煤田地震勘探中特殊地質異常體的識別及應用研究

張向鵬

【摘 要】煤田三維地震勘探技術不僅在控制煤層賦存形態及斷層方面有著巨大的優勢，而且在準確圈定地質異常體方面已取得了很好的效果。本文對煤礦生產中經常遇到的地質異常體的地質特征及地震反射特征進行總結，并通過三維地震勘探資料與煤礦實際揭露進行比對驗證，取得了良好的效果。

【關鍵詞】三維地震勘探；小窯采空區；巖漿巖侵蝕； 煤層露頭；火燒區及沖刷帶；陷落柱

0 引言

地質異常（geological anomaly）是指在成分、結構、構造或成因序次上與周圍環境有明顯差異的地質體或地質體的組合。也常常表現為地球物理場、地球化學場及遙感影像異常等都有所差異，主要用于礦產預測，進而用來總結區域成礦規律。煤礦中的地質異常通常是指小窯采空區、陷落柱、巖漿巖侵蝕、火燒區及沖刷帶等，這些地質異常體通過三維地震勘探均能夠被識別。本文主要論述了幾種常見特殊地質異常體的概念和地質形態及其在地震時間剖面上的識別特征，并且通過實例將地震勘探技術和地質資料相結合進行了研究分析，為進一步解決煤礦安生產全提供地質保障。

1 小窯采空區的識別特征

1.1 小窯采空區的地質特征

小窯采空區是在采煤歷史久遠的礦區存在的一種特殊地質體，由于小煤窯的隨意開采，存在許多不明采空區，這些采空區的存在對煤礦安全生產構成極大威脅，并對地面建筑、地面工程結構物的穩定性造成危害。因此，對小窯采空區的準確勘查，了解和掌握采空區的巖層特征、采礦條件，查清采空區賦存深度、大小、狀態以及覆巖和煤層的結構特征和物理、力學性質是關鍵問題所在[1-2]。

1.2 小窯采空區的地震特征

采空區是煤層被采空之后殘余少量煤柱，上下圍巖向下垮塌，三維地震勘探時得不到連續的煤層反射波，在地震時間剖面上表現特征為同相軸變弱、扭曲或者發生產狀變化甚至缺失，采空區出現冒落時，其對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的反射波，在時間剖面上表現有三種特征：其一，是煤層反射波變弱，在采空區邊界處反射波同相軸頻率和產狀發生突變，在采空區內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弱，頻率和產狀變化較大，與周圍非采空區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，頻率和產狀突變，從整張剖面來看無采空區的地段煤層反射波較強，其下覆層位反射波很弱，而有采空區的地段煤層反射波同相軸表現微弱，其下覆層位反射波同相軸較強，形成明顯反差；其三，是煤層被完全采空，殘余有少量煤柱，則在地震時間剖面上表現為煤層反射波缺失。

圖1 采空區在時間剖面上的顯示

1.3 地震解釋實例應用

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。本區的三維地震勘探地質任務主要是查明區內小窯采空區。經三維地震勘探，在資料解釋過程中，發現勘探區大部煤層的反射波發生異常，在常規時間剖面上反映為煤層反射波同相軸扭曲、錯斷、產狀突變、雜亂無章等（圖1）；從圖2的屬性分析中可以看出，反射波凌亂區表現為反射波能量消失、形成圈閉，故三維地震將其解釋為小窯采空區，后經鉆探驗證，取得良好的效果。

圖2 采空區在RMS屬性的分析上的顯示

2 陷落柱的識別特征

2.1 陷落柱的地質特征

陷落柱是煤礦當中，由于下伏易溶巖層經過地下水強烈腐蝕，形成大量空洞，從而引起上覆巖層失穩，向溶蝕空間冒落、塌陷所形成的桶狀柱體。其形成大致經歷了溶隙、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的物性基礎。在地震時間剖面上識別和判定陷落柱的主要依據有：

（1）反射波組中斷或能量變弱。其中斷點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、產狀突變。其扭曲起始點之連線即為陷落柱的邊界反映。（3）反射波同相軸產生分叉合并和圈閉現象。其分叉、合并點即為陷落柱的邊界反映。（4）反射波相位轉換，極性發生反轉，其反轉起始點即為陷落柱邊界。（5）在疊加時間剖面上，出現斷陷點繞射波、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）在瞬時相位剖面上，反射波連續性變差，出現相位轉換、分叉合并和圈閉現象；在瞬時振幅剖面上，反射波能量突然中斷或消失。（8）在水平等時切片和順層能量切片上的反映為能量突然變弱，以不同的顏色顯示出來，形成一個異常圈閉，基本上能夠反映陷落柱的平面形態。（9）在方差等時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，能夠較準確的反映陷落柱的平面形態[3-4]。

2.3 地震解釋實例應用

山西某礦地處呂梁山脈的蘆芽山南部的丘陵區，屬于典型的黃土梁峁地貌。本區的三維地震勘探地質任務主要是查明區內煤層中的陷落柱。經三維地震勘探，在資料解釋過程中，發現勘探區中西部煤層的反射波發生異常，在常規時間剖面上反映為各煤層反射波同相軸扭曲、錯斷、產狀突變等（圖3）；從圖4中可以看出，在水平切片上表現為反射波能量消失、形成圈閉；在等時切片上可以看出其平面形態均為近橢圓形（圖5）。

經過精細的地震地質解釋，在勘探區內圈定了3個長軸直徑均大于20m的陷落柱。圖5為陷落柱在等時切片上的表現特征，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個煤層陷落柱的發育情況與實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 陷落柱在等時切片上的顯示

Figure.5 Subsided column reflected on time slice

3 巖漿巖侵蝕的識別特征

3.1 巖漿巖的地質特征

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。巖漿從上地幔或地殼深處沿著一定的通道上升到地殼形成侵入巖或噴出到地表形成噴出巖的過程中，由于溫度、壓力等物理化學條件的改變，巖漿的性質、化學成分、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、千變萬化的，這充分說明了巖漿成分的復雜多樣性。

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，在地震時間剖面上表現為煤層反射波同相軸的變弱或消失，在平面上表現為條帶狀分布，和煤層沖刷帶的區別是巖漿巖體頂面往往形成較強反射波[5-6]。

3.3 地震解釋實例應用

河北某礦在三維地震資料解釋的過程中發現勘探區的西南部有一被輝綠巖侵蝕的巖漿巖侵蝕帶，并被3號和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號鉆孔間接控制，該孔4號煤層呈塊狀似焦炭質堅硬，煤質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，本次根據周邊資料對測線間的侵蝕邊界位置進行了推測，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間剖面上的顯示

Figure.6 Magmatic rock intrusion reflected on

seismic time section

4 火燒區的識別特征

4.1 火燒區的地質特征

煤層燃燒后，巖層受高溫烘烤變質淺紅色、赭色、 淺黃色燒變巖， 打擊發出陶瓷片聲。地表巖層裂隙度增大，土質地變松軟，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，這是地下化學反應 氣體隨熱氣上升地表形成。頂底板圍巖中含有黃鐵礦、 赤鐵礦、 菱鐵礦、 褐鐵礦等成分時，受高溫烘烤發生物理化學性質的變化而產生新的電阻高、導電差的氧化物，經高溫分解產生磁性物質。

4.2 火燒區的地震特征

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，煤層的物理化學性質也發生巨大變化，在地震反射波上的反應即為煤層反射波消失或者變弱、反射凌亂、同相軸連續性明顯變差，總體表現為無明顯成層性反射[7-8]。

4.3 地震解釋實例應用

新疆某礦在三維地震勘探后對三維地震資料的解釋過程中發現，在勘探區的南部ZKN1209鉆孔附近發現主采煤層反射波產狀突變，同相軸雜亂無章，反射凌亂、同相軸連續性明顯變差（圖7）。綜合解釋后主采煤層中在該處圈定為火燒區，呈不規則形狀，面積約0.33km2，后經鉆探驗證，情況屬實。

圖7 火燒區在時間剖面上的反映

Figure.7 Combustion area reflected on time sction

圖8 沖刷帶在時間剖面上的反映

Figure.8 Erosion zones reflected on time sction

5 煤層沖刷帶的識別

5.1 煤層沖刷帶的地質特征

煤層沖刷帶一般是指水流對泥灰層或煤層的沖擊并通過由砂質沉積物而形成的地質體。煤層沖刷帶的實質是發育于煤層中的帶狀砂體，各個沖刷帶在煤層中的分布無連續性。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。

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，當地震波遇到沖刷帶邊界時，煤層反射波消失或者中斷[9-10]。

5.3 地震解釋實例應用

在對新疆伊犁某礦三維地震資料的解釋過程中發現，在勘探區東南部發現一煤層沖刷帶，其在地震時間剖面上M1煤層反射波突然中斷，與煤層未受到沖刷的反射波截然不同（圖8）。

6 結論

地質異常體的存在，增加了礦井地質的復雜性，給煤礦安全生產帶來極大危害。因此，掌握這些地質異常體在三維地震時間剖面上的反射特征及其規律，摸清其在平面上的展布規律，對合理高效開采、減少經濟損失、減少人員傷亡等有著重要的指導意義。

【參考文獻】

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[責任編輯：劉帥]