目前，利用三维地震勘探技术探测煤矿采空区已经得到了广泛应用，并取得了良好的效果。随着国家经济的快速发展，矿井开采力度的加大，大部分矿井的浅部煤炭资源已采掘殆尽，其开采目标已转向已采煤层的下组煤层^[1-6]。部分矿井虽进行过三维地震勘探，但受当时地震勘探技术和地震地质条件的限制，探查目标主要为上组煤，而下组煤整体的探测效果不太理想，原有的探测成果不能满足矿井开采的技术要求。下组煤的赋存地质条件及煤层结构相对优先开采的上组煤来说更加复杂，因此，在下组煤开采前进行补充勘探工作尤为重要。

由于上组煤层被开采后形成采空区，应力场的变化使得地球物理场的传播特性发生变化，采空区引起的上覆岩层破坏对地震波有很强的吸收衰减和散射作用，高频衰减强烈，同时破碎围岩及裂隙使地震波波形不规则、紊乱，获得的地震资料频率极低，利用常规地震勘探方法解释采空区下组煤的赋存形态难度加大^{[3, 7-11]}。随着“两宽一高”三维地震与可控震源高效采集、精细化处理和属性体解释等技术趋于成熟，获取的高精度三维地震数据体，对小断层、陷落柱、采空区等探测精度明显提升。

笔者以冀中能源东庞矿采空区下组煤三维地震探测为例，对采空区下组煤的赋存形态进行了研究，并着重对不同年限采空区下组煤波组特征进行分析比较，为今后该类工作提供参考。

1   研究区概况

研究区位于太行山东麓华北平原西缘邢台煤田的北部，井田内的主要可采煤层为二叠系山西组的2号煤，石炭系太原组的6、8、9号煤(表 1)。矿井采用立井–暗斜井多水平开拓方式，分三个水平开采，第一水平–300 m，第二水平–480 m和深部水平。采区巷道布置为走向长壁、采区前进、工作面后退式采煤方法，采用高架综采(一次采全高)，全部垮落法管理顶板。

表  1  研究区煤层参数统计

Table  1.  Coal seam parameters of the study area

地层	煤层编号	见煤孔数	厚度/m	间距/m	倾角/(°)
山西组	2	39	0.64~6.25/4.40	23.50~36.50/30.20	11~37
太原组	3	33	0.13~1.481/0.61	41.30~67.006/54.56	3~33
	6	28	0.30~2.03/1.21	12.30~29.20/21.99
	7	40	0.41~4.530/1.13	21.70~50.60/32.27
	8	37	0.25~2.071/0.84	9.00~39.40/25.51
	9	37	2.90~12.17/6.34
注：0.64~6.25/4.40表示最小~最大值/平均值，其他数据同。

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在经历多年的开采后，井田内的2号煤已基本采完。本次研究区内仅局部残存部分2号煤，下组的6、8、9号煤为矿井下一步的主要采掘煤层，也是三维地震勘探工作探测的主要目的层^[12]。

从不同时期采空区分布图(图 1)中可以看出：本次研究区内分布着不同年限形成的采空区，其中，最老的采空区形成于1988年，最新的采空区形成于2018年，因采空的年代跨度长达30年，致使上覆岩层随着年份的推移沉降情况不尽相同，为下组煤的地震勘探工作带来极大的挑战。

图  1  不同时期采空区分布

Figure  1.  Distribution of goafs in different periods

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1.1   矿井地质概况

研究区被第四系松散沉积物所掩盖，地层由老到新发育有太古界赞皇群、古生界奥陶系、石炭系、二叠系和新生界第四系，其中新生界直接覆盖在基岩面上，地层厚度130.00~199.10 m，平均154.90 m，由南往北逐渐变厚。太原组与山西组为区内的主要含煤地层。上覆基岩厚度130~400 m。区内地层整体为一走向北东倾向南东的单斜构造形态，区内构造不发育。

1.2   地震地质条件

表、浅层地表较平坦，浅层大范围内广布卵砾石、流沙层，其对地震波产生较强散射，在能量衰减的同时也降低了有效波的主频。

中、深层煤层赋存条件较好，煤层与围岩的波阻抗差异较大，地震反射波较为发育，但因本区内2号煤大部分都已采掘，形成大面积的采空区，使得上覆地层出现“三带”，即垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带，采空区对地震波的散射、吸收作用强烈，不利于地震波的传播。

2   三维地震勘探数据采集与处理

2.1   数据采集

依据“两宽一高”的技术要求，参考东庞矿及邻区地震勘探经验，经现场试验确定适合本区的采集参数(表 2)。采集满足“宽方位”、“宽频率”和“高密度”的采集要求，达到了压制干扰、增加目的层的反射能量、提高资料的信噪比的目的^[13-18]。

表  2  研究区采集参数

Table  2.  Collection of parameters of the study area

项目	数值
观测系统	14L×4S×112T×1R束状
纵向排列/m	560-10-10-10-560
接收网格/(m×m)	10×80
激发网格/(m×m)	20×70
CDP网格/(m×m)	5×10
采样间隔/ms	0.5
记录长度/s	2.0
叠加次数	8×7= 56(纵向8次，横向7次)
横纵比	0.93
检波器型号	PS-10
可控震源	Nomad 65
扫描频率/Hz	6~96
扫描长度/s	14
振动台次	2台×6次
驱动电平/%	75(遇障碍物酌减)

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2.2   数据处理

针对研究区特点，地震资料处理阶段除常规处理外采用振幅补偿和频谱拓展等技术提高资料处理质量。

其中应用P. Newman公式计算球面扩散效应，利用合理的均方根速度在纵向上进行炮点、检波点和偏移距方向上进行球面扩散补偿，使浅、中、深层能量得到均衡。地表一致性振幅补偿，对每个记录道利用高斯–塞德尔分解计算三维校正量，补偿地震波在传播过程中由激发条件和接收参数的不一致性导致的振幅能量衰减，消除风化层厚度、速度、激发岩性等地表因素横向变化造成的能量差异^[19-21]。

由于偏移的混叠效应，偏移后资料频率会有所降低。利用Butterworth子波拓宽地震记录优势频率的带宽，拓展并保留低频，突出高频弱反射信息，提高地震记录分辨率(图 2)。

图  2  Butterworth子波双向拓频前后偏移剖面及频谱

Figure  2.  Comparison of migration profile and spectrum before and after bidirectional frequency extension of the Butterworth wavelet

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3   采空区下组煤地震解释

从2号煤和9号煤的沿层切片(图 3)可以看出，研究区内2号煤大部已被采空(图 3a)，仅北部和零星区块存留煤层；图 3b中9号煤反射波波组丰富、能量强、连续性好，成功获取了采空区下组煤的地震信息，充分说明本次采集参数和处理技术的科学性及合理性。

图  3  三维数据体煤层沿层切片

Figure  3.  3D data volume slicing along the seam

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煤层采空后，其地震反射波一般表现为反射波消失，错断、杂乱无章，信噪比低，连续性变差等特征，同时造成下组煤煤层反射波时间延时、振幅减弱、频率降低等现象^{[11, 21-23]}。本次研究通过对20世纪80年代初以来上组煤(2号煤)采空区域的三维地震时间剖面分组，以每间隔10年左右对比(图 4)，可以发现不同间隔时段的采空区下伏煤层及奥灰顶面的地震反射波的能量、连续性、频率变化较大。

图  4  不同年限采空区下组煤反射波特征

Figure  4.  Reflection characteristics of the lower group of coal beneath the goafs of different ages

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1) 30 a及以上

图 4a中，2号煤采空区形成时间分别为1988年、1989年和1990年，反射波同相轴能量强、连续性好、频率较高；表明上覆地层经过30多年自然作用，沉降趋稳、岩层在二次压实作用下已较为密实，对地震波的影响较小。

2) 20~30 a

图 4b中，2号煤采空区形成时间分别为1997年、1999年和2000年左右，分析得出采空区上部地层沉降稳定，对下组煤影响较小。

3) 10~15 a

图 4c中，2号煤采空区形成时间为2004年，分析得出采掘时间为2004年的采空区，上部地层沉降较稳定，下组煤反射波较连续。

4) 10 a内

图 4c、图 4d中，2号煤采空区时间分别为2010年、2014年和2018年，分析得出该区域采空区形成时间短，采空区内地层破碎、松散，未压实，极不稳定，下组煤反射波能量弱、连续性差、频率低，波形延时弯曲、杂乱。特别是采掘时间为2018年的采空区，下组煤反射波杂乱无序，难于追踪。

从上述分析可知，随着采空时间越久地层塌陷和沉降趋于稳定，破碎岩层经多年二次压实作用后，相对更加密实，有利于地震反射波的形成，这一现象从不同年限采空区下地震时间剖面得到了印证。在对采空区下组煤进行勘探时，采空时间要在10年以上，此时上覆岩层沉降基本稳定，采空区下组煤反射波能量强、连续性好、频率较高，易于解释。

4   结论

a. 为解决采空区的散射和高频衰减，采用较宽方位角观测系统、较高的采集密度和叠加次数，可以获得较高质量的原始数据。

b. 采用振幅补偿消除地震波能量衰减、Butterworth子波“载波调制”技术拓宽地震记录保留低频、突出高频弱反射信息，可以获得较高质量的三维数据体。

c. 采空区形成时间需达到10年以上，岩层沉降稳定，压实作用使得破碎岩层相对密实，对下组煤勘探影响相对减小，有利于地震反射波形成。