三维地震勘探技术在矿山采空区勘探中的应用

三维地震勘探技术在矿山采空区勘探中的应用

1采空区分布的重要性中国的金属矿山开采历史悠久，留下了许多采空区。由于各种原因，采空区的存在是采矿人员和设备的潜在安全风险。必须确定金属采矿空间的分布。对于采空区探测的研究,大多数研究集中在水平或层状矿体采空区,如煤田、盐田采空区而三维地震勘探技术具有很高的空间分辨率大宝山矿过去采用空场法开采,再加上历史上的民间开采均为掠夺式、无规划、无设计地私采滥挖,形成了大量的相对独立的、体积较小的采空区。由于未作任何处理,随着时间的推移,这些采空区和巷道或自然坍塌,或被封堵。虽然经过多方努力,但采空区资料一直没有收齐,只收集了小部分民采巷道的测量资料。这些众多的民采采空区分布无规律,地表无痕迹,积水范围和积水量无据可查,给今天的规模化露天开采在水渗漏防治和可能的地质塌陷等方面带来了极大的困难。为了采矿人员及采矿设备的安全,迫切需要探明采空区分布范围,为矿区规划和露天开采提供依据。为此,本文依托大宝山项目进行多金属矿山采空区三维地震勘探方法技术研究,对隐伏的采空区进行地质调查。2该区域地震地质条件2.1平台及地形条件经过长期的露天开采,剥离后矿区地表的现状大致为:在采场内分布多个大小不等、标高不一的工作平台,各个工作平台以出入道路连接。矿区西侧为多级安全平台和运输平台,台阶参数为:高度在12m,坡面角度60～65°,台阶宽度为10m,非工作平台高达336m,边坡角60°属高陡边坡。东侧大多为松散的排土场、废土堆、废矿堆、矿堆场,以及矿区办公、矿区住地和选矿车间等。测区北部中间局部地形相对平坦。南部地表起伏大,地形为中间低,东西两侧高,呈阶梯状上升。测区东北和东南有一些面积较大的松散矿堆和土堆存在,限制了激发和接收点的布设,同时也影响了地震波激发和接收的效果。总之,本测区地表条件相当复杂。2.2深部地质情况根据矿山开采资料,本次工作区内深部地质情况相当复杂,地层破碎不完整,具有一定产状,岩性多变。中泥盆统东岗岭组(D3现场数据的收集3.1野外施工观测系统设计难点1:车多影响大。矿区内有数百台采掘和运输矿石的工程车施工,对前期测量和钻井工作影响大。应对措施:车辆来往密集的地方,避开采矿施工时间,利用矿上中午和晚间休息的时候进行测量和钻井工作。部分热点矿点,施工车辆多,地表地形随时都可能发生变化,对这样的地区,采用与地震数据采集(矿区部分机械停止了作业)大致同步的方式进行测量和钻井工作。难点2:坑深坡陡正点难。工区内采掘矿石形成的深坑、陡坡等地形,使得部分点位测量、检波器布设等受到影响。少数炮点点位在边坡上、松散的矿堆上或采掘留下的孤岛上,无法成孔或危险性大,实际炮点偏离设计井位。应对措施:如果边坡不是很陡且坡上有设计点位,在确保安全的情况下,点位测量及检波点布设在正点位上。如果坡度很陡,考虑到安全因素和接收效果,边坡上检波点点位垂直检波线平移到坡上或坡下,并进行点位实测。对于处在边坡、矿堆或孤岛上的炮点,采取适当偏离的办法,移到边坡下方或矿堆四周,成孔后再实测井位坐标。难点3:桩号易丢失。由于矿上施工车辆的碾压,测量桩号容易丢失,施工找点困难。应对措施:首先用长铁钉将不同颜色标记的炮点(白色)和检波点(红色)点线号的布条固定在地上,必要时用石头压住或围挡,避免车辆碾压。对丢失的标记在地震勘探数据采集前进行实时补测。难点4:炮孔易塌方。部分炮井容易塌方堵塞,下药深度受到影响。应对措施:成孔后,立即插入PVC管进行护孔,或用沙包盖住孔口,既保护井口不至于塌陷,也可作为明显的标志,以免汽车碾压。难点5:数据采集时间短。为了采集高信噪比的地震原始数据,数据采集时需要所有采掘工程车辆停止作业。为尽量减少数据采集期间矿区因停工造成的损失,矿上提供的用于数据采集的时间很短。应对措施:在数据采集前做好各项前期准备工作,包括全部接收点点位的测量,全部炮井的成孔(需矿区停产后补测和补打的除外),仪器设备的调试,部分没有车辆来往地段的检波器和电缆的铺设等,这样可以在采矿施工停工期间提高地震数据采集效率。数据采集期间,停止附近所有采矿工程车的作业。难点6:检波器布设难。部分地面特别是工程车碾压后的路面,地表坚硬,检波器布设困难。应对措施:用凿子在地面打洞填上松土,再将检波器插实。对部分凿子都无法打孔的地面,把检波器立于地面并用石头固定好,上面压上石头,使之与地面紧密接触。难点7:施工范围受限。工区西侧是陡立的采矿台阶,东侧为松散的排土场、堆矿场等,受此影响,东西向布线长度受到限制。应对措施:为了尽可能增大地震波反射点范围和勘探区域,提高共反射点覆盖次数和工区覆盖次数的均匀性,在设计本次野外施工的观测系统时考虑了以下两个方面的问题,一是工区东西两侧增加炮点,在检波点不变的情况下,扩大东西向反射点的范围;二是增加每一束接收的检波线,考虑“蛇形”排列的需要,由原设计的8线根据东西宽度增加到12或14条线。3.2观测系统设计对于三维地震资料的野外采集而言,选择合理的观测系统是获得高质量地震数据的前提,观测系统的设计一定要遵循一定的原则并按照切实可行的工作流程实施。观测系统的设计要综合考虑地质任务、工区的地形地貌、人文条件以及所用设备等因素。设计观测系统的主要原则包括:1)三维观测系统的设计受地面条件的制约,因此设计前应对工区进行详细的调查,并根据地形地貌情况采用不规则测网。2)在确定观测系统参数时应当考虑具体的地质任务和地下地质情况以及各种干扰波的特点等因素。3)炮点和检波点布设时要同时兼顾大中小炮检距,保证同时勘探浅、中、深各个目标层,使得观测系统既能够保证取得各个目标层的有效反射信息,又能便于后续的各种分析和处理。4)炮点和检波点尽量按宽方位布设,使纵横向炮检距尽量接近,保证共中心面元内反射点信息来自各个方向。5)各面元上的覆盖次数应尽可能的相同或者相近,且在全区范围内,保证反射波振幅、频率成分和记录特征均匀稳定,如图1所示。由于场地限制,本次三维地震勘探所选用的观测系统类型为非规则三维束状观测系统,具体参数如下:接收道距10m,激发线距20m,炮点距20m,炮线距30m。从北往南布设8个接收线束,每束采用全排列接收,每束接收线数最小为12线,最大为14线,最小接收道数为431道,最大接收道数为509道,最大覆盖次数为48次。4地震数据的处理和解释4.1辨率、高保真度和准确成像技术地震资料的数字处理的基本目标为“三高一准”,即高信噪比、高分辨率、高保真度和准确成像。在分析原始记录波场特征的基础上,针对地质任务和处理要求,对本次资料的处理过程制定了详细的规划,主要进行了必要的参数测试及质量检查,重点做好以下几方面的工作。4.1.1初始的空间属性准确定义空间属性,是保证资料处理正确与否的基础和关键。首先根据炮点和检波点位置和关系文件定义初始的空间属性;然后结合数据进行空间属性的检查和修改。4.1.2静校正处理,指检出分析由于测区地表有一定的起伏、浅表层介质速度横向不均匀,导致观测到的时距曲线是一条发生了畸变的双曲线,不能正确地反映地下的构造形态,必须进行静校正处理。野外静校正是将所有的炮点和接收点位置校正到一个公共基准面上,以消除高程、低降速带和井深对旅行时的影响。经对比层析静校正和折射静校正结果,选择效果较好的折射静校正作为本次资料静校正方法。4.1.3人为干扰波区内发育的干扰波主要为面波、声波等规则干扰波以及环境噪声等不规则干扰波,尤其是人为干扰波特别严重,主要是运矿车辆和采矿设备干扰。针对这些干扰波的压制主要采取了以下几个方面的措施。1处理方法剔除坏道、坏炮、振幅异常道、对反道进行极性反转等。21抑制声波的处理根据声波的频率相对较高、速度低及单道衰减快的特点,对其进行去除和压制处理。3干扰波叠加处理面波干扰主要分布在近偏移距范围,具有较低的频率和较低的视速度,部分能量较强。在图2噪音衰减前后叠加对比图中可以看到,经过多步处理后,各种干扰波被压制,反射信息有所突出。与噪音衰减前的叠加剖面比较,去噪之后的叠加剖面,信噪比有较大的提高。4.1.4致性振幅补偿用地表一致性振幅补偿来消除由于地表激发条件、接收条件不同引起的地震波振幅空间变化。地表一致性振幅补偿是通过对测区内所有地震记录在给定的时窗内分别统计共炮点、共检波点、共偏移距记录道的平均振幅值,根据统一规定的振幅归一化标准计算共炮点、共检波点、共偏移距的振幅调整因子,并对各自的地震道进行调整,达到地表一致性振幅均衡,并且保持地震道的相对振幅关系。4.1.5反褶积技术的应用反褶积的作用:一是子波整形;二是压缩子波,在提高分辨率的同时,对层间多次波、虚反射等也有很好的压制作用。反褶积效果的好坏影响到剖面质量和成像结果。实际应用中常根据资料的具体情况和地质任务的要求,采用合适的反褶积方法来达到上述目的。经过测试,本次处理选择了地表一致性预测反褶积。4.1.6高效扫描道集质量控制速度分析前,首先进行初至切除,分段进行速度扫描,求取较为可靠的参考速度,然后进行速度谱分析。速度分析采用交互速度分析技术,运用速度扫描道集有效波校正情况及叠加剖面效果进行质量控制,利用在叠加剖面上拾取的目的层位来指导速度拾取。本次速度分析工作做得很仔细,先按40m×40m的间隔来拾取速度,进行初叠加,然后根据叠加剖面的效果和资料的构造特征,及时进行速度调整、修改,确保速度拾取准确,在构造变化部位采用加密速度分析点的办法进行控制。速度分析与剩余静校正迭代处理,提高速度谱的分析质量,反复迭代直至得到最准确的速度信息和满意的叠加剖面。4.1.7自动剩余静校正处理地震数据经过折射静校正后,仍有剩余静校正量存在,因此做好剩余静校正也是处理中的一个重要环节。自动剩余静校正主要用来消除高程及低降速带校正后残余的短波长静态时差的影响,改善叠加成像,提高资料的信噪比。本次处理经过对多种剩余静校正方法的试验、效果分析对比,并根据以往的处理经验,最后采用最大能量自动静校。该方法的计算步骤为模型建立、相关计算、静校正量计算、静校正量应用。4.1.8重叠时间偏移处理偏移方法测试:叠后有很多种偏移方法可供选择,本次处理对4.2资料解释及解释根据任务要求本次地震资料解释主要内容有:地震地质层位及构造解释;崩塌区、采空区解释。4.2.1露地表地层及浅地表地层结构地震地质层位的识别是地震资料解释的基础。通常采用测区声速测井资料,制作人工合成记录,进行层位标定,来确定目标层位反射波在时间剖面上的位置。在无声速测井资料的情况下,根据掌握的目标层深度和岩层速度来估算目标层位置。本区属于多金属矿区,浅地表由于露天开采已经剥离几十米或上百米,现出露地表地层多为东岗岭组上亚组地层,以中酸性火山碎岩沉积为主的粉砂质页岩、泥岩含褐铁矿、菱铁矿,夹黏土层,该地层弹性波传播速度较低,根据单炮记录的速度测定在1800～2000m/s,中深部为东岗岭组下亚组地层,以浅海相沉积的泥灰岩、白云岩粉砂岩为主,矿床围岩蚀变强烈,含铜铅锌多金属矿层,弹性波传播速度较高,一般在3000～4000m/s,由此可以看出东岗岭组上亚组和下亚组地层之间有明显速度差异,可以形成反射。但矿体的不规则性破坏了成层性,导致地层横向不均匀性加剧,反射波连续性变差和相同界面反射波的特征(振幅、频率)产生变异,增加识别和解释难度。4.2.2正确处理采空区在地震剖面上的表现特征崩塌区为原采空区顶板受到破坏,使其上部地层坍塌,岩性颗粒相对较松散,在时间剖面的反射波场特征为反射能量变弱,频率降低。由于塌陷,顶板破坏导致反射界面不连续,地震偏移数据体上东岗岭组下亚段较连续的反射界面不复存在。采空区不同于一般的褶曲和断层等构造,常常孤立出现,分布规律性差、大小不等,最小可分辨的采空区在地震剖面上有时仅有十几道显示,所以在采空区解释过程中必须特别小心,对剖面中的一些异常现象,认真分析判断。掌握采空区在时间剖面上的表现特征,对采空区的判断及解释尤其重要。在时间剖面中,采空区一般具有如下特征:①反射波组中断能量变弱或突然出现局部强反射。矿层反射波同相轴明显终断或能量变弱,其中断点或能量变化位置即为边界的反映;在弱反射中突然出现局部强反射,强反射点即为采空区所在的位置。②地震波频率的突变。在地震剖面上,采空区处地震波的频率突然降低,其频率变化位置即为边界的反映。③反射波同相轴扭曲产状突变。一系列反射波同相轴向采空区体内侧扭曲,其扭曲起始点之连线即为采空区的边界。由于采空区塌落,使其周围的地层常产生向采空区中心方向下倾。④反射波相位转换。反射波极性发生反转,其反转起始点即为采空区边界。⑤异常波出现。异常波包括绕射波、延迟绕射波等。绕射波产生于岩性间断点,在有采空区的地层中,采空区内岩性与围岩不同。因此,在采空区的矿层断面反射段中断点处(即断陷点),可产生绕射波。5勘探结果表明5.1地震地质条件分析由于地震数据野外采集参数合理,针对复杂的表层地震地质条件采取了切实有效的措施,从图3中可以看到,本次采集的地震原始