三維地震勘探在趙莊煤礦陷落柱探查中的應(yīng)用

李勁松，左杰海，封云杰，李東亮

(山西晉煤集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

?

三維地震勘探在趙莊煤礦陷落柱探查中的應(yīng)用

李勁松，左杰海，封云杰，李東亮

(山西晉煤集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

[摘要]根據(jù)三維地震解釋陷落柱的理論基礎(chǔ)，分析了陷落柱的地震響應(yīng)特征。結(jié)合趙莊煤礦地層的賦存特征，設(shè)計(jì)了三維地震作業(yè)及采集方法，并通過高分辨數(shù)據(jù)處理，在偏移數(shù)據(jù)體上進(jìn)行綜合屬性分析，根據(jù)陷落柱在三維地震數(shù)據(jù)體上的響應(yīng)特征，基本確定陷落柱的范圍。相比較常規(guī)的陷落柱探查方法，利用地震屬性綜合分析能對(duì)陷落柱等構(gòu)造異常體作更準(zhǔn)確的判斷，從而更好地指導(dǎo)煤礦的開采工作。

[關(guān)鍵詞]三維地震勘探;陷落柱;屬性特征

Application of 3-d Seismic Exploration in Detecting Collapse Column in Zhaozhuang Colliery

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.004

[引用格式]李勁松，左杰海，封云杰，等.三維地震勘探在趙莊煤礦陷落柱探查中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2015，20(5)：15-18.

煤層底板有泥巖、砂巖、灰?guī)r三大類，其中灰?guī)r由于地下水活動(dòng)作用，發(fā)生化學(xué)溶解，并形成大量的空洞，空洞圍巖抵抗破壞的能力降低。在地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力綜合作用下，空洞圍巖發(fā)生松動(dòng)、破碎和塌陷，形成陷落柱[1]。當(dāng)陷落柱逐步擴(kuò)大并到達(dá)煤層，煤層也因此而遭受破壞，井下掘進(jìn)至陷落柱位置時(shí)，頂板支護(hù)困難，底板裂隙發(fā)育，深部灰?guī)r水容易大量涌入，造成突水。陷落柱在形成的過程中對(duì)煤系地層中的煤層及其周圍的巖石也會(huì)造成嚴(yán)重破壞，在一定程度上影響煤礦的開采，并且存在很大的安全隱患。

1趙莊煤礦地質(zhì)概況

趙莊煤礦位于沁水煤田東南部，地層構(gòu)造形態(tài)為一個(gè)單斜構(gòu)造，走向?yàn)榻睎|向，地層平均傾角為24°。單斜構(gòu)造上發(fā)育了大量次級(jí)小褶皺，研究區(qū)內(nèi)小構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平均每千米巷道內(nèi)的斷層數(shù)為12條，礦區(qū)內(nèi)根據(jù)揭露或者三維地震解釋的陷落柱共計(jì)67個(gè)。

勘探區(qū)內(nèi)以低山、丘陵為主，地形東西高中間低，北高南低。區(qū)內(nèi)第四系黃土覆蓋，厚度為3～10m。地層從老到新有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及新生界第三系、第四系地層?？碧絽^(qū)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含煤地層平均厚度147.44m，共含煤層15層，平均厚度12.58m，平均含煤系數(shù)8.5%。二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤層，總平均厚度為5.58m，全勘探區(qū)穩(wěn)定可采。

2利用三維地震技術(shù)解釋陷落柱的基礎(chǔ)

2.1　陷落柱解釋的物理基礎(chǔ)

陷落柱是一個(gè)平面上為圓錐狀，剖面上為一個(gè)上小下大的塌陷體。其在三維地震上的響應(yīng)取決于野外地震數(shù)據(jù)的縱向和橫向分辨能力。目前地震資料主要采用剖面解釋的方法，因此，地震資料的橫向分辨能力是衡量陷落柱探測(cè)的物理基礎(chǔ)之一。根據(jù)三維地震勘探理論，假設(shè)地下地層水平，可以通過地震波的干涉理論分析得出，橫向分辨率是以第一菲涅爾半徑r為半徑的一個(gè)圓，表示為：

式中,v為到達(dá)某一波阻抗界面的平均聲波速度；t為某一波阻抗界面的地震波雙程時(shí);f為地震波在某一波阻抗界面的地震波主頻。

通過上述公式來確定陷落柱的半徑，當(dāng)陷落柱半徑大于r時(shí)，在三維地震數(shù)據(jù)的水平疊加剖面能夠確定陷落柱的邊界；當(dāng)陷落柱半徑小于r時(shí)，只表現(xiàn)為連續(xù)反射波振幅上的微小變化。

2.2　陷落柱在地震剖面上的判別依據(jù)

陷落柱會(huì)導(dǎo)致地層坍塌，與周圍正常賦存地層存在明顯的差異，既有可能是相對(duì)陷落柱圍巖(陷落柱內(nèi)部是一個(gè)整體塌陷)，也有可能是陷落柱內(nèi)部沉積物雜亂，這就使得地震波到達(dá)陷落柱區(qū)域時(shí)表現(xiàn)為不同的形態(tài)變化，在三維地震剖面上會(huì)有不同的顯示特征，這就為利用三維地震數(shù)據(jù)解釋陷落柱提供了良好的地球物理前提[2-5]。

(1)反射波同相軸在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)中斷、扭曲等現(xiàn)象，并且這種異常表現(xiàn)為一個(gè)圓圈的形狀，其變化的起始點(diǎn)可以看作是陷落柱的邊界線。

(2)延遲繞射波是只有在陷落柱或與陷落柱相類似的地質(zhì)體出現(xiàn)時(shí)才能產(chǎn)生的異常波,因此延遲繞射波可作為識(shí)別陷落柱的標(biāo)志。當(dāng)陷落柱規(guī)模很小時(shí)能夠產(chǎn)生相當(dāng)大展布范圍的繞射波，如果在同一地層存在2個(gè)大小相近的陷落柱，當(dāng)2個(gè)陷落柱之間的距離大于1個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，不同陷落柱的繞射波特征較為明顯，有利于分辨。

(3)陷落柱發(fā)育位置的反射波與圍巖存在明顯不同。比如，陷落柱部位的地震波振幅較弱，反射波延遲，波形雜亂，地震波頻率低。

3地震作業(yè)及數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)共完成50個(gè)試驗(yàn)物理點(diǎn)，全部合格。通過對(duì)試驗(yàn)記錄的對(duì)比、分析，認(rèn)為目的層反射波在320～450ms間，波組齊全、易識(shí)別、信噪比較高。主要干擾波為面波、聲波及隨機(jī)干擾波。通過試驗(yàn)，確定了本次三維地震的施工參數(shù)。

(1)觀測(cè)系統(tǒng)采用8線8炮制規(guī)則線束狀觀測(cè)系統(tǒng)，單邊激發(fā)。具體參數(shù)見采集參數(shù)表1。

表1　采集參數(shù)

(2)采集參數(shù)：采樣間隔1.0ms，記錄長(zhǎng)度1s。

(3)井深與藥量如圖1所示。采用3種組合方式,即：井深7m，藥量1.0kg；井深7m，藥量3.0kg;井深14m，藥量1.0kg進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)后分析如下：黃土較厚地段井深應(yīng)大于7m,藥量2.0kg,且激發(fā)層位應(yīng)在紅黏土中;黃土較薄地段井深3～5m,藥量2.0kg，應(yīng)在紅黏土或基巖中;殘坡積物覆蓋地段井深應(yīng)大于2m,藥量2.0kg，激發(fā)層位應(yīng)在基巖中;基巖出露區(qū)井深1～2m。炮井全部用砂袋壓實(shí)，有利于提高能量下傳，壓制干擾波,確保安全施工。

圖1　黃土覆蓋區(qū)井深藥量對(duì)比

4陷落柱的地震數(shù)據(jù)處理與解釋

4.1　陷落柱的地震數(shù)據(jù)處理

根據(jù)本次三維地震勘探地質(zhì)任務(wù)及技術(shù)要求，對(duì)原始資料進(jìn)行了認(rèn)真分析和研究，針對(duì)資料特點(diǎn)確定了“三高”原則，即高信噪比、高分辨率、高保真度這一處理宗旨，選擇合適的地震資料處理方法，處理流程如圖2所示。

實(shí)現(xiàn)流程的關(guān)鍵在于掌握關(guān)鍵性處理手段，提高地震資料成像質(zhì)量，著重強(qiáng)調(diào)了以下幾點(diǎn)：

(1)認(rèn)真檢查觀測(cè)系統(tǒng)，確保炮、檢點(diǎn)位置準(zhǔn)確無誤。

(2)拾取每一個(gè)有效單炮的初至?xí)r間，通過分析層析反演靜校正后反射波雙曲特征，選取合適的替換速度、基準(zhǔn)面。

(3)通過疊前保真保幅去噪、地表一致性振幅補(bǔ)償以及地表一致性反褶積處理，保護(hù)有效信號(hào)的低頻成分和高頻成分，實(shí)現(xiàn)寬頻保真處理。

(4)選擇合適的疊前時(shí)間偏移參數(shù)，細(xì)致分析偏移速度，確保剖面斷層清楚、斷點(diǎn)清晰。

(5)充分利用已知的地質(zhì)資料信息，尤其是各鉆孔資料、構(gòu)造位置等信息，指導(dǎo)速度分析、偏移工作，確保地震資料成像主要反射波特征明顯,構(gòu)造、陷落柱等繞射波歸位，地質(zhì)現(xiàn)象清楚，構(gòu)造位置與已知位置吻合。

圖2　地震數(shù)據(jù)處理流程

4.2　陷落柱的多地震屬性解釋

在地震數(shù)據(jù)處理提供的偏移剖面上，對(duì)目的層反射波進(jìn)行追蹤，找出目的層不連續(xù)的地震區(qū)域，根據(jù)上述地震波在陷落柱范圍內(nèi)的響應(yīng)特征，基本確定陷落柱在測(cè)線方向和垂直方向的大小和范圍(圖3(a),3(b))。利用地震軟件進(jìn)行陷落柱解釋，在不同的方向和剖面上確定陷落柱的邊界，并將不同方向的斷點(diǎn)進(jìn)行人工的閉合，最終確定陷落柱在平面上的顯示狀態(tài)(圖3(c))。

圖3　同一陷落柱在不同地震剖面方向和平面上的顯示

地震屬性是指對(duì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行具有物理意義的數(shù)學(xué)變換，構(gòu)建其與地質(zhì)因素之間的關(guān)系，指導(dǎo)地震資料解釋的一種地震特征。地下地層在縱橫向上變化，對(duì)應(yīng)地震反射波特征的縱橫向變化，進(jìn)而影響地震屬性。目前，不僅可以利用地震屬性分析地下巖性，而且地震屬性與地下儲(chǔ)層以及地質(zhì)構(gòu)造之間也存在著某種形式的聯(lián)系。有很多學(xué)者用地震屬性來指導(dǎo)地震數(shù)據(jù)體的解釋工作，并且在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的效果[6-10]。

目前在煤田三維地震解釋工作中常用的地震屬性有振幅屬性、頻率屬性、瞬時(shí)相位、方差體屬性和相干體屬性等，這些屬性之間既獨(dú)立存在，又相互聯(lián)系[11-13]。振幅屬性一方面通過識(shí)別振幅異常來追蹤地層學(xué)特征，另一方面還可識(shí)別巖性變化和巖層的接觸關(guān)系。瞬時(shí)相位是根據(jù)地震反射波在不同地質(zhì)體上具有相應(yīng)的相位變化，根據(jù)這種相位變化的特征識(shí)別不同地質(zhì)體間的邊界，它通常用來描述巖性尖滅、透鏡體和小斷裂等地質(zhì)體的邊界。將瞬時(shí)相位對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)稱為瞬時(shí)頻率，瞬時(shí)頻率能充分反映合成反射波的特征，用來估計(jì)地震振幅的衰減幅度。方差體算法是通過三維數(shù)據(jù)體來比較局部地震波形的相似性，以此來揭示地下是否存在地質(zhì)異常體。相干體是衡量地震數(shù)據(jù)在一定時(shí)窗和相臨道之間的波形相似程度,這種波形的相似性代表地層的連續(xù)性。相干度越大，其相似程度越高；反之，則表示相似程度越差。

地震屬性解釋技術(shù)的關(guān)鍵在于屬性提取，提取方式包括數(shù)據(jù)體屬性提取和同相軸(目的層)屬性提取兩種。在本次研究中，對(duì)地震數(shù)據(jù)體提取多種不同的地震屬性，根據(jù)其在地震剖面上的顯示特征和不同地震屬性與地質(zhì)構(gòu)造的相關(guān)性，最終選用4種地震屬性進(jìn)行陷落柱的解釋工作，同一陷落柱在地震數(shù)據(jù)體上的不同屬性的響應(yīng)特征見圖4。

圖4　同一陷落柱在地震數(shù)據(jù)體上不同屬性的響應(yīng)特征

在對(duì)陷落柱等地質(zhì)異常體進(jìn)行解釋的時(shí)候，往往會(huì)根據(jù)目的層同相軸錯(cuò)斷及目的層附近的層位雜亂排列情況對(duì)其進(jìn)行判別。因此，在對(duì)地震數(shù)據(jù)體解釋后，通常會(huì)對(duì)目的層進(jìn)行屬性提取，通過目的層的不同屬性對(duì)構(gòu)造異常進(jìn)行再次確認(rèn)，以提高解釋精度。在屬性切片上，陷落柱多呈現(xiàn)橢圓狀、似橢圓狀，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)條形或串珠狀(圖5)。

圖5　同一陷落柱不同屬性在平面上的響應(yīng)特征

在地震剖面上對(duì)陷落柱進(jìn)行初步的確認(rèn)，再通過對(duì)地震數(shù)據(jù)體和目的層進(jìn)行不同地震屬性的提取，選取較為明顯的地震屬性作為判別標(biāo)準(zhǔn)，最終可較為精確地確定陷落柱的位置和發(fā)育規(guī)模。該項(xiàng)成果經(jīng)過礦井的驗(yàn)證，結(jié)果可靠，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

5結(jié)論

在趙莊煤礦開展的三維地震探測(cè)陷落柱工作，經(jīng)過野外數(shù)據(jù)采集、高分辨處理和高精度解釋，解釋的21個(gè)陷落柱，全部獲得驗(yàn)證。主要技術(shù)關(guān)鍵總結(jié)如下：

(1)根據(jù)地震波的橫向分辨率，當(dāng)陷落柱半徑大于第一菲涅爾半徑時(shí)，在三維地震數(shù)據(jù)的水平疊加剖面能夠確定陷落柱的邊界；當(dāng)陷落柱半徑小于第一菲涅爾半徑時(shí)，只表現(xiàn)為連續(xù)反射波振幅上的微小變化。

(2)充分的野外試驗(yàn)是保證良好采集數(shù)據(jù)的前提。在數(shù)據(jù)處理中，主要采用了疊前時(shí)間偏移為核心的地震數(shù)據(jù)處理流程，同時(shí)注重趙莊礦區(qū)起伏地表的影響，做好層析反演靜校正，選取合理的基準(zhǔn)面和替換速度；應(yīng)用疊前保真保幅去噪、地表一致性振幅補(bǔ)償以及地表一致性反褶積處理，保護(hù)有效信號(hào)的低頻成分和高頻成分，實(shí)現(xiàn)寬頻保真處理；選擇合適的疊前時(shí)間偏移參數(shù)，細(xì)致分析偏移速度，確保剖面斷層清楚、斷點(diǎn)清晰。充分利用各種已知的地層、構(gòu)造位置信息指導(dǎo)地震資料的處理，改進(jìn)地震資料成像質(zhì)量。

(3)在資料解釋中，將多種地震屬性聯(lián)合使用，不同的屬性之間起到相互驗(yàn)證的作用，從而使陷落柱的解釋結(jié)果更為精確。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔣法文,黃暉,張振生,等.高精度三維地震勘探技術(shù)在煤田安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì),2014,26(2):60-64.

[2]師素珍,方慧明,郝海波.煤礦巖溶陷落柱的地震資料解釋[J].中國煤炭地質(zhì),2009,21(6):59-61，70.

[3]李艷芳,程建遠(yuǎn),熊曉軍,等.陷落柱三維地震正演模擬及對(duì)比分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(3):456-460.

[4]李艷芳,程建遠(yuǎn),朱紅娟,等.陷落柱三維地震屬性敏感度測(cè)試分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2011,39(4):55-58，63.

[5]方慶水,李獻(xiàn)龍,鮑廣富.三維地震勘探資料在解釋陷落柱分布上的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2009,21(9):113-116.

[6]張昭.利用三維地震及瞬變電磁法探查老窯、采空區(qū)及陷落柱[J].中國科技信息,2013(18):64.

[7]王立國.三維地震勘探技術(shù)在查找煤礦采空區(qū)、陷落柱等地質(zhì)異常體中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2013,25(8):142-143，148.

[8]梁兵,孫恩澤.山區(qū)煤田三維地震勘探漏解釋煤炭陷落柱原因探析[J].中國煤炭工業(yè),2013(10):44-45.

[9]王紅霞,王永奎.地震屬性相干體技術(shù)在煤田地震勘探中的應(yīng)用[J].甘肅科技,2014(18):28-30.

[10]馬彥良,田慶路,王振虎,等.山區(qū)三維地震探采對(duì)比分析——以陽泉五礦中央采區(qū)三維地震勘探工程為例[J].中國煤炭地質(zhì),2008,20(6):6-10，39.

[11]陳冕.成莊礦三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用研究[J].煤炭與化工,2014,37(06):126-129.

[12]祝杰，孫林，胡琴霞，等.三維地震勘探技術(shù)在伊梨河谷煤田勘探中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2013，18(5)：26-27，20.

[13]楊武洋.煤礦陷落柱賦水特征的綜合物探探查原理與方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013(1):45-50.

[14]呂明巖.全數(shù)字高密度三維地震勘探在長(zhǎng)治地區(qū)的研究與應(yīng)用[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

[作者簡(jiǎn)介]李勁松(1968-)，男，山西澤州人，地質(zhì)工程師，從事礦井工程地質(zhì)方面的工作。

[收稿日期]2014-12-26

[中圖分類號(hào)]TD166；P631.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)05-0015-04