采空区及陷落柱的地震波场分析.pdf

声明尸明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 雄塞』 军 日期 2 Df s , 6 j | 2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签 名 颦塞些季 日期 导师签名7 么缮 2 Df S , 6 | f2 日期型 垒≤， 二二 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 采空区及陷落柱的地震波场分析 摘要 煤矿采空区是人工开采煤炭资源形成的一种地质灾害体。在自身重力 的作用下，这些采空区受到不同程度的塌陷，导水、积水以及积气现象严 重，不仅是多种矿山地质灾害的直接诱发因素，而且对矿山的安全生产工 作造成影响，给人民的生命及财产安全带来隐患；陷落柱是在一定的水文 条件下，可溶性岩石溶蚀形成空洞，上覆岩层塌陷形成的一种特殊地质异 常体。采空区与陷落柱的形成过程极为相似，都是由于空洞引起上覆岩层 的塌陷而形成的，在地震时间剖面上很容易出现这两种地质异常体的错判、 误判等现象，如何正确识别出采空区及陷落柱成为地震解释中的一项重要 研究课题。 本文先对采空区以及陷落柱形成机理、内部成分及围岩产状等特征进 行了系统的阐述，为本文的分析研究工作提供可靠的理论依据。根据采空 区以及陷落柱的实际赋存形态建立内部结构不同的地震地质模型，并对这 些地震地质模型进行正演模拟。首先对得到的单炮记录进行分析，然后对 所得到的单炮记录进行C M P 抽道集、动校正、叠加、偏移等处理过程，重 点是对所生成的时间剖面上的的地震波场特征进行分析和对比。结果表明， 空洞型采空区会对下组煤产生屏蔽作用，塌陷采空区的下方会出现延迟反 射波以及延迟绕射波的叠加波，在采空区上方会出现接近平行于煤层的短 反射波；陷落柱不会对下组煤层产生屏蔽作用，且下方仅出现延迟绕射波， 其中一些陷落柱自柱顶至柱底或只在陷落柱底部也会出现杂乱的反射波。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 根据得到的波场响应特征准确地识别出地震时间剖面上的采空区及陷落 柱，以减少煤矿事故的发生和资源浪费。 关键词采空区，陷落柱，正演模拟，波场分析 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 A N A L Y S I SO FS E I S M I CW r A V EF I E L Do NG o B A R E AA N DC O L L A P S EC O L I ．厂M [ N A B S T P A C T T h eg o ba r e ai sak i n do fg e o l o g i c a ld i s a s t e r sf o r m e da r t i f i c i a le x p l o i t a t i o n o fc o a lr e s o u r c e s ．U n d e ri t so w ng r a v i t y ，t h e s eg o ba r e aa r es u b je c tt od i f f e r e n t d e g r e e so fc o l l a p s et h a th y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y , w a t e ra n dg a sa c c u m u l a t i o na r e s e r i o u s ．T h e s eg o ba r e aa r en o to n l yp r e d i s p o s i n gf a c t o r sd i r e c t l ya b o u tm a n y m i n eg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，b u ta l s oi m p a c to nt h em i n ep r o d u c t i o ns a f e t yw o r k t h a tb r i n gt op e o p l e ’Sl i f ea n dp r o p e r t ys a f e t yh i d d e nt r o u b l e ；C o l l a p s ec o l u m ni s as p e c i a l g e o l o g i ca b n o r m a lb o d y i nc e r t a i n h y d r o l o g i c a l c o n d i t i o n st h a t o v e r b u r d e ns u b s i d e n c eg e n e r a t e dw h e nt h e s o l u b l er o c kd i s s o l u t i o nf o r m e d c a v i t y ．T h ef o r m a t i o np r o g r e s so fg o ba r e aa n dc o l l a p s ec o l u m na r ev e r ys i m i l a r ． t h e ya r eak i n do fc o l l a p s eo fc a v i t yc a u s e dt h eo v e r b u r d e ns u b s i d e n c et h a ta r e p r o n et or e s u l ti nap h e n o m e n o no fb o t hg e o l o g i c a la n o m a l i e s ’Sm i s j u d g e 、 m i s c a r r i a g eo fju s t i c ea n dS Oo ni nt h es e i s m i ct i m es e c t i o n ，h o wc o r r e c t l y I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 i d e n t i f yt h eg o ba r e aa n dc o l l a p s ec o l u m nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c h t o p i ci nt h es e i s m i ci n t e r p r e t a t i o n ． T h i sa r t i c l ef i r s ts y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b et h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fg o b a r e a sa n dc o l l a p s ec o l u m n ，t h ei n t e r n a lc o m p o n e n t sa n dt h es u r r o u n d i n gr o c k ’S o c c u r r e n c ei no r d e rt op r o v i d ear e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i si nt h ea n a l y s i so ft h i s s t u d yw o r k ．E s t a b l i s hd i f f e r e n ti n t e r n a ls t r u c t u r eo fs e i s m i cg e o l o g i c a lm o d e l a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo c c u r r e n c eo fg o ba r e aa n dc o l l a p s ec o l u m na n dc a r r y o u tt h ef o r w a r dm o d e l i n gf o rt h e s es e i s m i cg e o l o g i c a lm o d e l 。T ob e g i nw i t h ， a n a l y z es i n g l e s h o tr e c o r d s ，a n dt h e nm a n a g et h er e s u l t i n gs i n g l e - s h o t r e c o r d ，s u c ha ss o r t i n gC M Pg a t h e r , N M O ，s t a c k i n ga n dm i g r a t i o np r o g r e s s ，t h e f o C U Si st oa n a l y z e da n dc o m p a r e dt h es e i s m i cw a v ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c si nt h e g e n e r a t i n gt i m es e c t i o n ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec a v e r n o u sg o ba r e aw i l t s h i e l dt h el o w e rc o a ls e a m ，o nt h eb o t t o mo ft h ec o l l a p s eo fg o ba r e aw i l l g e n e r a t es u p e r i m p o s e dw a v eo fd e l a yd i f f r a c t i o nw a v e sa n dd e l a yr e f l e c t i o n w a v e ，o nt h et o po fg o ba r e aw i l lb en e a r l yp a r a l l e lt ot h es e a m ’ss h o r tr e f l e c t e d w a v e ；c o l l a p s ec o l u m nd o e sn o tp r o d u c es h i e l d i n ge f f e c tf o rl o w e rc o a l ，a n dt h e b o t t o ma p p e a r so n l yd e l a yd i f f r a c t i o nw a v e s ，S o m eo ft h ec o l l a p s ec o l u m nf r o m t h et o p st ot h eb o t t o mo ft h ec o l u m no ro n l ya tt h eb o t t o mo fc o l l a p s ec o l u m n w i l la p p e a rt h em i x e da n dd i s o r d e r l yr e f l e c t i o nw a v e ．A c c o r d i n gt ot h er e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s u l t i n gw a v ef i e l da c c u r a t e l yi d e n t i f yt h eg o ba r e aa n d c o l l a p s ec o l u m no ns e i s m i ct i m es e c t i o ni no r d e rt or e d u c et h eo c c u r r e n c eo f m i n e ’Sa c c i d e n t sa n dw a s t eo fr e s o u r c e s ． Ⅳ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 K e yw o r d s g o ba r e a ，c o l l a p s ec o l u m n ，f o r w a r dm o d e l i n g ，t h ea n a l y s i so fw a v e f i e l d V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 Ⅵ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯II 工 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V II 第一章绪论⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题依据以及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 论文的选题依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 ．2 论文选题意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 采空区及陷落柱的地质研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 采空区及陷落柱的地震勘探研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 论文的研究内容、思路和主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．1 论文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．2 论文的主要研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．3 论文的主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 第二章采空区及陷落柱的形成及地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 采空区的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 采空区的地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．1 空洞型采空区地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．2 塌陷采空区的三带划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．3 塌陷采空区上覆岩层的空间分布形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．4 塌陷采空区上覆岩层的破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 陷落柱的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1 陷落柱的形成条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 ．2 陷落柱的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 陷落柱的地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 ．1 陷落柱的形态特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 ．2 陷落柱的内部结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 V Ⅱ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．4 ．3 陷落柱的围岩产状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 第三章采空区及陷落柱地震波的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 3 ．1 地震波的反射与绕射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3 ．1 ．1 反射原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21 3 ．1 ．2 绕射原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 采空区及陷落柱的特殊地震波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．1 延迟绕射现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．2 延迟反射现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 采空区及陷落柱的波阻抗特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 第4 章采空区及陷落柱的正演模拟及波场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．1 地震正演模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 观测系统及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3 采空区的地震波正演模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3 ．1 空洞型采空区地震地质模型的正演模拟及波场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 4 ．3 ．2 塌陷采空区地震地质模型的正演模拟及波场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．3 ．3 双层煤层中采空区地震地质模型的正演模拟及波场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．4 陷落柱的地震波正演模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 ．1 陷落柱地震地质模型的正演模拟及波场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．4 ．2 双层煤层中陷落柱地震地质模型的正演模拟及波场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 4 ．5 采空区及陷落柱模拟结果的对比性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 第5 章采空区及陷落柱的实例与模拟结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 第6 章结论及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 6 ．2 存在问题与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 攻读硕士期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 5 Ⅵn 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 选题依据以及研究意义 1 ．1 ．1 论文的选题依据 第一章绪论 采空区是前些年老窑私采乱挖以及国有企业机械开采遗留下来的，这些采空区上覆 岩层的初始应力平衡会受到破坏，在自身重力的作用下，受到不同程度的塌陷，导水、 积水以及积气现象严重，不仅是多种矿山地质灾害的直接诱发因素，而且对矿山日常安 全生产管理工作造成许多影响，给人民的生命以及财产安全带来隐患；陷落柱是在一定 的水文条件下，可溶性岩石溶蚀形成空洞，上覆岩层塌陷形成的一种特殊地质体。两种 地质异常体形成过程极为相似，都是由于空洞引起上覆岩层的塌陷而形成的，导致地震 时间剖面上常常出现采空区及陷落柱之间的错判、误判等现象，究其原因除受采空区形 态、复杂地形、地震资料处理及解释等因素影响外，对采空区及陷落柱区别方面的研究 还远远不够。本人正是从实际中存在的问题出发，旨在通过理论与实践两方面分析采空 区及陷落柱在地震剖面的响应特征，从而准确区分出采空区与陷落柱。 1 ．1 ．2 论文选题意义 我国煤炭资源丰富、储量较多，是世界产煤较多的国家之一。由于我国的煤田地质 条件的复杂性以及一些历史原因，采空区及陷落柱等地质异常体错综复杂，且形成过程 极为相似，在地震时间剖面上不易识别。尤其采空区异常体对矿山安全生产的威胁极为 严重，近年来导致多起重大与特大事故发生，此外采空区对矿区的生产、交通、水电管 线等都会产生严重影响，对耕地的破坏也不容忽视【l 】。因此在地震剖面上准确地区分出 采空区以及陷落柱显得尤为重要与迫切。 地震勘探已经被证实作为一种有效探查煤田地质构造以及陷落柱异常体的地球物 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 理勘探方法，其依据就是根据地下介质中的波阻抗差异引起的地震波场响应特征来识别 存在于地质界面中的波阻抗界面。由于煤矿采空区受到上覆岩层自身重力的影响，会形 成不同程度的塌陷，导致了采空区与围岩、煤层之间不可避免地也产生波阻抗差异，这 就为应用地震勘探方法识别采空区提供了依据。但实际生产中，常常出现对地震时间剖 面上的采空区进行错判、误判等问题，使得采空区与陷落柱的解释混为一谈，只有从采 空区及陷落柱的地质成因进行分析，建立起精确的地震地质模型，然后进行正演模拟， 对得到的两种地质异常体的地震波场特征进行分析并加以区别。 本文正是由以上观点出发，从理论与实际两个方面对地震勘探方法识别采空区及陷 落柱进行了分析与研究，旨在从波场特征中区分出采空区以及陷落柱，从而为保障煤矿 安全生产和保卫人民生命财产两方面提供较大的理论与现实指导意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 采空区及陷落柱的地质研究 在国外，2 0 世纪7 0 8 0 年代，B ．N ．W h i t t a k e r ，J ．H ．P y e [ 2 ] 等人对近地表矿井的施 工作业引起的地层运动进行了研究，得到的结果与预测的深层沉陷有很大的相似性，对 与挖掘的宽度及深度有密切联系的最大下沉量进行了讨论，并对挖掘方式及项板岩层的 支护系统所起的作用进行了讨论；G ．R e n ，D ．J ．R e d d i s h ，B ．N ．W h i t t a k e r [ 3 1 等人运用与区域 沉降和水平位移密切相关的影响函数法对沉降量进行了详细的描述，特别强调了计算机 在该方法中的应用。同N ．C ．B ．沉降工程师手册中预测地面运动的经验模型相比，该方法 的模型集中在一个面板上。T ．K a w a m o t o ，Y ．I c h i k a w a ，T ．K y o y a t 4 】等人为了研究节理裂隙 对围岩稳定性的影响，建立了节理裂隙岩体本构关系和损伤演化方程来评价裂隙岩体的 稳定性；G ．R e n ，B ．N ．W h i t t a k e r ，D ．J ．R e d d i s h t S l 等人对壁柱开采急倾斜煤层引起的区域 沉降及水平位移进行了研究，各种影响函数法和英国沉降工程师手册等不同技术对不同 的开采条件进行比较，这些方法预测的结果与野外观察的结果也进行比较。近年来，F ． G ．B e l l ，T ．R ．S t a c e y ，D ．D ．G e n s k e [ 6 ] 描述了不同矿床的沉降量以及引起的相关问题，并且 指出这些矿井都己开采超过1 0 0 年，埋藏较浅且没有巷道记录，给重新开挖资源提出了 严峻挑战。F ．L 6 p e zG a y a r r e a ，M ．I ．_ A l v a r e z ．F e m h n d e z b ，C ．G o n z g l e z - N i c i e z a b [ 7 1 等人提出一 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 种辩证方法对受影响区域内的所有现有建筑物进行研究，主要关注该区域的最大下沉区 域，并得出下沉的活跃区域的裂缝仍然存在时间与空间的演化，在此区域建造建筑物存 在潜在的危险。 在国内，刘天泉f 8 】、钱鸣高【9 】等人认为煤层经开采后，上覆岩层在重力以及地层应 力的作用下，会经历一系列移动、变形与破坏。针对采区上覆岩层移动破断与采动裂隙 分布规律等现象，提出了“横三区”以及“竖三带”的认识。候长祥【1 0 】等人对导水裂 隙带的空间分布形态进行了分析总结导水裂隙带的空间分布形态与采空区大小、顶板 岩性以及矿层的倾角关系密切，但基本都是“马鞍形”。 在陷落柱方面，P a l m e r a n [ 1 1 l 等人对岩溶塌陷的特征及形成的历史原因进行了相关研 究，认为岩溶塌陷是岩溶形成史上的一个重要阶段。土耳其研究者U 如D o f g a n 和S a d e t t i n z e l l l 2 ] 通过对石膏岩溶的形成机制以及演化过程进行了相关分析与讨论认为石膏地层 比碳酸岩地层更易溶于水，且岩溶塌陷是因为石膏和碳酸盐地层受到流水的侵蚀而形成 的。提出了成熟岩溶形成的两个时间段，第一阶段是地层受流水侵蚀产生古岩溶空洞， 出现溶蚀洼地，第二阶段是岩层受溶蚀塌陷到古岩溶空洞；以色列和希腊研究者A m o s F r u m k i n ，P a n a g i o t i sK a r k a n a s [ 1 3 1 等人通过对岩溶空洞的形成过程以及古岩溶空洞充填物 等方面的研究，认为古岩溶空洞的主要充填物是方解石、塌落的岩石碎块及粘土等，并 指出重力作用是形成岩溶塌陷重要因素。 陷落柱是我国华北地区常见的一种地质异常现象，不少地质学者进行了相关研究。 王锐【1 4 】、刘国林【1 5 】、贾贵廷【1 6 】、司淑平【1 7 】、岳亚东[ 1 8 】、徐卫国【1 9 】、尹尚先【2 0 】针对陷落 柱的形成机理进行了分析与研究，基本上得出陷落柱是由可溶性岩溶洞穴发育而来，并 形成了膏溶塌陷说、循环塌陷说、重力塌陷说、真空吸蚀塌陷说等相关学说。张永双【2 1 】 对华北型陷落柱进行了分类，分别从单项指标与综合指标两方面进行了探讨，提出了陷 落柱的剖面分类、平面分类、导水性等常规分类。赵金贵和郭敏泰瞄】对太原东山大窑头 陷落柱群的发育模式进行了分析，认为该区域的陷落柱群是在构造运动的控制作用下华 北岩溶水冲蚀的结果。 1 ．2 ．2 采空区及陷落柱的地震勘探研究 在国外，美国、日本、俄罗斯等国家采用以地球物理勘探为主的探测技术探测地下 ≯i、， k j 、一巅” 空洞来服务于军事以及交通行业，取得了良好的效果并积累了丰富的经验。6 0 年代， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 J o h nC ．C o o k [ 2 3 ] 就对地震勘探采空区进行了研究，指出地震勘探采空区是可行的，尤其 是充水空洞阻碍了地震波向下传播，使得采空区下方出现“阴影区域”；8 0 年代， P ．P e m o d [ 2 4 1 等人为了解决隧道中浅层的空洞问题，对含采空区的地质模型进行正演模 拟，得到时间剖面与实际中的时间剖面进行对比，合理的区分开了实际地震剖面上的面 波、折射波与反射波。近年来，G i l l e sG r a n d j e a n [ 2 5 1 等人利用高分辨率地震勘探对地下空 洞进行了研究，在实际剖面与数值模拟剖面联合解释下，认为时间剖面上的标志层在采 空区范围内会消失。S t e v e nD ．S l o a n ，J e f f e r yJ ．N o l a n [ 2 6 1 等人使用近地表地震折射和面波 等地震方法探测和定位在疏松沉积物中浅层隧道的可行性和局限性，认为单独使用某一 探测方法定位小隧道都不是最佳的选择，因为从松散沉积物到一个充满空气的空洞会引 起速度上的微小变化，使得大范围的异常体被探测到。理想的情况是地震和其它地球物 理方法等更多的方法联合解释。更多的探测方式计算一个共同的异常体，以进一步确定 其位置。在这种情况下，真实位置的准确率就会增加，伴随着误报率将减少，通过使用 多种技术核对和交叉验证，增加了结果的可信性。 国内，李海山以及刘天放1 2 7 ] 等人就利用浅层地震勘探方法对采空区以及冒落带边界 进行了探测，并得出在采空区在频谱以及“三瞬”剖面上都有明显的异常反映。近年来， 采用地震勘探的手段解决采空区探测问题也取得不少理论与实际成果。王超凡【2 s 】利用地 震C T 技术清楚的揭示了采空区以及断裂破碎带的分布；程建远【2 9 】、陈相府【3 0 】以及刘岩 【3 ，】通过分析塌陷采空区的地球物理特征，并结合实际的采空区，得到非常有用的地震探 测塌陷采空区的理论和实际成果；叶红星【3 2 】以及申有义[ 3 3 1 等人对采空区的地震波场特 征进行了分析，进而对时间剖面上的识别方法进行了阐述，同时也对水平切片上的地震 属性进行分析，收到了良好的效果；杨双安【3 4 】以及李瑞强[ 3 5 1 等人建立采空区地质模型， 并对其进行正演模拟，并分析了采空区的波场特征；王建文【3 6 】利用反射波法、折射层析 成像以及天然源面波法等综合地震勘探法对同一采空区进行勘探，以提高地震勘探的准 确性和可靠性。 在陷落柱方面，B ．A ．H a r d a g e [ 3 7 1 等人以F o r tW o r t h 盆地为例，利用三维地震勘探记 录了岩溶塌陷的高度、直径以及截面积，并探讨了岩溶塌陷对圈闭的影响。R 4 m iV a l o i s l 3 8 】 利用综合地球物理方法对岩溶及其相关构造进行了探测，得出地震折射法对表层岩溶带 压裂和风化的成像很好，且时移地震折射层析成像可以确定出溶洞及渗透区。 杨德义1 3 9 1 、杨晓东[ 4 0 1 等人通过数学模型对陷落柱断陷点绕射波进行的研究，提出 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 了陷落柱的延迟绕射波是识别陷落柱重要特征；曹志勇【4 l 】用射线追踪模拟方法对陷落柱 进行正演模拟，并提出延迟反射波的概念，推断延迟反射波有可能是造成地震解释陷落 柱范围大于实际陷落柱范围的因素之一；吴守华【4 2 】、宁建宏【4 3 】等通过地震资料的研究 和实践，对华北石炭二叠系中的陷落柱的地震响应特征及地震识别方式进行了较为系统 的研究与总结；林建东m 】建立不同直径陷落柱模型，对其进行波动方程正演模拟，并分 析了不同直径陷落柱陷落柱的地震相应特征。 1 ．3 论文的研究内容、思路和主要成果 1 ．3 ．1 论文的主要研究内容 1 、总结出采空区及陷落柱内部的结构、成分、形态以及围岩产状等基本地质特征， 使得我们对这两种地质异常体在地质领域有了较深入的认识，在此基础上建立不同种类 的地震地质模型。 2 、通过有限差分法的波动方程模拟技术对建立的地震地质模型进行正演模拟，首 先对模拟得到的采空区以及陷落柱的单炮记录进行分析，然后对所得到的单炮记录进行 抽道集、动校正、叠加、叠后偏移等一系列处理，重点是对所得到的叠加、偏移时间剖 面上的的地震波场特征进行分析和对比，根据得到的波场特征成果对陷落柱及采空区进 行合理的区分。 3 、通过对三维地震勘探的实例分析，得到实际生产中采空区及陷落柱的地震响应 特征，然后与正演模拟得到时间剖面进行对比，进一步验证采空区及陷落柱在地震时间 剖面上的波场响应特征。 1 ．3 ．2 论文的主要研究思路 根据采空区及陷落柱的内部结构以及围岩产状等相关地质特征，设计出均匀介质、 连续介质、充满砾块以及围岩向中心下倾等不同类型的地震地质模型，对模型进行正演 模拟，并对得到的一系列时间剖面进行波场分析及对比 详见下图1 一1 。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 采 空 区 陷 落 柱 1 ．3 ．3 论文的主要成果 冒落带与裂隙带均为均匀性介质 冒落带与裂隙带均为连续性介质 有波阻抗界面 冒落带与裂隙带均为连续性介质 无波阻抗界面 冒落带被块状充填物充填且与裂隙 带均为连续性介质 有波阻抗界面 冒落带被块状充填物充填且与裂隙 带均为连续性介质 无波阻抗界面 空洞型采空区 柱内为均匀性介质 柱内为连续性介质 柱内充满块体 柱内为“分带性”特性 柱内为“似层位”特性 围岩产状向中心倾斜特性 图卜1 技术路线图 F i g u r e1 - 1t h et e c h n o l o g yr o a d m a p 本文在详细地了解、认识采空区及陷落柱的地质形成成因及内部特征的前提下，运 用波动方程模拟技术对不同内部类型的采空区及陷落柱地质模型进行正演模拟，并对模 拟的结果进行了分析，然后与实际地震勘探资料中的相关勘探成果进行对比，得出如下 成果。 1 、根据实际采空区对上覆岩层的破坏程度，建立不同塌陷类型的采空区地震地质 模型，并对其进行正演模拟与波场分析。在空洞型采空区中，由于充填的气体对地震的 弹性波具有强烈的吸收作用，使得采空区下方区域产生强烈的“屏蔽”现象。在塌陷采 空区中，由于上覆岩层受到破坏，一般在采空区上方会出现连续的界面反射波或与煤层 接近平行且连续性变差的反射波，类似于蚯蚓状排列；在采空区下方会出现煤层底板延 迟反射波以及突变点延迟绕射波，该延迟绕射波一般与延迟反射波以叠加的形式出现。 从而为实际的地震时间剖面上识别采空区提供依据。 6 建立含有单、双层煤层的地震地质模型 采空区及陷落柱的塌陷特征 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、根据地面以及井下揭露的陷落柱结构及构造特征，对陷落柱不同的内部结构与 相关围岩产状进行地震地质建模，然后进行正演模拟与波场分析。陷落柱由于柱内低速 介质的影响，陷落柱突变点产生了延迟绕射波，由于延迟绕射波的时距曲线比较特殊， 延迟绕射波不能很好地收敛到断陷点，而是以短反射的形式出现在陷落柱塌陷位置；充 满砾石块体 煤块、岩块 的陷落柱，陷落柱不仅有延迟绕射波出现，在陷落柱柱内也 出现了杂乱的块体反射波；围岩内倾的陷落柱 煤层向陷落柱中心倾斜 会出现煤层反 射波同相轴有不同程度的弯曲或向陷落柱中心倾斜的现象。从而为实际地震时间剖面上 识别不同类型的陷落柱提供依据。 3 、对采空区及陷落柱两种地质异常体进行分析与正演模拟可知，异常体为空洞型 采空区时，时间剖面上的下组煤层会产生“似采空”现象，为塌陷采空区时，时间剖 面上采空区的上方会出现近平行于煤层的连续性较差的反射波，下方出现延迟反射波与 延迟绕射波的混合叠加波；异常体为陷落柱时，时间剖面上陷落柱的底部会出现延迟绕 射波，部分陷落柱柱内会产生杂乱的块体反射波。根据上述结论希望在以后地震勘探时， 减少实际生产过程中陷落柱及采空区的误判、错判等问题。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章采空区及陷落柱的形成及地质特征 2 ．1 采空区的形成 煤层经开采出来以后，开采区域周围岩体的原始应力失去原来的平衡状态，应力将 重新调整直至达到新的平衡，从而使得围岩发生移动，引起上覆岩体的移动、变形甚至 破坏。这种重新达到平衡状态的过程极其复杂，根据具体条件不同而显著的不同，展现 了采空区独特性与随意性。 随着开采面的不断移动，上覆岩层将发生较为复杂的变化，一般可归纳为下面四个 阶段[ 4 5 - 4 6 ] 1 变形阶段 该阶段上覆岩层变形移动较小，下沉量小于主要煤层的开采厚度。 2 弯曲离层阶段 在岩层的下沉过程中，围岩层面之间产生较强的剪切应力，在垂直层面方向产生拉 应力，当拉应力超过一定极限时，岩层与岩层直接产生分离。 图2 - 1 离层示意图 F i g u r e2 - 1t h es c h e m a t i co fs e p a r a t i o n 3 断裂阶段 断裂是上覆岩层下沉较为为剧烈的阶段，主要体现在在上覆岩层之中。 4 垮落阶段 9 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤层上覆岩层由于失去支撑作用而迅速向下塌陷现象。 图2 - 2 断裂垮落示意图 F i g u r e2 - 2t h