CN103424769A - 一种采空区联合多波地震勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合多波地震勘探方法，方法的步骤为：地质踏勘及地质、地球物理资料收集；波场调查及观测系统设置；采用高压气体冲击震源激发具有频带宽、高频丰富、低频响应好、动态范围大特点的弹性波，经地下介质传播至目标物；采用S-LAND全数字化数据采集系统接收具有高分辨率、高信噪比、高保真度特点的目标物相关信息；对地震地质变异的联合多波场进行识别。本发明的有益效果是为地下采空区探测提供了快速、有效、高精度、低成本的勘探方法，可以取得良好的地质效果和经济效益。

Description

一种采空区联合多波地震勘探方法

技术领域

本发明涉及一种采空区探测方法，尤其是一种采空区联合多波地震勘探方法。

背景技术

随着人口的增长及工业化进程的推进，对能源和原材料的需求越来越大，从而使采空区面积也越来越大。采空区所带来的主要地质灾害是地表变形和采空塌陷。其特点是，采空区面积区域性差异大，所产生的地质灾害及带来的影响也各不相同。地下采空区的探测技术，是采空区探测与治理问题研究的关键技术之一。国内外对采空区的探测，目前主要以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。美国等西方发达国家以物探为主，而我国迄今仍以钻探为主，物探为辅。其中，美国的电法、电磁法、微重力法、地震法等探测技术比较全面，技术水平也很高；日本的地震波法应用最为广泛，电法、电磁法及地球物理测井等方法应用也较多；俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁法透射、射气测量技术等；英、法等国家以地质雷达方法应用较好，微重力法、浅层地震法也有使用。我国在利用地球物理勘探技术探测采空区方面做了大量的工作，发展了多种方法，有些技术如瞬态瑞利波法等已达到国际领先水平。

研究一种快速、有效、高精度、低成本的联合多波地震勘探方法，对采空区进行探测，并取得良好的地质效果。

发明内容

本发明的目的是要提供一种快速、有效、高精度、低成本的联合多波地震勘探方法，用于探测采空区的分布范围。

为实现上述目的，本发明采用基于高压气体冲击震源的弹性波激发技术、基于S-LAND全数字化数据采集系统的地震数据采集技术、基于地震地质变异的联合多波波场识别技术。本发明采用的技术方案是：一种联合多波地震勘探方法，其特点是，该方法的具体步骤为：

1.地质踏勘及地质、地球物理资料收集：基于采空区形成与发育机理：开采物质被采出后，在重力和地层应力作用下，自顶板岩层向上形成三带，即垮落带、导水裂隙带/断裂带和弯曲带，就采空区上方地表岩移现象而言，多见有地裂缝和地表塌陷，采空区地表裂缝的发育及其规模、宽度和延伸等几何特征，取决于采空区的深度、面积、地形、地貌、地层岩性等地质和矿井开采条件，常表现有地表移动盆地型地裂缝和采空区塌陷型地裂缝样式，上述地质特征因其岩性波阻抗、波速度变化差异在联合多波地震波场上均会因波场发生畸变而有所表征；对预定地区进行地质踏勘并收集地质、地球物理资料，其中主要包括地质─地球物理─地球化学信息、物性信息、钻探工程信息、水文地质工程信息、采矿工程信息和地表环境信息，以及岩性的波阻抗、波速度等参数信息，从中提取以开采物质及其围岩以及地震标准层、高速夹层、低速带等地震地质信息，确定其赋存层位及顶、底板埋深；

2.波场调查及观测系统设置：在预定地区布设扩展排列，采用中间或单边弹性波激发，小道间距、多道接收，进行观测系统参数试验、激发能量试验和环境噪音检测，以了解外界干扰源的强度、分布特征和频率特征，根据波场调查记录，记录中有直达波、初至折射波、目的层反射波、声波、面波，其中，直达波为首波，能量强；初至折射波为直达波以外的首波，能量强；目的层反射波为开采介质反射波，能量强，未采部分波组连续性好；面波以扇形出现于近炮点，能量强；声波出现于近炮点，为较弱干扰波，经各波组分布范围和波组特征分析，选择最佳排列参数，以保证有效波传达到探测目的层的同时，最大程度避开干扰波，依据预定地区的地震地质条件，设置基于高压气体冲击震源和S-LAND全数字化数据采集系统的观测系统；

3.采用高压气体冲击震源激发具有频带宽、高频丰富、低频响应好、动态范围大特点的弹性波，经地下介质传播至目标物；

4.采用S-LAND全数字化数据采集系统接收具有高分辨率、高信噪比、高保真度特点的目标物相关信息；

5.对地震地质变异的联合多波场进行识别：鉴于地震波进入地下介质时

的地球物理属性，如弹性波传播时的速度、频率、振幅、波形、相位等与空间位置的关系，弹性波传播中的空间位置与传播时间的关系，以及弹性波在介质中传播产生的反射、折射、绕射、透射等特性及其响应的弹性波；预定区采集数据经处理后展现出表征下伏地质体结构与构造特征响应的弹性波联合多波场，联合多波长的识别是建立在已知采空区联合多波场表征的基础上的，在已知采空区上方建立基于高压气体冲击震源的弹性波激发技术、S-LAND全数字化数据采集系统的地震数据采集技术和地震地质变异的联合多波场识别技术为内涵的已知采空区地震波场表征和认知，对预定区地震波场进行比对和识别；

6.联合多波地震勘探成果综合解释：根据本实施例的技术方案，通过综合分析联合多波波场畸变特征及其相互印证、相互补充表征，结合地质踏勘认知和地质、地球物理资料标识，将采空区联合多波波场特征场地球物理资料转变为推断的采空区地质体或现象，并进而对它们从空间上和时间上作出合乎地质学原理的采空区地质解释，从而寻找和发现采空区，提高发现采空区的成功率，为采空区治理提供目标区。

由于本发明使用一种专项研发的高压气体冲击震源作弹性波激发震源，使激发的弹性波具有频带宽、高频丰富、低频响应好、动态范围大的特点；应用一种S-LAND全数字化地震数据采集系统实施高密度、高精度数据采集，使数据信号具有高分辨率、高信噪比、高保真度特点；采用反射波法、散射波法、折射层析成像法、共偏移距法、双源面波法等联合多波地震勘探技术进行采空区探测，使探测成果能相互印证、相互补充。所激发的弹性波经地下介质传播至目标物，携带着与目标物相关信息通过数据采集系统予以接收，信息经处理后表征为联合多波波场，依据已知采空区的地震波场畸变与地质异常对应关系而建立的联合多波波场识别标识，解释出地下采空区分布范围。因此，本发明是为地下采空区探测提供了快速、有效、高精度、低成本的勘探方法，可以取得良好的地质效果和经济效益。

附图说明

图1为采空区联合多波地震勘探方法流程图；

图2为波场调查记录图；

图3高压气体冲击震源的地震频谱特征；

图4地震有裂缝、塌陷处的单炮地震记录；

图5地表裂缝密集处的面波记录；

图6为采空区上方的纵波反射时间剖面；

图7为采空区上方的散射波地震剖面；

图8为采空区的频散曲线畸变图；

图9为采空区天然源面波速度剖面图；

图10采空区折射层析速度剖面图；

图11为采空区共偏移距地震剖面图；

图12为频谱分析成果图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为一种采空区联合多波地震勘探方法主要流程图。该方法包括基于高压气体冲击震源的弹性波激发技术、基于S-LAND全数字化数据采集系统的地震数据采集技术、基于地震地质变异的联合多波波场识别技术。该方法的具体步骤为：

1.地质踏勘及地质、地球物理资料收集。所述方法是基于这样的采空区形成与发育机理：开采物质被采出后，在重力和地层应力作用下，自顶板岩层向上形成三带，即垮落带、导水裂隙带/断裂带和弯曲带。就采空区上方地表岩移现象而言，多见有地裂缝和地表塌陷。采空区地表裂缝的发育及其规模、宽度和延伸等几何特征，取决于采空区的深度、面积、地形、地貌、地层岩性等地质和矿井开采条件。常表现有地表移动盆地型地裂缝和采空区塌陷型地裂缝样式。上述地质特征因其岩性波阻抗、波速度变化差异在联合多波地震波场上均会因波场发生畸变而有所表征。

因此，对预定地区进行地质踏勘并收集地质、地球物理资料，其中主要包括地质─地球物理─地球化学信息、物性信息、钻探工程信息、水文地质工程信息、采矿工程信息和地表环境信息，以及岩性的波阻抗、波速度等参数信息，从中提取以开采物质及其围岩以及地震标准层、高速夹层、低速带等地震地质信息，确定其赋存层位及顶、底板埋深。

2.波场调查及观测系统设置。在预定地区布设扩展排列，采用中间或单边弹性波激发，小道间距（如3m）、多道（如72道）接收，进行观测系统参数试验、激发能量试验和环境噪音检测，以了解外界干扰源的强度、分布特征和频率特征等。如图2所示，是根据本发明实施例所述波场调查记录。记录中有直达波、初至折射波、目的层反射波、声波、面波等。其中，直达波为首波，能量强；初至折射波为直达波以外的首波，能量强；目的层反射波为开采介质反射波，能量强，未采部分波组连续性好；面波以扇形出现于近炮点，能量强；声波出现于近炮点，为较弱干扰波。经各波组分布范围和波组特征分析，选择最佳排列参数，以保证有效波传达到探测目的层的同时，最大程度避开干扰波。依据预定地区的地震地质条件，设置基于高压气体冲击震源和S-LAND全数字化数据采集系统的观测系统。

3.基于高压气体冲击震源的弹性波激发。如图3所示，高压气体冲击震源激发具有频带宽、高频丰富、低频响应好、动态范围大特点的弹性波，经地下介质传播至目标物。

4.基于S-LAND全数字化数据采集系统的地震数据采集。如图4和图5所示，S-LAND全数字化数据采集系统接收具有高分辨率、高信噪比、高保真度特点的目标物相关信息。

5.基于地震地质变异的联合多波场识别。鉴于地震波进入地下介质时的地球物理属性，如弹性波传播时的速度、频率、振幅、波形、相位等与空间位置的关系，弹性波传播中的空间位置与传播时间的关系，以及弹性波在介质中传播产生的反射、折射、绕射、透射等特性及其响应的弹性波。预定区采集数据经处理后展现出表征下伏地质体结构与构造特征响应的弹性波联合多波场。联合多波长的识别是建立在已知采空区联合多波场表征的基础上的。在已知采空区上方建立基于高压气体冲击震源的弹性波激发技术、S-LAND全数字化数据采集系统的地震数据采集技术和地震地质变异的联合多波场识别技术为内涵的已知采空区地震波场表征和认知，对预定区地震波场进行比对和识别。

如图6至图12所示，为目标物信息经处理后表征的联合多波波场。其中，图6所示纵波反射波中断区段或波形呈不规则、紊乱、频率降低等特征区段，均为采空区；图7为采空区上方的散射波地震剖面，在最小到达时150ms和300ms处有两组呈双曲线状的散射波，是定性判断采空区存在的单解解释标志；图8为采空区的频散曲线畸变图，所示频散曲线畸变部位为采空区；图9所示天然源面波低速异常区段为采空区；图10为采空区折射层析速度剖面图，当地震波在速度分界面产生滑行引起震动，采空区处呈明显低速异常；图11所示共偏移距地震剖面无能量区段为采空区，图中第69道、第123道为采空区；图12所示频谱特征表现出高频成分少、振幅小特点，为采空区。

6.联合多波地震勘探成果综合解释。地震剖面是地质剖面对地震波的响应，其中蕴藏着极其丰富的地质信息。因此，联合多波波场对于采空区表征具有指向性。根据本实施例的技术方案，通过综合分析联合多波波场畸变特征及其相互印证、相互补充表征，结合地质踏勘认知和地质、地球物理资料标识，将采空区联合多波波场特征场地球物理资料转变为推断的采空区地质体或现象，并进而对它们从空间上和时间上作出合乎地质学原理的采空区地质解释，从而寻找和发现采空区，提高发现采空区的成功率，为采空区治理提供目标区。

以上所述仅为本发明构思下的优选实施例基本说明，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，依据本发明的技术方案所作任何修改、等同替换、改进等，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种联合多波地震勘探方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）地质踏勘及地质、地球物理资料收集：基于采空区形成与发育机理：开采物质被采出后，在重力和地层应力作用下，自顶板岩层向上形成三带，即垮落带、导水裂隙带/断裂带和弯曲带，就采空区上方地表岩移现象而言，多见有地裂缝和地表塌陷，采空区地表裂缝的发育及其规模、宽度和延伸等几何特征，取决于采空区的深度、面积、地形、地貌、地层岩性等地质和矿井开采条件，常表现有地表移动盆地型地裂缝和采空区塌陷型地裂缝样式，上述地质特征因其岩性波阻抗、波速度变化差异在联合多波地震波场上均会因波场发生畸变而有所表征；对预定地区进行地质踏勘并收集地质、地球物理资料，其中主要包括地质─地球物理─地球化学信息、物性信息、钻探工程信息、水文地质工程信息、采矿工程信息和地表环境信息，以及岩性的波阻抗、波速度等参数信息，从中提取以开采物质及其围岩以及地震标准层、高速夹层、低速带等地震地质信息，确定其赋存层位及顶、底板埋深；

（2）波场调查及观测系统设置：在预定地区布设扩展排列，采用中间或单边弹性波激发，小道间距、多道接收，进行观测系统参数试验、激发能量试验和环境噪音检测，以了解外界干扰源的强度、分布特征和频率特征，根据波场调查记录，记录中有直达波、初至折射波、目的层反射波、声波、面波，其中，直达波为首波，能量强；初至折射波为直达波以外的首波，能量强；目的层反射波为开采介质反射波，能量强，未采部分波组连续性好；面波以扇形出现于近炮点，能量强；声波出现于近炮点，为较弱干扰波，经各波组分布范围和波组特征分析，选择最佳排列参数，以保证有效波传达到探测目的层的同时，最大程度避开干扰波，依据预定地区的地震地质条件，设置基于高压气体冲击震源和S-LAND全数字化数据采集系统的观测系统；

（3）采用高压气体冲击震源激发具有频带宽、高频丰富、低频响应好、动态范围大特点的弹性波，经地下介质传播至目标物；

（4）采用S-LAND全数字化数据采集系统接收具有高分辨率、高信噪比、高保真度特点的目标物相关信息；

（5）对地震地质变异的联合多波场进行识别：鉴于地震波进入地下介质时

的地球物理属性，如弹性波传播时的速度、频率、振幅、波形、相位等与空间位置的关系，弹性波传播中的空间位置与传播时间的关系，以及弹性波在介质中传播产生的反射、折射、绕射、透射等特性及其响应的弹性波；预定区采集数据经处理后展现出表征下伏地质体结构与构造特征响应的弹性波联合多波场，联合多波长的识别是建立在已知采空区联合多波场表征的基础上的，在已知采空区上方建立基于高压气体冲击震源的弹性波激发技术、S-LAND全数字化数据采集系统的地震数据采集技术和地震地质变异的联合多波场识别技术为内涵的已知采空区地震波场表征和认知，对预定区地震波场进行比对和识别；

（6）联合多波地震勘探成果综合解释：根据本实施例的技术方案，通过综合分析联合多波波场畸变特征及其相互印证、相互补充表征，结合地质踏勘认知和地质、地球物理资料标识，将采空区联合多波波场特征场地球物理资料转变为推断的采空区地质体或现象，并进而对它们从空间上和时间上作出合乎地质学原理的采空区地质解释，从而寻找和发现采空区，提高发现采空区的成功率，为采空区治理提供目标区。

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