煤田地震勘探中特殊地質(zhì)異常體的識(shí)別及應(yīng)用研究

張向鵬

【摘 要】煤田三維地震勘探技術(shù)不僅在控制煤層賦存形態(tài)及斷層方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，而且在準(zhǔn)確圈定地質(zhì)異常體方面已取得了很好的效果。本文對(duì)煤礦生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)異常體的地質(zhì)特征及地震反射特征進(jìn)行總結(jié)，并通過三維地震勘探資料與煤礦實(shí)際揭露進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】三維地震勘探；小窯采空區(qū)；巖漿巖侵蝕； 煤層露頭；火燒區(qū)及沖刷帶；陷落柱

0 引言

地質(zhì)異常（geological anomaly）是指在成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造或成因序次上與周圍環(huán)境有明顯差異的地質(zhì)體或地質(zhì)體的組合。也常常表現(xiàn)為地球物理場(chǎng)、地球化學(xué)場(chǎng)及遙感影像異常等都有所差異，主要用于礦產(chǎn)預(yù)測(cè)，進(jìn)而用來總結(jié)區(qū)域成礦規(guī)律。煤礦中的地質(zhì)異常通常是指小窯采空區(qū)、陷落柱、巖漿巖侵蝕、火燒區(qū)及沖刷帶等，這些地質(zhì)異常體通過三維地震勘探均能夠被識(shí)別。本文主要論述了幾種常見特殊地質(zhì)異常體的概念和地質(zhì)形態(tài)及其在地震時(shí)間剖面上的識(shí)別特征，并且通過實(shí)例將地震勘探技術(shù)和地質(zhì)資料相結(jié)合進(jìn)行了研究分析，為進(jìn)一步解決煤礦安生產(chǎn)全提供地質(zhì)保障。

1 小窯采空區(qū)的識(shí)別特征

1.1 小窯采空區(qū)的地質(zhì)特征

小窯采空區(qū)是在采煤歷史久遠(yuǎn)的礦區(qū)存在的一種特殊地質(zhì)體，由于小煤窯的隨意開采，存在許多不明采空區(qū)，這些采空區(qū)的存在對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅，并對(duì)地面建筑、地面工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性造成危害。因此，對(duì)小窯采空區(qū)的準(zhǔn)確勘查，了解和掌握采空區(qū)的巖層特征、采礦條件，查清采空區(qū)賦存深度、大小、狀態(tài)以及覆巖和煤層的結(jié)構(gòu)特征和物理、力學(xué)性質(zhì)是關(guān)鍵問題所在[1-2]。

1.2 小窯采空區(qū)的地震特征

采空區(qū)是煤層被采空之后殘余少量煤柱，上下圍巖向下垮塌，三維地震勘探時(shí)得不到連續(xù)的煤層反射波，在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)特征為同相軸變?nèi)酢⑴で蛘甙l(fā)生產(chǎn)狀變化甚至缺失，采空區(qū)出現(xiàn)冒落時(shí)，其對(duì)上下反射波同相軸皆有較大影響[1-2]。

煤層采空之后還存在大量煤柱，勘探后獲得微弱的反射波或得不到連續(xù)的反射波，在時(shí)間剖面上表現(xiàn)有三種特征：其一，是煤層反射波變?nèi)?，在采空區(qū)邊界處反射波同相軸頻率和產(chǎn)狀發(fā)生突變，在采空區(qū)內(nèi)部反射波同相軸如蠕蟲狀；其二，是通過房柱式采煤，煤層反射波同相軸的變?nèi)?，頻率和產(chǎn)狀變化較大，與周圍非采空區(qū)煤層反射波存在明顯差別，而且煤層反射波之下的層位反射波同相軸增強(qiáng)，頻率和產(chǎn)狀突變，從整張剖面來看無采空區(qū)的地段煤層反射波較強(qiáng)，其下覆層位反射波很弱，而有采空區(qū)的地段煤層反射波同相軸表現(xiàn)微弱，其下覆層位反射波同相軸較強(qiáng)，形成明顯反差；其三，是煤層被完全采空，殘余有少量煤柱，則在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為煤層反射波缺失。

圖1 采空區(qū)在時(shí)間剖面上的顯示

1.3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

陜北某礦地處毛烏素沙漠邊緣，屬于典型的黃土梁峁-沙漠地貌。本區(qū)的三維地震勘探地質(zhì)任務(wù)主要是查明區(qū)內(nèi)小窯采空區(qū)。經(jīng)三維地震勘探，在資料解釋過程中，發(fā)現(xiàn)勘探區(qū)大部煤層的反射波發(fā)生異常，在常規(guī)時(shí)間剖面上反映為煤層反射波同相軸扭曲、錯(cuò)斷、產(chǎn)狀突變、雜亂無章等（圖1）；從圖2的屬性分析中可以看出，反射波凌亂區(qū)表現(xiàn)為反射波能量消失、形成圈閉，故三維地震將其解釋為小窯采空區(qū)，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，取得良好的效果。

圖2 采空區(qū)在RMS屬性的分析上的顯示

2 陷落柱的識(shí)別特征

2.1 陷落柱的地質(zhì)特征

陷落柱是煤礦當(dāng)中，由于下伏易溶巖層經(jīng)過地下水強(qiáng)烈腐蝕，形成大量空洞，從而引起上覆巖層失穩(wěn)，向溶蝕空間冒落、塌陷所形成的桶狀柱體。其形成大致經(jīng)歷了溶隙、溶孔、溶洞塌陷等過程，其中溶洞形成是核心和先決條件。

2.2 陷落柱的地震特征

陷落柱與圍巖存在的物性差異是陷落柱探測(cè)的物性基礎(chǔ)。在地震時(shí)間剖面上識(shí)別和判定陷落柱的主要依據(jù)有：

（1）反射波組中斷或能量變?nèi)?。其中斷點(diǎn)或能量變化位置即為陷落柱邊界的反映。（2）反射波同相軸扭曲、產(chǎn)狀突變。其扭曲起始點(diǎn)之連線即為陷落柱的邊界反映。（3）反射波同相軸產(chǎn)生分叉合并和圈閉現(xiàn)象。其分叉、合并點(diǎn)即為陷落柱的邊界反映。（4）反射波相位轉(zhuǎn)換，極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，其反轉(zhuǎn)起始點(diǎn)即為陷落柱邊界。（5）在疊加時(shí)間剖面上，出現(xiàn)斷陷點(diǎn)繞射波、延遲繞射波等。（6）在方差體剖面上，將反射波立方體內(nèi)的差異放大，以深顏色突出表示出來，能夠反映陷落柱體邊界；（7）在瞬時(shí)相位剖面上，反射波連續(xù)性變差，出現(xiàn)相位轉(zhuǎn)換、分叉合并和圈閉現(xiàn)象；在瞬時(shí)振幅剖面上，反射波能量突然中斷或消失。（8）在水平等時(shí)切片和順層能量切片上的反映為能量突然變?nèi)?，以不同的顏色顯示出來，形成一個(gè)異常圈閉，基本上能夠反映陷落柱的平面形態(tài)。（9）在方差等時(shí)切片和方差順層切片上，陷落柱邊界以明顯的放大了的差異特征形成突出的異常圈閉，能夠較準(zhǔn)確的反映陷落柱的平面形態(tài)[3-4]。

2.3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

山西某礦地處呂梁山脈的蘆芽山南部的丘陵區(qū)，屬于典型的黃土梁峁地貌。本區(qū)的三維地震勘探地質(zhì)任務(wù)主要是查明區(qū)內(nèi)煤層中的陷落柱。經(jīng)三維地震勘探，在資料解釋過程中，發(fā)現(xiàn)勘探區(qū)中西部煤層的反射波發(fā)生異常，在常規(guī)時(shí)間剖面上反映為各煤層反射波同相軸扭曲、錯(cuò)斷、產(chǎn)狀突變等（圖3）；從圖4中可以看出，在水平切片上表現(xiàn)為反射波能量消失、形成圈閉；在等時(shí)切片上可以看出其平面形態(tài)均為近橢圓形（圖5）。

經(jīng)過精細(xì)的地震地質(zhì)解釋，在勘探區(qū)內(nèi)圈定了3個(gè)長(zhǎng)軸直徑均大于20m的陷落柱。圖5為陷落柱在等時(shí)切片上的表現(xiàn)特征，由此可以看出其特征均為上小下大的反漏斗型、陷壁角大多較陡，約80°，柱體中心軸多為直立型。本次勘探解釋的3個(gè)煤層陷落柱的發(fā)育情況與實(shí)際揭露情況較為吻合。

圖3 DX1陷落柱在縱剖面上的顯示

Figure.3 Subsided column （DX1） reflected on vertical section

圖4 陷落柱DX1在水平切片上的顯示

Figure.4 Subsided column （DX1） reflected on horizontal slice

圖5 陷落柱在等時(shí)切片上的顯示

Figure.5 Subsided column reflected on time slice

3 巖漿巖侵蝕的識(shí)別特征

3.1 巖漿巖的地質(zhì)特征

巖漿巖是由巖漿直接冷凝形成的巖石，因此，具有反映巖漿冷凝環(huán)境和形成過程所留下的特征和痕跡。巖漿巖不論侵入到地下，還是噴出到地表，它們和周圍的巖石之間都有明顯的界限。巖漿從上地?；虻貧ど钐幯刂欢ǖ耐ǖ郎仙降貧ば纬汕秩霂r或噴出到地表形成噴出巖的過程中，由于溫度、壓力等物理化學(xué)條件的改變，巖漿的性質(zhì)、化學(xué)成分、礦物成分也隨之不斷地變化，因此，在自然界中形成的巖漿巖是多種多樣、千變?nèi)f化的，這充分說明了巖漿成分的復(fù)雜多樣性。

3.2 巖漿巖的地震特征

由于巖漿巖侵蝕，造成局部煤層的破損或缺失，在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為煤層反射波同相軸的變?nèi)趸蛳В谄矫嫔媳憩F(xiàn)為條帶狀分布，和煤層沖刷帶的區(qū)別是巖漿巖體頂面往往形成較強(qiáng)反射波[5-6]。

3.3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

河北某礦在三維地震資料解釋的過程中發(fā)現(xiàn)勘探區(qū)的西南部有一被輝綠巖侵蝕的巖漿巖侵蝕帶，并被3號(hào)和2鉆孔控制，這兩鉆孔中的主要煤層（4、5煤層）都被侵蝕掉，6號(hào)鉆孔間接控制，該孔4號(hào)煤層呈塊狀似焦炭質(zhì)堅(jiān)硬，煤質(zhì)受火成巖體烘烤影響所致。其巖體總體走向NE，被F1和DF1、DF2斷層切割，本次根據(jù)周邊資料對(duì)測(cè)線間的侵蝕邊界位置進(jìn)行了推測(cè)，4、5煤被侵蝕面積約0.2km2（圖6）。

圖6 巖漿巖侵蝕帶在地震時(shí)間剖面上的顯示

Figure.6 Magmatic rock intrusion reflected on

seismic time section

4 火燒區(qū)的識(shí)別特征

4.1 火燒區(qū)的地質(zhì)特征

煤層燃燒后，巖層受高溫烘烤變質(zhì)淺紅色、赭色、 淺黃色燒變巖， 打擊發(fā)出陶瓷片聲。地表巖層裂隙度增大，土質(zhì)地變松軟，有大片的潮濕土，形成一層薄硬殼，顏色為棕紅色帶有硫化氫的氣味，這是地下化學(xué)反應(yīng) 氣體隨熱氣上升地表形成。頂?shù)装鍑鷰r中含有黃鐵礦、 赤鐵礦、 菱鐵礦、 褐鐵礦等成分時(shí)，受高溫烘烤發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)的變化而產(chǎn)生新的電阻高、導(dǎo)電差的氧化物，經(jīng)高溫分解產(chǎn)生磁性物質(zhì)。

4.2 火燒區(qū)的地震特征

煤層燃燒以后，其上下部圍巖受到高溫烘烤，巖石的物理特性發(fā)生根本性變化，巖層層狀特征遭到明顯破壞，裂隙增大，巖石破碎，煤層的物理化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生巨大變化，在地震反射波上的反應(yīng)即為煤層反射波消失或者變?nèi)酢⒎瓷淞鑱y、同相軸連續(xù)性明顯變差，總體表現(xiàn)為無明顯成層性反射[7-8]。

4.3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

新疆某礦在三維地震勘探后對(duì)三維地震資料的解釋過程中發(fā)現(xiàn)，在勘探區(qū)的南部ZKN1209鉆孔附近發(fā)現(xiàn)主采煤層反射波產(chǎn)狀突變，同相軸雜亂無章，反射凌亂、同相軸連續(xù)性明顯變差（圖7）。綜合解釋后主采煤層中在該處圈定為火燒區(qū)，呈不規(guī)則形狀，面積約0.33km2，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，情況屬實(shí)。

圖7 火燒區(qū)在時(shí)間剖面上的反映

Figure.7 Combustion area reflected on time sction

圖8 沖刷帶在時(shí)間剖面上的反映

Figure.8 Erosion zones reflected on time sction

5 煤層沖刷帶的識(shí)別

5.1 煤層沖刷帶的地質(zhì)特征

煤層沖刷帶一般是指水流對(duì)泥灰層或煤層的沖擊并通過由砂質(zhì)沉積物而形成的地質(zhì)體。煤層沖刷帶的實(shí)質(zhì)是發(fā)育于煤層中的帶狀砂體，各個(gè)沖刷帶在煤層中的分布無連續(xù)性。煤層與巖體相比較具有彈性波傳播速度低和密度小的特點(diǎn)。

5.2 煤層沖刷帶的地震特征

沖刷帶邊緣物性差異明顯，存在彈性分界面，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅經(jīng)_刷帶邊界時(shí)，煤層反射波消失或者中斷[9-10]。

5.3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

在對(duì)新疆伊犁某礦三維地震資料的解釋過程中發(fā)現(xiàn)，在勘探區(qū)東南部發(fā)現(xiàn)一煤層沖刷帶，其在地震時(shí)間剖面上M1煤層反射波突然中斷，與煤層未受到?jīng)_刷的反射波截然不同（圖8）。

6 結(jié)論

地質(zhì)異常體的存在，增加了礦井地質(zhì)的復(fù)雜性，給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大危害。因此，掌握這些地質(zhì)異常體在三維地震時(shí)間剖面上的反射特征及其規(guī)律，摸清其在平面上的展布規(guī)律，對(duì)合理高效開采、減少經(jīng)濟(jì)損失、減少人員傷亡等有著重要的指導(dǎo)意義。

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[責(zé)任編輯：劉帥]