影响陷落柱地震解释的波场现象研究.pdf

声明 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。 论文作者签名副塞 日期；汐陟∥／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 。 签名曼馨历寥日期2 吖彬丝 导师签名二雠日期 仂、厂、6 、、仁 万方数据 影响陷落柱地震解释的波场现象研究 摘要 陷落柱是华北煤田一种常见的地质灾害体，其存在不仅破坏了煤层连 续性，还易造成煤矿冒顶、瓦斯突出、突水等事故，严重威胁矿井高效安 全生产。因此，在煤矿设计和生产过程中，识别和圈定陷落柱的位置非常 重要。 众多探测陷落柱的方法中，地震勘探是目前探测陷落柱比较有效的方 法，但是其对陷落柱的勘探精度尚不能达到煤矿地质任务的要求，究其原 因主要是陷落柱地震解释上存在一些问题。因为在煤矿开采过程中小地堑、 小向斜、采空区与陷落柱的地震波场具有一定的相似性，往往造成误解释， 无法准确识别，所以研究影响陷落柱地震解释的波场现象十分必要，将影 响陷落柱地震解释的波场现象研究清楚后，可以提高陷落柱地震解释精度， 能更好的服务煤矿。 本文首先总结了地堑、向斜、采空区及陷落柱的地质特征，然后阐 述了地震勘探原理并通过举例重点介绍反射波地震勘探法，接着从原理 上分析地震探测地堑、向斜、采空区与陷落柱的可行性，并介绍了四种地 质现象在地震时间剖面上的特征及产生的特殊波，最后介绍地震勘探分辨 率概念。在此基础上，建立四种地质现象相关的地震地质模型，利用T e s s e r a l - 2 D 正演模拟软件对不同尺寸的地堑、向斜、采空区与陷落柱用弹性波 方程进行正演模拟，对比分析它们的水平叠加剖面和偏移剖面，并与实 际地震资料结合对比。结果表明，在本文己定的模型及参数条件下，总 I 万方数据 结出了四种地质现象地震波场的异同及它们横向分辨能力的高低。论文 所取得的成果符合原理和实际，因此在地震资料解释中，具有一定的指导 和借鉴意义。 关键词地堑，向斜，采空区，陷落柱 I I 万方数据 S T U D YO N1 ■匣E F F E C TO F Ⅵ硝V EF Ⅱ} L DP ] 呱N 0 Ⅳ匝N AO N S E I S M I C 烈T E R P R E 工虹I O NO FC O L I A P S EC O I ．I 心 A B S T R A C T I nN o r t hC h i n aC o a lc o l l a p s ec o l u m ni sac o m m o ng e o l o g i c a ld i s a s t e r s b o d Mi t sp r e s e n c en o to n l yd e s t r o y e dt h ec o a ls e a mc o n t i n u i t y , b u ta l s o ．e a s i l y l e a dm i n er o o ff a l l ，g a so u t b u r s t s ，s u d d e nw a t e ra n do t h e ra c c i d e n t s ．I t ss e r i o u s t h r e a tt oe f f i c i e n t l ym i n ep r o d u c t i o ns a f e t y ．T h e r e f o r e ，i nt h ec o a lm i n ed e s i g n a n dp r o d u c t i o np r o c e s s ，t oi d e n t i f ya n dd e l i n e a t ec o l l a p s ec o l u m np o s i t i o ni s v e r yi m p o r t a n t ． S e i s m i ce x p l o r a t i o nc o l l a p s ec o l u m ni sm o r ee f f e c t i v em e t h o do fn u m e r o u s c o l l a p s ec o l u m ne x p l o r a t i o nm e t h o d s ．B u ti t sp r e c i s i o nc o l l a p s ec o l u m nc a nn o t r e a c hc o a lm i n ee x p l o r a t i o ng e o l o g i c a lt a s k s ，t h em a i nr e a s o ni st h e r ea r es t i l l s o m ep r o b l e m sc o l l a p s ec o l u m no ns e i s m i ci n t e r p r e t a t i o n ．B e c a u s ei nt h e p r o c e s so f c o a lm i n i n gs m a l lg r a b e n , s m a l ls y n c l i n e ，g o a la n dc o l l a p s ec o l u m n ， i ns e i s m i cw a v ef i e l dh a sac e r t a i ns i m i l a r i t y , o f t e nr e s u l t i n gi nm i s c o n c e i v e ，c a n n o ta c c u r a t e l yi d e n t i f y , S Or e s e a r c ht h ei m p a c ts e i s m i ci n t e r p r e t a t i o nc o l l a p s e c o l u m np h e n o m e n o nW a v eF i e l di sn e c e s s a r y , i tc a ni m p r o v e i n t e r p r e t a t i o no fc o l l a p s ec o l u m n ，b e t t e rs e r v i c ec o a lm i n e s ． T h ep a p e rs u m m a r i z e st h eg r a b e n , s y n c l i n e ，g o a fa n dc o l l a p s ec o l u m n ，i n I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e ne x p o u n d e dt h ep r i n c i p l e sa n dr e s o l u t i o n s e i s m i ce x p l o r a t i o nc o n c e p t s ，a n dt h e nf r o mt h ep r i n c i p l eo fa n a l y z i n gs e i s m i c e x p l o r a t i o ng r a b e n ，s y n c l i n e ，g o a f a n dc o l l a p s ec o l u m nf e a s i b i l i t y , a n dd e s c r i b e s s o m eo ft h es p e c i a lg e o l o g i c a lp h e n o m e n ao nt h ef o u r - ．w a v es e i s m i ct i m e p r o f i l e sg e n e r a t e d ．O nt h i sb a s i s ，t h ee s t a b l i s h m e n to ff o u rk i n d so fg e o l o g i c a l p h e n o m e n a r e l a t e dt 0s e i s m i ca n dg e o l o g i cm o d e l ，u s i n gT e s s e r a l 一2 Df o r w a r d m o d e l i n gs o f t w a r ef o rd i f f e r e n t s i z e so fg r a b e n , s y n c l i n e ，g o a fa n dc o l l a p s e c o l u m ne l a s t i cw a v ee q u a t i o nf o r w a r dm o d e l i n g ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h e i r s t a c k e ds e c t i o na n do f f s e ts e c t i o n a l ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls e i s m i cd a t a c o m p a r a t i v e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h i s a r t i c l eh a sg i v e nm o d e la n d p a r a m e t e r s ，t h es u m m a r yr C S U l t S o ft h es e i s m i cw a v ef i e l ds i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e so ff o u rg e o l o g i c a lp h e n o m e n aa sw e l la st h e i rt r a n s v e r s a lr e s o l u t i o n ． A c h i e v e m e n t sm a d ec o m p l i a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e so ft h e s i sa n da c t u a l ，a n d t h e r e f o r et h es e i s m i cd a t ai n t e r p r e t a t i o n ，w i t hs o m eg u i d a n c ea n dr e f e r e n c e ． K E Y W O R D S g r a b e n , s y n c l i n e ，g o a gc o l l a p s ec o l u m n I V 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 选题目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 ．2 选题意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 陷落柱的国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 现有研究存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 研究内容及思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．2 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 第二章地堑、向斜、采空区、陷落柱的地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 地堑的地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 向斜的地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．3 采空区的地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．4 陷落柱的地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 第三章地堑、向斜、采空区、陷落柱地震探测原理概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．1 地震勘探基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．2 地震探测地堑、向斜、采空区、陷落柱的可行性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．2 ．1 地堑地震特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 ．2 向斜地震特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 ．3 采空区地震特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 V 万方数据 丕堕堡王丕堂堡主婴壅生堂鱼鲨窒 3 ．2 ．4 陷落柱地震特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．2 ．5 特殊波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．3 地震勘探分辨率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 第四章基于模型的地堑、向斜、采空区、陷落柱正演模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 4 ．1 地震波场正演模拟概念与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 4 ．1 ．1 地震波场正演模拟概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 4 ．1 ．2 地震波场正演原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．2 四种地质现象地震响应的正演模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 。2 ．1 单层煤正演模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．2 ．2 双层煤正演模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 4 ．3 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。7 5 4 ．3 ．1四种地质现象波场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 4 ．3 ．2 四种地质现象横向分辨能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 第五章三维地震勘探实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 5 ．1 勘探区地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．2 勘探区资料解释⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．3 模拟资料与实际资料对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 第六章结论与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 6 ．2 存在问题及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 攻读硕士期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 选题目的及意义 第一章绪论帚一早殖记 1 ．1 ．1 选题目的 我国能源资源约束日益加剧，生态环境问题突出，调整结构、提高能效和保 障能源安全的压力进一步加大，其中煤炭是我国重要资源，煤炭在一次性能源生 产和消费结构中占7 0 ％以上Ⅲ，然而煤矿恶性事故不断发生，造成了巨大的灾难 和经济损失。为保证煤矿高效安全生产，亟需查明影响煤矿安全生产的地质现象。 陷落柱是自然发育的一种地质构造，也是华北煤田开采过程中经常遇到的一 种地质灾害体。 陷落柱形状各异、大小不同，它的存在不仅破坏了煤层的连续性， 还使煤层围岩失去稳定性，并且给煤矿采区划分、巷道布局建设、采掘方法选择 等增加了很大困难，更重要的是陷落柱有可能与地下水导通威胁矿井安全，给煤 矿带来不可估量的损失，因此在煤矿设计和生产过程中，查明陷落柱极其重要。 目前，陷落柱的探测方法较多，主要的物探方法有三维地震勘探、瑞雷波勘 探、高密度电阻率法、瞬变电磁法、地质雷达等。其中，三维地震是探测陷落柱 的有效方法，但是对小尺寸的陷落柱勘探精度往往不理想，还不能达到煤矿地质 任务的要求。究其原因主要是陷落柱地震解释工作造成，因为在地震时间剖面解 释中，影响陷落柱地震解释的波场现象较多，它们波场具有一定的相似性，若对 它们不清楚，则无法准确识别，容易造成误解释，还有就是当尺寸小到一定程度 时，在地震时间剖面上不能引起地震反映。因此，急需对影响陷落柱地震解释的 波场现象进行系统研究，并且结合实例分析它们波场特征，将它们的地震波场搞 清后，对地震资料解释工作会有一定的指导和帮助。 1 ．1 ．2 选题意义 本文拟通过查阅文献并结合实际地震资料对影响陷落柱地震解释的波场现象 进行总结分析，建立它们的地震地质模型，并对它们进行正演模拟及相关处理分析， 说明它们的波场异同以及它们的横向分辨能力，并结合实际地震时间剖面，总结出识别 它们的方法，从而为地震资料解释工作提供参考帮助，并对提高陷落柱地震解释精度 有重要意义。 1 万方数据 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 陷落柱的国内外研究现状 国内方面，有很多学者对陷落柱做了大量研究，其中包括陷落柱的地质特征、陷落 柱的探测方法、陷落柱模拟以及陷落柱解释等。首先在陷落柱的地质特征方面，余丽阻3 对太原山西矿区的陷落柱发育规律和空间分布规律进行了总结研究。李永军3 等根据 矿井陷落柱突水实例及调查工作，将陷落柱分为早期发育阶段、强烈发育阶段、消退 阶段和灭亡阶段，并总结陷落柱发育层位的异处，将其归纳为奥灰层位可溶岩组、奥 陶纪可溶岩组及寒武纪可溶岩组，最后分析并总结了各类型陷落柱的地质特征。尹尚先 n 1 等对华北煤田岩溶陷落柱的发育成因、柱内物质组成和柱外形态特征进行了综合分 析。赵金贵3 以整个西山煤田为研究对象，对西山煤田岩溶陷落柱进行了形态特征、 构造演化、形成时间等综合地质分析，给西山煤田岩溶陷落柱的研究工作提供了一定参 考。尚克勤3 通过对华北地区岩溶无炭柱发育特征分析，总结了岩溶无炭柱成因。徐 卫国即3 等以实地调查和实验研究为依据，对华北煤矿岩溶无炭柱形成原因和突水进行 了分析。赵桂生n 1 等通过分析庞庄煤矿井下无炭柱的分布规律、地质环境以及含水特 征，预测了无炭柱影响范围。张相乾3 等通过分析朔州煤矿井下岩溶陷落柱发育的地 质环境、发育原因、发育特点以及陷落柱内部物质，对矿区岩溶陷落柱含水性进行了分 析。 在陷落柱探测模拟方面，张爱印n 们等通过采用地震和电法综合物探方法在探测陷 落柱及含水性，取得了应用效果，并说明综合物探在探测构造上具有一定优势。陶文朋 n 妇等通过采用多种地震属性方法在探测断层、陷落柱方面取得了显著效果。而模拟方 面，曹志勇H 扣1 4 1 等以煤田陷落柱为基础，先后采用声波方程和射线追踪方法中的高斯射 线束法对陷落柱进行正演模拟，并将模拟地震记录进行了处理分析，得出陷落柱柱壁绕 射和柱底强干涉波是陷落柱地震响应的重要特征，并提出延迟反射波概念，并分析延迟 反射波很可能是造成陷落柱解释偏大的原因，同时对地震观测系统参数提出了建议，然 后以散射波理论为依据，采用数值模拟，对陷落柱散射波进行了研究，并结合实际数据 对比，得出合理提取散射点的散射波场信息，可以提高陷落柱成像精度。李艳芳n 钓等 对煤田陷落柱进行了三维地震正演模拟及处理分析，与二维地震响应进行对比，得出三 维地震勘探更有利于陷落柱的地震识别。林建东n 6 3 等以实际陷落柱发育特点为依据， 建立两种无炭柱模型，并采用数值方法，对陷落柱进行模拟，并对结果做处理分析，最 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 后对比分析时间剖面，总结出尺寸大的陷落柱，其地震时间剖面上一般表现为目的层 同相轴的中断；而规模较小的陷落柱，其时间剖面上往往表现为反射波同相轴很弱，并 可以作为识别实际地震剖面上陷落柱的依据。尹奇峰n 刀等采用数值法对陷落柱模型进 行正演模拟，并将模拟单炮做处理分析，得出了不同尺寸岩溶陷落柱在地震时间剖面上 变化特点，总结出区分陷落柱的方法，从而对准确区分及确定陷落柱有重要参考意义。 在陷落柱解释方面，师素珍n 阳等根据陷落柱赋存特点及围岩物性差异，总结出其 地震时间剖面上的特征，有反射波消失、错断、下陷、扭曲现象，同时还有波形、频率、 振幅等动力学特征不正常现象，总结为陷落柱特殊的地震响应，并且陷落柱的属性平面 图上出现不规则圆形、条形及珠串状；另外说明陷落柱地震解释的重点在于断陷点的确 认，通过采用射线状、方格网状测线切陷落柱属性图，对断点的位置基本可以确定，并 用相关切片、立体可视化等解释方法加以辅助，通过全面的、不同视角观察，可以很大 程度提高陷落柱的识别精度并在煤矿得到实践。杨晓东n 钉等通过对陷落柱建立模型进 行正演模拟并对模拟结果进行处理得到地震时间剖面，理论与实际结合分析，得出绕射 波、延迟绕射波、延迟反射波及柱顶绕射波，这些异常波是确定陷落柱的重要标志。杨 德义心0 。2 1 1 等首先对陷落柱的地震瞬时振幅、瞬时频率、瞬时相位剖面及拟层速度 G L O G 剖面上出现的特征进行了分析，同时说明利用特征剖面结合常规时间剖面分析陷落柱特 征是可行的，接着对陷落柱断点绕射时距曲线方程和数学模型做了分析，证明了延迟绕 射波和绕射波存在传播时差，另外结合实际地震时间剖面进行分析，说明延迟绕射波是 识别陷落柱的重要依据。李文心幻等采用地震属性技术对某矿区的煤层反射波进行了分 析，并结合己知资料，通过分析其地震属性，可以准确识别和圈定陷落柱，使矿区资料 得到优化解释。吴守华心3 1 等对陷落柱的异常特征进行了分析，总结出识别陷落柱的方 法，结合实际资料得到确认，可作为区分和识别陷落柱的规则，具有参考借鉴的意义。 李林元心等通过分析某矿工作面回采碰到的无炭柱难题，介绍了小波分析的理论及研 究现状，最后阐述了其圈定陷落柱的优势，采用小波分析法将地震资料特别化处理，再 从其特别处理后的数据体中分析陷落柱的属性，最后在理论与实际资料中都取得了较好 效果，为陷落柱地震识别做出全新探索。宁建宏心5 3 等系统的分析和总结了华北煤田陷 落柱的地震资料特点，得出综合利用地震识别技术对陷落柱正确分辨和圈定有指导意 义，并在山西某矿取得较好效果。杨双安心明等对陷落柱进行了充水和不充水分析，得 出陷落柱延迟绕射波很严重，另外得出充水型陷落柱的延迟绕射波延迟时间会更长，可 3 万方数据 以通过这种现象来识别陷落柱的充水性。 在国外，并没有陷落柱这个定义，但是一些学者对类似陷落柱构造做了相关研究， 比如岩溶塌陷就与国内的陷落柱等同。在岩溶塌陷的特征和形成原因方面，M a r t i n e z j d ‘刚、H a t z o r y h 【2 引、P a l m e r a n [ 2 9 3 傲了相关的研究，岩溶塌陷是岩溶发展史中的一部分。 A m o sF r u m k i n 和P a n a g i o t i sK a r k a n a s 们对岩溶空洞的形成过程和岩溶空洞的充填物做 了相关研究，得出重力作用是岩溶空洞形成的重要条件，并且其充填物主要是方解石、 上覆基岩碎块及粘土等物质。U 垒u rD o , a n 和S a d e t t i nO z e l 两位通过分析石膏岩溶的 形成机理和演化过程，得出石膏岩层比碳酸岩层更易溶于水，且岩溶塌陷是因为石膏和 碳酸盐地层受到地下水溶蚀而造成的，并指出岩溶发展的两个阶段，第一阶段是由于地 下水溶蚀形成岩溶空洞，出现溶蚀洼地或漏斗形塌陷，第二阶段是石灰岩受溶蚀塌陷到 岩溶空洞中。在岩溶塌陷的探测方面，B ．A ．H a r d a g e 2 1 等人以F o r tW - o r d l 盆地为例， 利用地震勘探方法探测了岩溶塌陷的高度、直径和截面积，并分析了岩溶塌陷对圈闭的 影响。R 6 n l iV A L O I S 阳盯总结了多种地球物理方法探测岩溶塌陷构造中的应用效果，电 阻率和地震折射投影技术用于探测岩溶塌陷的几何形状是非常有效的，地震折射法对划 分表层岩溶带和风化特征较好，时间延迟电阻率成像法不是很有效，地震折射层析成像 可以很好的确定岩溶空洞。。V a u p o t i 芒Jn q 通过对喀斯特洞穴中的氡元素检测，得出岩溶 洞穴内氡浓度明显较高。法国学者C a r r i 邑r eSD 口趵等通过采用电阻率成像和地质雷达相 结合方法对岩溶地质构造的不饱和地区进行了研究，最后得出地质雷达在地表浅层有较 高的分辨率，能够给电阻率成像方法提供指导。J e s s eA ．B a k e r 口6 3 等应用反射波法地震 勘探技术在密苏里州找到了一个粘土填充的岩溶塌陷，随后得到钻探验证。 1 ．2 ．2 现有研究存在问题 虽然众多学者对陷落柱做了大量研究工作，包括陷落柱探测、陷落柱模拟以及陷落 柱解释，但是在陷落柱地震解释方面，还存在一些问题，其中主要由于影响陷落柱地震 解释的波场现象没有搞清楚，导致在陷落柱地震解释上存在一定的误解释。在地震资料 中影响陷落柱地震解释的地质现象主要有断层组合的小地堑、褶f H j 中的小向斜以及人 为开采造成的采空区。这四种地质现象地震波场具有一定的相似性，在地震时间剖面上 不易区分，易造成误解释。并且还没有学者对四种地质现象的波场进行过系统综合研究， 以及相关文献发表。 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．3 研究内容及思路 1 ．3 ．1 研究内容 本文主要研究内容是小地堑、小向斜、采空区与陷落柱的波场特征及四种地质现象 的横向分辨能力。具体论文内容，可分以下三个方面 1 、通过正演模拟研究相似规模四种地质现象波场异同； 2 、通过研究这四种地质现象尺寸变化及地震波场变化，研究这四种地质现象的横 向分辨率高低 3 、结合实际地震资料，研究识别这四种地质现象的方法。 1 ．3 ．2 研究思路 研究思路如图1 ．1 所示。 查阅文献 土 总结地堑、向斜、采空区、陷落柱的形成及地质特征 地堑、向斜、采空区及陷落柱地震探测原理概述 建立不同尺寸四种地质现象的地震地质模型 j 果用T e s s e r a l ．2 D 软件的弹性波方程进行正演模拟 分析对比模拟结果 实际资料分析 对比、分析理论与实际资料并得出结论 t” 图1 - 1 研究思路 F i g ．1 - 1m e n t a l i t yo f r e s e a r c h 5 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．4 本章小结 本章主要阐述了论文的研究目的和意义，陷落柱地质特征、探测模拟以及解释方法 的国内外研究现状，然后介绍了本文的研究内容和研究思路。 6 万方数据 第二章地堑、向斜、采空区、陷落柱的地质特征 2 。1 地堑的地质特征 1 、地堑的形成 地堑是由走向基本平行、倾向相对、性质一样的两条或两条以上正断层组合而成， 它们中间共用一个下陷断盘，地堑一般发育在地壳拉伸处。当有水平拉张力时，地层在 垂向上变薄，在上部剖面中会存在两组共轭高角度的正断层，它们中间断块下沉，形成 地堑[ 3 7 3o 本文主要研究的是在煤矿开采过程中遇到由两条及以上正断层，具有相对倾 向，并且中间断盘相对两侧下降 见图2 ．1 的小地堑。在断层发育地区，其往往不是 单个出现，而是成群出现，并且一定的形式组合在一起，正如本文研究的小地堑。 图2 - 1地堑 F i g ．2 1 g r a b e n 2 、地堑的地质特征 地堑两边通常不是一条正断层，而是数条产状基本一致的正断层组成一组同向倾斜 的阶梯式断层系列，两侧的断层可以是均等发育的，也可以是一侧断层较另一侧发育， 而且断层周围的裂隙很发育，容易成为良好的倒水通道。地堑存在破环了煤层的连续性， 影响采矿安全及开采进度。 2 ．2 向斜的地质特征 1 、向斜的形成 在地质应力作用下岩层发生塑性变形，从而形成一系列波浪状弯曲，但是岩层整体 仍保持着连续完整性，这种构造形态称为褶皱构造。而褶皱的基本单位是褶曲，褶曲有 7 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 两种基本形态，一种是向斜，一种是背斜，实际情况中向斜与背斜通常成对出现 见图 2 ．2 。褶皱的规模程度能反映其形成时地质作用的方式和强弱。通常情况下褶皱主要是 地壳运动产生的挤压作用造成。 图2 - 2向斜 F i g ．2 - 2 s y n c l i n e 2 、向斜的形态特征 向斜构造是地壳中普遍存在的现象，并且其的形态多种多样，规模大小各不相同， 相差也很悬殊。本文主要研究的是在煤矿开采过程中遇到的小向斜，这些小向斜的存在 会破坏煤层的稳定性，给采煤造成困难，并且其周围裂隙较发育，很可能导致瓦斯的突 出。由于本文主要研究向斜横剖面上的地震波场特征，故在此仅介绍向斜在横剖面上的 分类，根据向斜轴面和两翼岩层产状，向斜可分为 1 当向斜轴面直立，并且两翼地层层序正常，两翼存在相反的倾向，同时倾角相 等，则称为直立向斜 图2 - 3 a 。 2 当向斜轴面倾斜，并且两翼地层层序正常，两翼存在相反的倾向，同时倾角不 相等，则称为斜歪向斜 图2 - 3 b 。 3 当向斜轴面倾斜，并且一翼地层层序正常，另一翼地层层序倒转，两翼岩层倾 向相同，但倾角可以不相等，则称为倒转向斜 图2 - 3 c 。 4 当向斜轴面直立或倾斜，并且两翼地层层序倒转，倾角相等或不相等，在剖面 上整体 囝 向斜 图2 - 3 d 。 b 图2 ．3 F i g ．2 3 侈U c．d 向斜横剖面 s y n c l i n eC R O S S - s e c t i o n 8 万方数据 2 ．3 采空区的地质特征 1 、采空区的形成 一般情况下煤层是以层状的形式赋存在煤系地层中，当地下煤层被人开采后，则其 就形成了采空区，并且采空区围岩的应力就会失去平衡条件，与此同时应力为恢复平衡 条件，就会促使采空区上方岩体发生滑动随射。这种促使采空区上方岩体的滑动变化形式 非常复杂。这种滑动变化会随着生产条件不同而变化，当采空面积小，并且煤层上部为 塑型岩性时，由于预留煤柱的支撑，应力将转移到煤柱上，从而不能引起岩层滑动，那 么采空区会以空洞形式保存下来。但通常情况下，在重力和地层应力作用下采空区的上 部顶板会垮落、冒落，形成塌落带、裂隙带和弯曲带。由此得知，煤矿采空区最后以无 塌陷和塌陷两种形式留存下来。 采空区上部岩层的滑动变化形式大体可分为以下三种 1 煤层被开采后，由于上 覆岩石在重力作用下，应力已经超过岩石所能承受的强度，从而导致破裂、垮落，也就 是垮落带； 2 垮落以上的岩层，虽然连续性没有破坏即没有垮落，但是其会造成裂隙 非常发育，也就是裂隙带； 3 裂隙带上覆岩体保持整体性没有发生破碎，仅仅由于重 力作用下导致弯曲，这就是弯曲带。 2 、采空区地质结构即“三带”的划分 1 冒落带指采空区上方岩层由于重力作用发生破裂、跌落、堆积成的空间， 其影响区域取决于煤层项板岩体碎胀性、采煤方式及煤层厚度。水平矿层为采厚的2 - - - 6 倍。 2 裂隙带在冒落带上部，由于其裂隙非常发育，从而称为连通采空区的导水 裂隙，其连续性没有遭到损坏。裂隙带岩体因为受到横向作用力，所以凹凸变化比较突 出，造成了裂缝甚至破裂，迫使岩体改变结构，从而减少了岩体承受力度。其主要是岩 层的滑移生成，与冒落带没有特定划分线。 3 弯曲带是裂隙带以上直到地面的那些岩体。随着离采空区的厚度越大，上 部岩体的损坏程度越小，且裂隙逐渐消失，岩体虽然移动变形，但仍保持岩体原有结构， 其滑动变化平稳、连续及规律。其变形是在重力作用下呈现弯曲状态。 上述“三带”的划分是基于岩体连续滑动变形条件下。通常只适合沉积状岩体，并 且每个带之间并无确定划分线。采空区不是特定存在三个带，在煤层埋深较浅的煤矿， 或许只有一个或两个带，甚至有的开采后直接冒落到地面，此时仅存在冒落带。图2 ．4 9 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 为采空区“三带”示意图 蔫芦弋二二二二二羔掣一‘ 覆岩 ＼一 图2 ．4采空区“三带”示意图 F i g ．2 4g o a f ”t h r e ez o n e s ”s c h e m a t i cd i a g r a m 2 ．4 陷落柱的地质特征 1 、陷落柱的成因及形成 陷落柱形成主要原因是下部可溶性岩层，经地下水猛烈侵蚀情况下，导致岩溶空洞， 进而导致上部岩层下陷，向侵蚀空洞冒落、塌陷，最终变成圆筒状或锥状柱体。陷落柱 成因包含以下几个方面一是下伏岩层中存在可溶性岩层，如碳酸岩、石膏岩、泥灰岩 等，这些岩体容易被地下水侵蚀，从而形成空洞，导致上伏围岩塌落；二是地下水资源 比较丰富，且含有溶蚀性的酸根；三是有通畅的排泄口，就是地下水动力比较好，存在 猛烈交替的水循环，其溶蚀能力很强；四是存在良好的地下水通道即断裂构造比较发育。 图2 ．5 为陷落柱形成过程 穗 1 靶{ 国 国重量勇臣勇国臣目圆 砂嚣泥轻 { ；饔 蠢灰嚣秘缝海疆酝薛糖 图2 ．5陷落柱成因分析示意图 F i g ．2 - 5 s k e t c hf o rm e c h a n i s ma n a l y s i so nf o r m i n gk a r s t i c c o l l a p s ec o l u m n s 2 、陷落柱的形态特征 陷落柱平面形态以不规则圆形居多且大小各异，纵向剖面呈上大下小的漏斗状、上 小下大的圆锥状、上下塔形不规则形状 如图2 ．6 。陷落柱与围岩呈凹凸不平接触，且 内外岩体性质不同，存在明显的接触界面，陷落柱的围岩通常具有裂隙发育带。柱内填 】O 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 充物主要是塌陷的岩体堆积而成，与邻近正常岩层相比，其柱内塌陷岩体层位较新、大 小不同、形状各异、棱角清晰、混乱堆积，一般是酥松岩块、煤屑及粉粒土充填胶结等 特点。其次由于重力和真空吸蚀的作用下，陷落柱邻近的岩体中存在一些张性裂隙和小 型正断层。这些正断层通常倾角很陡，走向与柱壁切线平行，或呈弧形平行于柱面，倾 向为柱内中心，断层落差较小，走向延展很短。 图2 - 6 陷落柱剖面形态示意图 a 松软岩层中的漏斗状岩溶陷落柱 b 坚硬岩石中的圆锥状岩溶陷落柱 c 复杂岩层中的陷落柱 F i g ．2 - 6s c h e m a t i cf o r mo f c o l l a p s ec o l u m np r o f i l e s a s o f tr o c kf u n n e lo f K a r