塌陷采空區(qū)的數(shù)值模擬及屬性解釋

徐書恩，郭子華

（山西煤炭運銷集團，山西太原030013）

塌陷采空區(qū)的數(shù)值模擬及屬性解釋

徐書恩，郭子華

（山西煤炭運銷集團，山西太原030013）

老窯塌陷采空區(qū)嚴重威脅著大型礦井的生產(chǎn)與安全，探測出塌陷采空區(qū)已成為當前三維地震的一項重要研究課題。根據(jù)采空區(qū)的實際賦存形態(tài)建立了地質(zhì)模型，并采用射線追蹤理論進行數(shù)值模擬，在時間剖面上較系統(tǒng)地分析了塌陷采空區(qū)的形態(tài)特征，并分析了反射波的頻譜特征。結(jié)合一些典型的工程實例，總結(jié)出塌陷采空區(qū)在地震資料上的地震響應(yīng)特征以及地震屬性特征，對煤礦安全生產(chǎn)具有指導意義。

塌陷采空區(qū)；數(shù)值模擬；頻譜分析；地震屬性

近年來，隨著國家對煤礦整合、兼并力度的不斷加大，塌陷采空區(qū)給國有煤礦的安全生產(chǎn)留下了隱患，直接影響著礦井機械化采煤工作面的布置，更是礦井透水事故的主要來源。因此，提前查明老窯采空區(qū)的位置是各大型礦井亟需解決的問題。

本文根據(jù)采空區(qū)的實際賦存形態(tài)建立了地質(zhì)模型，在時間剖面上較系統(tǒng)地分析了塌陷采空區(qū)的形態(tài)特征，并分析了時間剖面上反射波的頻譜特征。結(jié)合一些典型的工程實例，認為煤礦塌陷采空區(qū)在時間剖面上的形態(tài)特征以及地震屬性特征均比較明顯，可為煤礦生產(chǎn)與安全提供指導意義。

1 地震地質(zhì)模型

1.1 模型建立

當煤層被開采或被采空時，上覆地層的原有地應(yīng)力平衡遭到破壞。劉天泉院士等對我國煤礦開采覆巖破壞與導水裂隙分布作了大量的實測和理論研究[1-3]，對采場上覆巖層移動破斷與采動裂隙分布規(guī)律提出了“橫三區(qū)”、“豎三帶”的總體認識，即沿工作面推進方向覆巖將分別經(jīng)歷煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)以及重新壓實區(qū)；由下往上巖層移動分為垮落帶、斷裂帶、整體彎曲下沉帶，采空區(qū)中部的離層裂隙基本被壓實，而在采空區(qū)四周存在連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)，其形狀與老頂巖板破斷的“O-X”型相似，稱之為采動裂隙“O”形圈［4－6］。由于“豎三帶”中彎曲帶只產(chǎn)生彎曲沉降，并不產(chǎn)生破裂，帶內(nèi)的巖層仍為層狀結(jié)構(gòu)，因此，引起的物性差異普遍比冒落帶以及裂隙帶微弱的多，此帶可忽略不計。為此建立如下地質(zhì)模型，見圖1，共建立了5層地層，分別為砂巖、冒落帶、裂縫帶、煤層以及灰?guī)r。

1.2 地層物理參數(shù)

通過沉積巖的地球物理特征可知：設(shè)定砂巖、裂隙帶、冒落帶、煤層以及灰?guī)r的縱波速度分別為3 600 m/s、2 450/3 270～3 600 m/s、2 310/2 640～3 270 m/s、2 200 m/s、4 500 m/s。其中，裂隙帶與冒落帶的地層速度采用梯度變化，且符合采動裂隙“O”形圈理論。品質(zhì)因子是描述巖石彈性的重要參數(shù)，描述了介質(zhì)對能量的吸收與散射，并依據(jù)經(jīng)驗公式Q=14VP2.2獲得品質(zhì)因子Q，品質(zhì)因子依次為235、156、134、79以及380，其余參數(shù)見表1。

1.3 地球物理特征

三維地震探測采空區(qū)主要依據(jù)的是不同介質(zhì)間的波阻抗差異。波阻抗差異越大，反射波的能量越強，勘探效果越好。煤層未開采時，呈現(xiàn)低密度、低頻、低速度的特征，與周圍圍巖存在著明顯的波阻抗，能形成能量較強的反射波［7-9］。當煤層被開采形成采空區(qū)時，上覆地層變得疏松，密度降低，傳播于其中的地震波的能量、速度、頻率均發(fā)生不同程度的變化。在時間剖面上主要表現(xiàn)為煤層反射波同相軸及輔助相位不連續(xù)、波形異常、無規(guī)律分布、頻率較低、延時現(xiàn)象明顯［10-13］。

圖1 塌陷采空區(qū)地質(zhì)模型圖

表1 模型參數(shù)表

2 模型正演

本次模型是采用射線追蹤理論進行正演模擬。模型寬度710 m，深度600 m，選用自激自收的放炮方式，雷克子波主頻為60 Hz，道間距10 m。

依此獲得模型的響應(yīng)時間（圖2）：煤層反射波同相軸下凹、中斷，以中斷為主，且同相軸變粗、頻率變低，在塌陷采空區(qū)上部同相軸發(fā)生抖動、連續(xù)性變差、“蚯蚓狀”排列，波形雜亂。除了分析塌陷采空區(qū)的時間剖面外，還分析了塌陷采空區(qū)時間剖面上的頻譜特征。通常認為頻譜分析中包括振幅、相位以及頻率等地震動力學特征，而多數(shù)地震動力學特征是構(gòu)造、地層、巖性與油氣或煤層等綜合因素的反映。對煤層以及塌陷采空區(qū)延遲反射波進行頻譜分析見圖3，4：煤層記錄道的主頻為54 Hz，平均振幅為0.001 8，塌陷采空區(qū)延遲反射波的主頻變?yōu)?8 Hz，平均振幅為0.000 4。對比分析發(fā)現(xiàn)塌陷采空區(qū)平均振幅明顯減弱，主頻也減小。

3 實例分析

工區(qū)位于晉西黃土高原的最南端，屬強烈侵蝕的低、中山地貌，勘探區(qū)地形復雜，相對高差120 m。區(qū)內(nèi)坡度較陡，黃土大面積覆蓋，淺表層地球物理條件較差。2#煤位于山西組下部，埋深250～430 m，平均厚度6 m，其下50 m左右為10#煤層，厚度3.5 m，與其頂?shù)装鍘r層形成明顯的波阻抗，故會形成兩個良好的反射界面，適合三維地震勘探。

圖2 模型響應(yīng)的時間剖面圖

圖3 煤層記錄道振幅譜圖

圖4 塌陷采空區(qū)記錄道振幅譜圖

本次地震勘探新發(fā)現(xiàn)采空區(qū):采空區(qū)I（CK1）、采空區(qū)II（CK2）、采空區(qū)III（CK1）、采空區(qū)IV（CK1）共4塊，僅以其中某個采空區(qū)為例，從地震時間剖面上看，采空區(qū)均表現(xiàn)為T2波同相軸中斷，對應(yīng)區(qū)域煤層反射波能量變的很弱；波形異常，輔助相位排列雜亂、無規(guī)律、斷斷續(xù)續(xù)；頻率變低，有繞射波、多次波等多種波混雜疊加，見圖5。

圖5 采空區(qū)在時間剖面上反映示意圖

圖6 平均振幅屬性圖

圖7 優(yōu)勢頻率屬性圖

根據(jù)采空區(qū)發(fā)育地區(qū)的地震屬性可知，利用沿煤儲層的層間地震統(tǒng)計特征更有利于對煤層采空區(qū)等異常地質(zhì)體的識別。地震屬性可劃分為振幅統(tǒng)計類、頻（能）譜統(tǒng)計類、相位統(tǒng)計類、復地震道類、層序統(tǒng)計類以及相關(guān)統(tǒng)計類6大類［14］。振幅類屬性反映波阻抗差異、地層厚度、孔隙度及含流體成分變化；頻譜類屬性特征反映儲藏巖性變化、裂縫分布范圍、油氣水分布變化和儲藏上覆地層對地震波的衰減［15］。經(jīng)過對比分析，分別選用了平均振幅以及優(yōu)勢頻率屬性。從地震屬性分析：平均振幅強度在采空區(qū)內(nèi)明顯減弱，由175減弱到75；優(yōu)勢頻率也明顯減小，由20 000減小到5 000，見圖6，7。

4 結(jié)論

綜上所述，時間剖面上的塌陷采空區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生許多不連續(xù)的界面反射波，類似于“蚯蚓狀”排列，波形雜亂，塌陷采空區(qū)的煤層底板同相軸也會出現(xiàn)明顯的時間延遲現(xiàn)象，振幅減弱且頻率降低；在地震屬性解釋上其特征也比較明顯，平均振幅以及優(yōu)勢頻率也明顯地降低。上述特征為地震勘探方法在塌陷采空區(qū)上的成功運用提供了現(xiàn)實與指導意義。

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Numerical Simulation and Attribute Analysis of Collapse Goaf

Xu Shu-en，Guo Zi-hua

Collapse goaf in old coal mine seriously threatens the production and safety of large scale mine，detecting the collapse goaf has become an important research topic in current 3D earthquake.Geological model is established according to the actual occurrence of the goaf，using ray tracing theory carries out numerical simulation. Systematically analyzes the morphological characteristics of collapse goaf and analyzes the spectrum characteristics of reflected wave on the time section.Combines with some typical engineering examples，sums up the seismic response characteristics and seismic attributes characteristics of the collapse goaf in the seismic data，it provides a guiding significance for coal mine safety production.

Collapse goaf；Numerical simulation；Spectrum analysis；Seismic attributes

TD166

A

1672-0652（2014）12-0011-04

2014-10-28

徐書恩（1969—），男，山西五臺人，1991年畢業(yè)于山東礦業(yè)學院，工程師，主要從事地測防治水技術(shù)管理工作（E-mail）xushuen109@163.com