基于频率谐振技术的采煤工作面覆岩移动特征研究
内容提纲
北京派特森科技股份有限公司于2017年提出将人工主动源与被动源地震法以及多次迭加处理技术相结合，发明了全新的三分量频率谐振探测方法。其要点是应用大能量信号源和多次迭加技术压制大量的无用信号噪声，使得频率谐振下的地震数据中有用信号占优，从而提高浅层勘探能力和深层分辨能力。相比其他地震勘探手段(面波、反射波、折射波)而言，频率谐振勘探技术增加了直接找矿、评判最优靶点的能力。
2.2 数据采集和数据处理
（1）数据采集
根据工作需要，选定的目标区域如图1所示。针对目标区域共布设2D测线6条，其中5条测线长300m，1条测线长450m（由测线7和测线13组成），共部署1950m测线，东西向测线间距60m，南北向测线间距100m，检波点间距5m，共部署390个检波点。单点数据采集时长不短于1h。
（2）数据处理
数据处理包括现场数据处理和室内数据。基础数据现场处理要检验的数据包括原始地震数据、观测数据集静校正数据等一切地震采集数据。现场数据处理的目的在于对采集作业质量进行控制，及时发现问题，并提出整改措施。室内数据处理使用多套常用地质资料处理、解释和成图软件以及北京派特森科技股份有限公司持有的无射线层析静校正技术、高精度速度分析技术等专利技术。室内数据处理的目的是生成后续地质解释及专业研究所需的图像。
3 采煤工作面覆岩移动特征研究
3.1 沿工作面走向覆岩移动空间特征研究
测线7、测线8、测线9为同一时段采集的数据，其频率谐振波阻抗成像图如图2、图3、图4所示。其波阻抗具有如下特点：
（1）存在波阻抗分带现象。说明岩石垮落和裂缝的形成存在分带现象，分带高度最大可达百米，上方基本止于475m深的层位。
（2）波阻抗分带具有一定的倾角，其与水平方向夹角在60°~62°，说明煤层采后对覆岩扰动破坏遵循莫尔准则。
（3）分带区域的下限直至原煤层所在位置，超过煤层底板后，分带现象消失；分带区域上方的区域以在水平方向上分层现象比较明显，证明了覆岩的层状赋存特征。
（4）在分带区域内，波阻抗值存在系列不规则块体结构，该结构随深度增大而块度渐小，表明覆岩在采动影响下破碎程度离原煤层越近破碎越充分。
图3 测线8频率谐振波阻抗成像图
图4 测线9频率谐振波阻抗成像图
3.2 沿工作面倾向覆岩移动时空特征研究
测线10、测线11、测线12均沿工作面倾向布设，其频率谐振波阻抗成像图如图5~图7所示。其中测线10数据为采动后约30d采集，测线11数据位置基本位于工作面回采位置，测线12数据采集位置约为采后120d。倾向波阻抗成像图揭示了顶板覆岩移动的时空特征：
（1）3条测线图像均未呈现前节走向测线表现的约60°倾角分带现象。表明工作面覆岩在倾向上移动的时间大致相同，覆岩的碎裂程度没有大的差异。
（2）呈现大范围的分区现象，尤以测线10表现明显。475m以深至煤层底板区域波阻抗降低明显。
图5 测线10频率谐振波阻抗成像图
图6 测线11频率谐振波阻抗成像图
图7 测线12频率谐振波阻抗成像图
3.3 沿工作面走向覆岩移动时空特征研究
测线13和测线7均沿工作面走向，其中测线13数据采集比测线7的数据采集晚约90d，可组合成1条450m长的测线，其波阻抗成像图如图8所示（左侧为测线13、右侧为测线7），工作面覆岩随采动时间的移动时空特征：
（1）覆岩移动的滞后性。测线13段的整体波阻抗值较测线7均较低，特别是150~300m深度部位，二者差异较大，表明高层位岩层移动已传递到该层位。
（2）采动超前扰动现象随覆岩移动充分程度消失。测线13段已经没有测线7所具备的覆岩存在分带现象，表明覆岩移动基本稳定。
（3）随推采覆岩垮落带再次被压实。测线13的垮落带区域低波阻抗区域明显比测线7同层位的区域小，表明采后随时间推移，垮落带被再次压实，更致密。
图8 测线7和测线13数据合成频率谐振波阻抗成像图
4 结语
（1）表明频率谐振技术在深地探测方面具有较好的适用性，煤层底板的基本无破坏以及近煤层覆岩垮落和产生裂隙以及远煤层覆岩弯曲下沉等特征均得到验证。
（2）从空间尺度上看，煤层覆岩随工作面开采存在超前扰动的现象，与已知的覆岩移动研究成果相吻合。
（3）从时间角度上看，煤层覆岩移动具有滞后性，高层位的岩层移动滞后于地层位岩层。
（4）探测到采空区破碎带再压实现象。
原文来源：煤炭技术.2021年12月.第40卷 第12期
