界面反射波(裂隙带顶界面反射波)和不连续的界面反射波，类似于“蚯蚓状”排列，波形杂乱.

模型3—冒落带、裂隙带均为连续性介质，无波阻抗差异

图 2-7的地质模型3与图 2-4的地质模型2基本形同，区别在于冒落带与裂隙带之间无地层分界面，即不存在波阻抗差异.对该模型进行正演模拟，得到了该模型的叠加剖面和偏移剖面(见图 2-8和图 2-9).

图 2-7

Fig. 2-7

图 2-7 地质模型3(冒落带、裂隙带均为连续性介质，无波阻抗差异)Fig. 2-7 Geological model 3(the caving zone and fracture zones are continuous medium which the wave impedance is equal)

图 2-8

Fig. 2-8

图 2-8 地质模型3叠加剖面Fig. 2-8 The Stack section of geological model 3

图 2-9

Fig. 2-9

图 2-9 地质模型3偏移剖面Fig. 2-9 The migration section of geological model 3

图 2-8的叠加剖面与图 2-2的叠加剖面基本相同，区别在于剖面上没有出现冒落带顶界面反射波同相轴.经偏移处理后得到了图 2-9的偏移剖面，剖面上塌陷采空区内形成一些连续的界面反射波(裂隙带顶界面反射波)和不连续的界面反射波，类似于“蚯蚓状”排列，波形杂乱；煤层底板同相轴出现明显的时间延迟现象，频率也明显变低；且煤层底板下方也存在着明显的延迟绕射波. 3 实例分析

本次三维地震勘探位于山西省某矿区，勘探解释圈定了8号煤层塌陷采空破坏区4块.由于煤层开采、煤层顶板的塌陷，松散凌乱的塌落物和裂缝的存在，使地震波的正常传播路径遭到严重破坏，地震波在8号煤层塌陷采空破坏区附近散射严重，能量损失较大，且传播路径畸变，导致反射波的连续性及波组特征变差，信噪比降低，产生了平行的界面反射波或许多不连续的界面反射波，类似于“蚯蚓状”排列，波形杂乱；煤层底板同相轴出现明显的时间延迟现象，频率也明显降低；塌陷区煤层底板下方也存在着明显 的延迟绕射波.依据以上特征，圈定了8号煤层塌陷采空破坏区.本文以CK2、CK3为 例进行说明塌陷采空破坏区一(CK2)位于勘探区东区西北部，面积 0.1648 km²；塌陷采空破坏区二(CK3)位于勘探区东区东部，面积0.2834 km².塌陷采空破坏区在时间剖面上的显示见图 3-1与图 3-2.

图 3-1

Fig. 3-1

图 3-1 CK2塌陷采空区在时间剖面上的显示Fig. 3-1 The CK2 collapse of gob area on the display of the time section

图 3-2

Fig. 3-2

图 3-2 CK3塌陷采空区在时间剖面上的显示Fig. 3-2 The CK3 collapse of gob area on the display of the time section

由于煤层开采以及顶板的塌陷，塌陷区内形成了松散凌乱的塌落物与裂缝，使得地震波的正常传播路径发生畸变.时间剖面上塌陷采空区内就会产生了许多平行的界面反射波或许多不连续的界面反射波，类似于“蚯蚓状”排列，波形杂乱；塌陷采空区的煤层底板同相轴也会出现明显的时间延迟现象，且频率降低；塌陷区的煤层底板也出现延迟绕射波.上述特征可为地震时间剖面上的塌陷采空区提供可靠的依据，对整合矿井的安全生产提供指导意义.