三維地震勘探技術(shù)在礦山采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

三維地震勘探技術(shù)在礦山采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

1采空區(qū)分布的重要性中國(guó)的金屬礦山開采歷史悠久，留下了許多采空區(qū)。由于各種原因，采空區(qū)的存在是采礦人員和設(shè)備的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。必須確定金屬采礦空間的分布。對(duì)于采空區(qū)探測(cè)的研究,大多數(shù)研究集中在水平或?qū)訝畹V體采空區(qū),如煤田、鹽田采空區(qū)而三維地震勘探技術(shù)具有很高的空間分辨率大寶山礦過去采用空?qǐng)龇ㄩ_采,再加上歷史上的民間開采均為掠奪式、無規(guī)劃、無設(shè)計(jì)地私采濫挖,形成了大量的相對(duì)獨(dú)立的、體積較小的采空區(qū)。由于未作任何處理,隨著時(shí)間的推移,這些采空區(qū)和巷道或自然坍塌,或被封堵。雖然經(jīng)過多方努力,但采空區(qū)資料一直沒有收齊,只收集了小部分民采巷道的測(cè)量資料。這些眾多的民采采空區(qū)分布無規(guī)律,地表無痕跡,積水范圍和積水量無據(jù)可查,給今天的規(guī)?；短扉_采在水滲漏防治和可能的地質(zhì)塌陷等方面帶來了極大的困難。為了采礦人員及采礦設(shè)備的安全,迫切需要探明采空區(qū)分布范圍,為礦區(qū)規(guī)劃和露天開采提供依據(jù)。為此,本文依托大寶山項(xiàng)目進(jìn)行多金屬礦山采空區(qū)三維地震勘探方法技術(shù)研究,對(duì)隱伏的采空區(qū)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查。2該區(qū)域地震地質(zhì)條件2.1平臺(tái)及地形條件經(jīng)過長(zhǎng)期的露天開采,剝離后礦區(qū)地表的現(xiàn)狀大致為:在采場(chǎng)內(nèi)分布多個(gè)大小不等、標(biāo)高不一的工作平臺(tái),各個(gè)工作平臺(tái)以出入道路連接。礦區(qū)西側(cè)為多級(jí)安全平臺(tái)和運(yùn)輸平臺(tái),臺(tái)階參數(shù)為:高度在12m,坡面角度60～65°,臺(tái)階寬度為10m,非工作平臺(tái)高達(dá)336m,邊坡角60°屬高陡邊坡。東側(cè)大多為松散的排土場(chǎng)、廢土堆、廢礦堆、礦堆場(chǎng),以及礦區(qū)辦公、礦區(qū)住地和選礦車間等。測(cè)區(qū)北部中間局部地形相對(duì)平坦。南部地表起伏大,地形為中間低,東西兩側(cè)高,呈階梯狀上升。測(cè)區(qū)東北和東南有一些面積較大的松散礦堆和土堆存在,限制了激發(fā)和接收點(diǎn)的布設(shè),同時(shí)也影響了地震波激發(fā)和接收的效果?？傊?本測(cè)區(qū)地表?xiàng)l件相當(dāng)復(fù)雜。2.2深部地質(zhì)情況根據(jù)礦山開采資料,本次工作區(qū)內(nèi)深部地質(zhì)情況相當(dāng)復(fù)雜,地層破碎不完整,具有一定產(chǎn)狀,巖性多變。中泥盆統(tǒng)東崗嶺組(D3現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集3.1野外施工觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)1:車多影響大。礦區(qū)內(nèi)有數(shù)百臺(tái)采掘和運(yùn)輸?shù)V石的工程車施工,對(duì)前期測(cè)量和鉆井工作影響大。應(yīng)對(duì)措施:車輛來往密集的地方,避開采礦施工時(shí)間,利用礦上中午和晚間休息的時(shí)候進(jìn)行測(cè)量和鉆井工作。部分熱點(diǎn)礦點(diǎn),施工車輛多,地表地形隨時(shí)都可能發(fā)生變化,對(duì)這樣的地區(qū),采用與地震數(shù)據(jù)采集(礦區(qū)部分機(jī)械停止了作業(yè))大致同步的方式進(jìn)行測(cè)量和鉆井工作。難點(diǎn)2:坑深坡陡正點(diǎn)難。工區(qū)內(nèi)采掘礦石形成的深坑、陡坡等地形,使得部分點(diǎn)位測(cè)量、檢波器布設(shè)等受到影響。少數(shù)炮點(diǎn)點(diǎn)位在邊坡上、松散的礦堆上或采掘留下的孤島上,無法成孔或危險(xiǎn)性大,實(shí)際炮點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)井位。應(yīng)對(duì)措施:如果邊坡不是很陡且坡上有設(shè)計(jì)點(diǎn)位,在確保安全的情況下,點(diǎn)位測(cè)量及檢波點(diǎn)布設(shè)在正點(diǎn)位上。如果坡度很陡,考慮到安全因素和接收效果,邊坡上檢波點(diǎn)點(diǎn)位垂直檢波線平移到坡上或坡下,并進(jìn)行點(diǎn)位實(shí)測(cè)。對(duì)于處在邊坡、礦堆或孤島上的炮點(diǎn),采取適當(dāng)偏離的辦法,移到邊坡下方或礦堆四周,成孔后再實(shí)測(cè)井位坐標(biāo)。難點(diǎn)3:樁號(hào)易丟失。由于礦上施工車輛的碾壓,測(cè)量樁號(hào)容易丟失,施工找點(diǎn)困難。應(yīng)對(duì)措施:首先用長(zhǎng)鐵釘將不同顏色標(biāo)記的炮點(diǎn)(白色)和檢波點(diǎn)(紅色)點(diǎn)線號(hào)的布條固定在地上,必要時(shí)用石頭壓住或圍擋,避免車輛碾壓。對(duì)丟失的標(biāo)記在地震勘探數(shù)據(jù)采集前進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)測(cè)。難點(diǎn)4:炮孔易塌方。部分炮井容易塌方堵塞,下藥深度受到影響。應(yīng)對(duì)措施:成孔后,立即插入PVC管進(jìn)行護(hù)孔,或用沙包蓋住孔口,既保護(hù)井口不至于塌陷,也可作為明顯的標(biāo)志,以免汽車碾壓。難點(diǎn)5:數(shù)據(jù)采集時(shí)間短。為了采集高信噪比的地震原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集時(shí)需要所有采掘工程車輛停止作業(yè)。為盡量減少數(shù)據(jù)采集期間礦區(qū)因停工造成的損失,礦上提供的用于數(shù)據(jù)采集的時(shí)間很短。應(yīng)對(duì)措施:在數(shù)據(jù)采集前做好各項(xiàng)前期準(zhǔn)備工作,包括全部接收點(diǎn)點(diǎn)位的測(cè)量,全部炮井的成孔(需礦區(qū)停產(chǎn)后補(bǔ)測(cè)和補(bǔ)打的除外),儀器設(shè)備的調(diào)試,部分沒有車輛來往地段的檢波器和電纜的鋪設(shè)等,這樣可以在采礦施工停工期間提高地震數(shù)據(jù)采集效率。數(shù)據(jù)采集期間,停止附近所有采礦工程車的作業(yè)。難點(diǎn)6:檢波器布設(shè)難。部分地面特別是工程車碾壓后的路面,地表堅(jiān)硬,檢波器布設(shè)困難。應(yīng)對(duì)措施:用鑿子在地面打洞填上松土,再將檢波器插實(shí)。對(duì)部分鑿子都無法打孔的地面,把檢波器立于地面并用石頭固定好,上面壓上石頭,使之與地面緊密接觸。難點(diǎn)7:施工范圍受限。工區(qū)西側(cè)是陡立的采礦臺(tái)階,東側(cè)為松散的排土場(chǎng)、堆礦場(chǎng)等,受此影響,東西向布線長(zhǎng)度受到限制。應(yīng)對(duì)措施:為了盡可能增大地震波反射點(diǎn)范圍和勘探區(qū)域,提高共反射點(diǎn)覆蓋次數(shù)和工區(qū)覆蓋次數(shù)的均勻性,在設(shè)計(jì)本次野外施工的觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)考慮了以下兩個(gè)方面的問題,一是工區(qū)東西兩側(cè)增加炮點(diǎn),在檢波點(diǎn)不變的情況下,擴(kuò)大東西向反射點(diǎn)的范圍;二是增加每一束接收的檢波線,考慮“蛇形”排列的需要,由原設(shè)計(jì)的8線根據(jù)東西寬度增加到12或14條線。3.2觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于三維地震資料的野外采集而言,選擇合理的觀測(cè)系統(tǒng)是獲得高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)的前提,觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一定要遵循一定的原則并按照切實(shí)可行的工作流程實(shí)施。觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要綜合考慮地質(zhì)任務(wù)、工區(qū)的地形地貌、人文條件以及所用設(shè)備等因素。設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)的主要原則包括:1)三維觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受地面條件的制約,因此設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)工區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查,并根據(jù)地形地貌情況采用不規(guī)則測(cè)網(wǎng)。2)在確定觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮具體的地質(zhì)任務(wù)和地下地質(zhì)情況以及各種干擾波的特點(diǎn)等因素。3)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)布設(shè)時(shí)要同時(shí)兼顧大中小炮檢距,保證同時(shí)勘探淺、中、深各個(gè)目標(biāo)層,使得觀測(cè)系統(tǒng)既能夠保證取得各個(gè)目標(biāo)層的有效反射信息,又能便于后續(xù)的各種分析和處理。4)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)盡量按寬方位布設(shè),使縱橫向炮檢距盡量接近,保證共中心面元內(nèi)反射點(diǎn)信息來自各個(gè)方向。5)各面元上的覆蓋次數(shù)應(yīng)盡可能的相同或者相近,且在全區(qū)范圍內(nèi),保證反射波振幅、頻率成分和記錄特征均勻穩(wěn)定,如圖1所示。由于場(chǎng)地限制,本次三維地震勘探所選用的觀測(cè)系統(tǒng)類型為非規(guī)則三維束狀觀測(cè)系統(tǒng),具體參數(shù)如下:接收道距10m,激發(fā)線距20m,炮點(diǎn)距20m,炮線距30m。從北往南布設(shè)8個(gè)接收線束,每束采用全排列接收,每束接收線數(shù)最小為12線,最大為14線,最小接收道數(shù)為431道,最大接收道數(shù)為509道,最大覆蓋次數(shù)為48次。4地震數(shù)據(jù)的處理和解釋4.1辨率、高保真度和準(zhǔn)確成像技術(shù)地震資料的數(shù)字處理的基本目標(biāo)為“三高一準(zhǔn)”,即高信噪比、高分辨率、高保真度和準(zhǔn)確成像。在分析原始記錄波場(chǎng)特征的基礎(chǔ)上,針對(duì)地質(zhì)任務(wù)和處理要求,對(duì)本次資料的處理過程制定了詳細(xì)的規(guī)劃,主要進(jìn)行了必要的參數(shù)測(cè)試及質(zhì)量檢查,重點(diǎn)做好以下幾方面的工作。4.1.1初始的空間屬性準(zhǔn)確定義空間屬性,是保證資料處理正確與否的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。首先根據(jù)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)位置和關(guān)系文件定義初始的空間屬性;然后結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行空間屬性的檢查和修改。4.1.2靜校正處理,指檢出分析由于測(cè)區(qū)地表有一定的起伏、淺表層介質(zhì)速度橫向不均勻,導(dǎo)致觀測(cè)到的時(shí)距曲線是一條發(fā)生了畸變的雙曲線,不能正確地反映地下的構(gòu)造形態(tài),必須進(jìn)行靜校正處理。野外靜校正是將所有的炮點(diǎn)和接收點(diǎn)位置校正到一個(gè)公共基準(zhǔn)面上,以消除高程、低降速帶和井深對(duì)旅行時(shí)的影響。經(jīng)對(duì)比層析靜校正和折射靜校正結(jié)果,選擇效果較好的折射靜校正作為本次資料靜校正方法。4.1.3人為干擾波區(qū)內(nèi)發(fā)育的干擾波主要為面波、聲波等規(guī)則干擾波以及環(huán)境噪聲等不規(guī)則干擾波,尤其是人為干擾波特別嚴(yán)重,主要是運(yùn)礦車輛和采礦設(shè)備干擾。針對(duì)這些干擾波的壓制主要采取了以下幾個(gè)方面的措施。1處理方法剔除壞道、壞炮、振幅異常道、對(duì)反道進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)等。21抑制聲波的處理根據(jù)聲波的頻率相對(duì)較高、速度低及單道衰減快的特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行去除和壓制處理。3干擾波疊加處理面波干擾主要分布在近偏移距范圍,具有較低的頻率和較低的視速度,部分能量較強(qiáng)。在圖2噪音衰減前后疊加對(duì)比圖中可以看到,經(jīng)過多步處理后,各種干擾波被壓制,反射信息有所突出。與噪音衰減前的疊加剖面比較,去噪之后的疊加剖面,信噪比有較大的提高。4.1.4致性振幅補(bǔ)償用地表一致性振幅補(bǔ)償來消除由于地表激發(fā)條件、接收條件不同引起的地震波振幅空間變化。地表一致性振幅補(bǔ)償是通過對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)所有地震記錄在給定的時(shí)窗內(nèi)分別統(tǒng)計(jì)共炮點(diǎn)、共檢波點(diǎn)、共偏移距記錄道的平均振幅值,根據(jù)統(tǒng)一規(guī)定的振幅歸一化標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算共炮點(diǎn)、共檢波點(diǎn)、共偏移距的振幅調(diào)整因子,并對(duì)各自的地震道進(jìn)行調(diào)整,達(dá)到地表一致性振幅均衡,并且保持地震道的相對(duì)振幅關(guān)系。4.1.5反褶積技術(shù)的應(yīng)用反褶積的作用:一是子波整形;二是壓縮子波,在提高分辨率的同時(shí),對(duì)層間多次波、虛反射等也有很好的壓制作用。反褶積效果的好壞影響到剖面質(zhì)量和成像結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中常根據(jù)資料的具體情況和地質(zhì)任務(wù)的要求,采用合適的反褶積方法來達(dá)到上述目的。經(jīng)過測(cè)試,本次處理選擇了地表一致性預(yù)測(cè)反褶積。4.1.6高效掃描道集質(zhì)量控制速度分析前,首先進(jìn)行初至切除,分段進(jìn)行速度掃描,求取較為可靠的參考速度,然后進(jìn)行速度譜分析。速度分析采用交互速度分析技術(shù),運(yùn)用速度掃描道集有效波校正情況及疊加剖面效果進(jìn)行質(zhì)量控制,利用在疊加剖面上拾取的目的層位來指導(dǎo)速度拾取。本次速度分析工作做得很仔細(xì),先按40m×40m的間隔來拾取速度,進(jìn)行初疊加,然后根據(jù)疊加剖面的效果和資料的構(gòu)造特征,及時(shí)進(jìn)行速度調(diào)整、修改,確保速度拾取準(zhǔn)確,在構(gòu)造變化部位采用加密速度分析點(diǎn)的辦法進(jìn)行控制。速度分析與剩余靜校正迭代處理,提高速度譜的分析質(zhì)量,反復(fù)迭代直至得到最準(zhǔn)確的速度信息和滿意的疊加剖面。4.1.7自動(dòng)剩余靜校正處理地震數(shù)據(jù)經(jīng)過折射靜校正后,仍有剩余靜校正量存在,因此做好剩余靜校正也是處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。自動(dòng)剩余靜校正主要用來消除高程及低降速帶校正后殘余的短波長(zhǎng)靜態(tài)時(shí)差的影響,改善疊加成像,提高資料的信噪比。本次處理經(jīng)過對(duì)多種剩余靜校正方法的試驗(yàn)、效果分析對(duì)比,并根據(jù)以往的處理經(jīng)驗(yàn),最后采用最大能量自動(dòng)靜校。該方法的計(jì)算步驟為模型建立、相關(guān)計(jì)算、靜校正量計(jì)算、靜校正量應(yīng)用。4.1.8重疊時(shí)間偏移處理偏移方法測(cè)試:疊后有很多種偏移方法可供選擇,本次處理對(duì)4.2資料解釋及解釋根據(jù)任務(wù)要求本次地震資料解釋主要內(nèi)容有:地震地質(zhì)層位及構(gòu)造解釋;崩塌區(qū)、采空區(qū)解釋。4.2.1露地表地層及淺地表地層結(jié)構(gòu)地震地質(zhì)層位的識(shí)別是地震資料解釋的基礎(chǔ)。通常采用測(cè)區(qū)聲速測(cè)井資料,制作人工合成記錄,進(jìn)行層位標(biāo)定,來確定目標(biāo)層位反射波在時(shí)間剖面上的位置。在無聲速測(cè)井資料的情況下,根據(jù)掌握的目標(biāo)層深度和巖層速度來估算目標(biāo)層位置。本區(qū)屬于多金屬礦區(qū),淺地表由于露天開采已經(jīng)剝離幾十米或上百米,現(xiàn)出露地表地層多為東崗嶺組上亞組地層,以中酸性火山碎巖沉積為主的粉砂質(zhì)頁巖、泥巖含褐鐵礦、菱鐵礦,夾黏土層,該地層彈性波傳播速度較低,根據(jù)單炮記錄的速度測(cè)定在1800～2000m/s,中深部為東崗嶺組下亞組地層,以淺海相沉積的泥灰?guī)r、白云巖粉砂巖為主,礦床圍巖蝕變強(qiáng)烈,含銅鉛鋅多金屬礦層,彈性波傳播速度較高,一般在3000～4000m/s,由此可以看出東崗嶺組上亞組和下亞組地層之間有明顯速度差異,可以形成反射。但礦體的不規(guī)則性破壞了成層性,導(dǎo)致地層橫向不均勻性加劇,反射波連續(xù)性變差和相同界面反射波的特征(振幅、頻率)產(chǎn)生變異,增加識(shí)別和解釋難度。4.2.2正確處理采空區(qū)在地震剖面上的表現(xiàn)特征崩塌區(qū)為原采空區(qū)頂板受到破壞,使其上部地層坍塌,巖性顆粒相對(duì)較松散,在時(shí)間剖面的反射波場(chǎng)特征為反射能量變?nèi)?頻率降低。由于塌陷,頂板破壞導(dǎo)致反射界面不連續(xù),地震偏移數(shù)據(jù)體上東崗嶺組下亞段較連續(xù)的反射界面不復(fù)存在。采空區(qū)不同于一般的褶曲和斷層等構(gòu)造,常常孤立出現(xiàn),分布規(guī)律性差、大小不等,最小可分辨的采空區(qū)在地震剖面上有時(shí)僅有十幾道顯示,所以在采空區(qū)解釋過程中必須特別小心,對(duì)剖面中的一些異?，F(xiàn)象,認(rèn)真分析判斷。掌握采空區(qū)在時(shí)間剖面上的表現(xiàn)特征,對(duì)采空區(qū)的判斷及解釋尤其重要。在時(shí)間剖面中,采空區(qū)一般具有如下特征:①反射波組中斷能量變?nèi)趸蛲蝗怀霈F(xiàn)局部強(qiáng)反射。礦層反射波同相軸明顯終斷或能量變?nèi)?其中斷點(diǎn)或能量變化位置即為邊界的反映;在弱反射中突然出現(xiàn)局部強(qiáng)反射,強(qiáng)反射點(diǎn)即為采空區(qū)所在的位置。②地震波頻率的突變。在地震剖面上,采空區(qū)處地震波的頻率突然降低,其頻率變化位置即為邊界的反映。③反射波同相軸扭曲產(chǎn)狀突變。一系列反射波同相軸向采空區(qū)體內(nèi)側(cè)扭曲,其扭曲起始點(diǎn)之連線即為采空區(qū)的邊界。由于采空區(qū)塌落,使其周圍的地層常產(chǎn)生向采空區(qū)中心方向下傾。④反射波相位轉(zhuǎn)換。反射波極性發(fā)生反轉(zhuǎn),其反轉(zhuǎn)起始點(diǎn)即為采空區(qū)邊界。⑤異常波出現(xiàn)。異常波包括繞射波、延遲繞射波等。繞射波產(chǎn)生于巖性間斷點(diǎn),在有采空區(qū)的地層中,采空區(qū)內(nèi)巖性與圍巖不同。因此,在采空區(qū)的礦層斷面反射段中斷點(diǎn)處(即斷陷點(diǎn)),可產(chǎn)生繞射波。5勘探結(jié)果表明5.1地震地質(zhì)條件分析由于地震數(shù)據(jù)野外采集參數(shù)合理,針對(duì)復(fù)雜的表層地震地質(zhì)條件采取了切實(shí)有效的措施,從圖3中可以看到,本次采集的地震原始