三維地震勘探技術在礦山采空區(qū)勘探中的應用

三維地震勘探技術在礦山采空區(qū)勘探中的應用

1采空區(qū)分布的重要性中國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備的潛在安全風險。必須確定金屬采礦空間的分布。對于采空區(qū)探測的研究,大多數(shù)研究集中在水平或層狀礦體采空區(qū),如煤田、鹽田采空區(qū)而三維地震勘探技術具有很高的空間分辨率大寶山礦過去采用空場法開采,再加上歷史上的民間開采均為掠奪式、無規(guī)劃、無設計地私采濫挖,形成了大量的相對獨立的、體積較小的采空區(qū)。由于未作任何處理,隨著時間的推移,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塌陷等方面帶來了極大的困難。為了采礦人員及采礦設備的安全,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,本文依托大寶山項目進行多金屬礦山采空區(qū)三維地震勘探方法技術研究,對隱伏的采空區(qū)進行地質調查。2該區(qū)域地震地質條件2.1平臺及地形條件經(jīng)過長期的露天開采,剝離后礦區(qū)地表的現(xiàn)狀大致為:在采場內分布多個大小不等、標高不一的工作平臺,各個工作平臺以出入道路連接。礦區(qū)西側為多級安全平臺和運輸平臺,臺階參數(shù)為:高度在12m,坡面角度60～65°,臺階寬度為10m,非工作平臺高達336m,邊坡角60°屬高陡邊坡。東側大多為松散的排土場、廢土堆、廢礦堆、礦堆場,以及礦區(qū)辦公、礦區(qū)住地和選礦車間等。測區(qū)北部中間局部地形相對平坦。南部地表起伏大,地形為中間低,東西兩側高,呈階梯狀上升。測區(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)和接收點的布設,同時也影響了地震波激發(fā)和接收的效果?？傊?本測區(qū)地表條件相當復雜。2.2深部地質情況根據(jù)礦山開采資料,本次工作區(qū)內深部地質情況相當復雜,地層破碎不完整,具有一定產狀,巖性多變。中泥盆統(tǒng)東崗嶺組(D3現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集3.1野外施工觀測系統(tǒng)設計難點1:車多影響大。礦區(qū)內有數(shù)百臺采掘和運輸?shù)V石的工程車施工,對前期測量和鉆井工作影響大。應對措施:車輛來往密集的地方,避開采礦施工時間,利用礦上中午和晚間休息的時候進行測量和鉆井工作。部分熱點礦點,施工車輛多,地表地形隨時都可能發(fā)生變化,對這樣的地區(qū),采用與地震數(shù)據(jù)采集(礦區(qū)部分機械停止了作業(yè))大致同步的方式進行測量和鉆井工作。難點2:坑深坡陡正點難。工區(qū)內采掘礦石形成的深坑、陡坡等地形,使得部分點位測量、檢波器布設等受到影響。少數(shù)炮點點位在邊坡上、松散的礦堆上或采掘留下的孤島上,無法成孔或危險性大,實際炮點偏離設計井位。應對措施:如果邊坡不是很陡且坡上有設計點位,在確保安全的情況下,點位測量及檢波點布設在正點位上。如果坡度很陡,考慮到安全因素和接收效果,邊坡上檢波點點位垂直檢波線平移到坡上或坡下,并進行點位實測。對于處在邊坡、礦堆或孤島上的炮點,采取適當偏離的辦法,移到邊坡下方或礦堆四周,成孔后再實測井位坐標。難點3:樁號易丟失。由于礦上施工車輛的碾壓,測量樁號容易丟失,施工找點困難。應對措施:首先用長鐵釘將不同顏色標記的炮點(白色)和檢波點(紅色)點線號的布條固定在地上,必要時用石頭壓住或圍擋,避免車輛碾壓。對丟失的標記在地震勘探數(shù)據(jù)采集前進行實時補測。難點4:炮孔易塌方。部分炮井容易塌方堵塞,下藥深度受到影響。應對措施:成孔后,立即插入PVC管進行護孔,或用沙包蓋住孔口,既保護井口不至于塌陷,也可作為明顯的標志,以免汽車碾壓。難點5:數(shù)據(jù)采集時間短。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)采集的時間很短。應對措施:在數(shù)據(jù)采集前做好各項前期準備工作,包括全部接收點點位的測量,全部炮井的成孔(需礦區(qū)停產后補測和補打的除外),儀器設備的調試,部分沒有車輛來往地段的檢波器和電纜的鋪設等,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6:檢波器布設難。部分地面特別是工程車碾壓后的路面,地表堅硬,檢波器布設困難。應對措施:用鑿子在地面打洞填上松土,再將檢波器插實。對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7:施工范圍受限。工區(qū)西側是陡立的采礦臺階,東側為松散的排土場、堆礦場等,受此影響,東西向布線長度受到限制。應對措施:為了盡可能增大地震波反射點范圍和勘探區(qū)域,提高共反射點覆蓋次數(shù)和工區(qū)覆蓋次數(shù)的均勻性,在設計本次野外施工的觀測系統(tǒng)時考慮了以下兩個方面的問題,一是工區(qū)東西兩側增加炮點,在檢波點不變的情況下,擴大東西向反射點的范圍;二是增加每一束接收的檢波線,考慮“蛇形”排列的需要,由原設計的8線根據(jù)東西寬度增加到12或14條線。3.2觀測系統(tǒng)設計對于三維地震資料的野外采集而言,選擇合理的觀測系統(tǒng)是獲得高質量地震數(shù)據(jù)的前提,觀測系統(tǒng)的設計一定要遵循一定的原則并按照切實可行的工作流程實施。觀測系統(tǒng)的設計要綜合考慮地質任務、工區(qū)的地形地貌、人文條件以及所用設備等因素。設計觀測系統(tǒng)的主要原則包括:1)三維觀測系統(tǒng)的設計受地面條件的制約,因此設計前應對工區(qū)進行詳細的調查,并根據(jù)地形地貌情況采用不規(guī)則測網(wǎng)。2)在確定觀測系統(tǒng)參數(shù)時應當考慮具體的地質任務和地下地質情況以及各種干擾波的特點等因素。3)炮點和檢波點布設時要同時兼顧大中小炮檢距,保證同時勘探淺、中、深各個目標層,使得觀測系統(tǒng)既能夠保證取得各個目標層的有效反射信息,又能便于后續(xù)的各種分析和處理。4)炮點和檢波點盡量按寬方位布設,使縱橫向炮檢距盡量接近,保證共中心面元內反射點信息來自各個方向。5)各面元上的覆蓋次數(shù)應盡可能的相同或者相近,且在全區(qū)范圍內,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。由于場地限制,本次三維地震勘探所選用的觀測系統(tǒng)類型為非規(guī)則三維束狀觀測系統(tǒng),具體參數(shù)如下:接收道距10m,激發(fā)線距20m,炮點距20m,炮線距30m。從北往南布設8個接收線束,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、高保真度和準確成像技術地震資料的數(shù)字處理的基本目標為“三高一準”,即高信噪比、高分辨率、高保真度和準確成像。在分析原始記錄波場特征的基礎上,針對地質任務和處理要求,對本次資料的處理過程制定了詳細的規(guī)劃,主要進行了必要的參數(shù)測試及質量檢查,重點做好以下幾方面的工作。4.1.1初始的空間屬性準確定義空間屬性,是保證資料處理正確與否的基礎和關鍵。首先根據(jù)炮點和檢波點位置和關系文件定義初始的空間屬性;然后結合數(shù)據(jù)進行空間屬性的檢查和修改。4.1.2靜校正處理,指檢出分析由于測區(qū)地表有一定的起伏、淺表層介質速度橫向不均勻,導致觀測到的時距曲線是一條發(fā)生了畸變的雙曲線,不能正確地反映地下的構造形態(tài),必須進行靜校正處理。野外靜校正是將所有的炮點和接收點位置校正到一個公共基準面上,以消除高程、低降速帶和井深對旅行時的影響。經(jīng)對比層析靜校正和折射靜校正結果,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重,主要是運礦車輛和采礦設備干擾。針對這些干擾波的壓制主要采取了以下幾個方面的措施。1處理方法剔除壞道、壞炮、振幅異常道、對反道進行極性反轉等。21抑制聲波的處理根據(jù)聲波的頻率相對較高、速度低及單道衰減快的特點,對其進行去除和壓制處理。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。在圖2噪音衰減前后疊加對比圖中可以看到,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致性振幅補償用地表一致性振幅補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。地表一致性振幅補償是通過對測區(qū)內所有地震記錄在給定的時窗內分別統(tǒng)計共炮點、共檢波點、共偏移距記錄道的平均振幅值,根據(jù)統(tǒng)一規(guī)定的振幅歸一化標準計算共炮點、共檢波點、共偏移距的振幅調整因子,并對各自的地震道進行調整,達到地表一致性振幅均衡,并且保持地震道的相對振幅關系。4.1.5反褶積技術的應用反褶積的作用:一是子波整形;二是壓縮子波,在提高分辨率的同時,對層間多次波、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量和成像結果。實際應用中常根據(jù)資料的具體情況和地質任務的要求,采用合適的反褶積方法來達到上述目的。經(jīng)過測試,本次處理選擇了地表一致性預測反褶積。4.1.6高效掃描道集質量控制速度分析前,首先進行初至切除,分段進行速度掃描,求取較為可靠的參考速度,然后進行速度譜分析。速度分析采用交互速度分析技術,運用速度掃描道集有效波校正情況及疊加剖面效果進行質量控制,利用在疊加剖面上拾取的目的層位來指導速度拾取。本次速度分析工作做得很仔細,先按40m×40m的間隔來拾取速度,進行初疊加,然后根據(jù)疊加剖面的效果和資料的構造特征,及時進行速度調整、修改,確保速度拾取準確,在構造變化部位采用加密速度分析點的辦法進行控制。速度分析與剩余靜校正迭代處理,提高速度譜的分析質量,反復迭代直至得到最準確的速度信息和滿意的疊加剖面。4.1.7自動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重要環(huán)節(jié)。自動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靜態(tài)時差的影響,改善疊加成像,提高資料的信噪比。本次處理經(jīng)過對多種剩余靜校正方法的試驗、效果分析對比,并根據(jù)以往的處理經(jīng)驗,最后采用最大能量自動靜校。該方法的計算步驟為模型建立、相關計算、靜校正量計算、靜校正量應用。4.1.8重疊時間偏移處理偏移方法測試:疊后有很多種偏移方法可供選擇,本次處理對4.2資料解釋及解釋根據(jù)任務要求本次地震資料解釋主要內容有:地震地質層位及構造解釋;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構地震地質層位的識別是地震資料解釋的基礎。通常采用測區(qū)聲速測井資料,制作人工合成記錄,進行層位標定,來確定目標層位反射波在時間剖面上的位置。在無聲速測井資料的情況下,根據(jù)掌握的目標層深度和巖層速度來估算目標層位置。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)產生變異,增加識別和解釋難度。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,巖性顆粒相對較松散,在時間剖面的反射波場特征為反射能量變弱,頻率降低。由于塌陷,頂板破壞導致反射界面不連續(xù),地震偏移數(shù)據(jù)體上東崗嶺組下亞段較連續(xù)的反射界面不復存在。采空區(qū)不同于一般的褶曲和斷層等構造,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,對剖面中的一些異?，F(xiàn)象,認真分析判斷。掌握采空區(qū)在時間剖面上的表現(xiàn)特征,對采空區(qū)的判斷及解釋尤其重要。在時間剖面中,采空區(qū)一般具有如下特征:①反射波組中斷能量變弱或突然出現(xiàn)局部強反射。礦層反射波同相軸明顯終斷或能量變弱,其中斷點或能量變化位置即為邊界的反映;在弱反射中突然出現(xiàn)局部強反射,強反射點即為采空區(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狀突變。一系列反射波同相軸向采空區(qū)體內側扭曲,其扭曲起始點之連線即為采空區(qū)的邊界。由于采空區(qū)塌落,使其周圍的地層常產生向采空區(qū)中心方向下傾。④反射波相位轉換。反射波極性發(fā)生反轉,其反轉起始點即為采空區(qū)邊界。⑤異常波出現(xiàn)。異常波包括繞射波、延遲繞射波等。繞射波產生于巖性間斷點,在有采空區(qū)的地層中,采空區(qū)內巖性與圍巖不同。因此,在采空區(qū)的礦層斷面反射段中斷點處(即斷陷點),可產生繞射波。5勘探結果表明5.1地震地質條件分析由于地震數(shù)據(jù)野外采集參數(shù)合理,針對復雜的表層地震地質條件采取了切實有效的措施,從圖3中可以看到,本次采集的地震原始