三維地震勘探在趙莊煤礦陷落柱探查中的應用

李勁松，左杰海，封云杰，李東亮

(山西晉煤集團 趙莊煤業有限責任公司，山西 晉城 048000)

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三維地震勘探在趙莊煤礦陷落柱探查中的應用

李勁松，左杰海，封云杰，李東亮

(山西晉煤集團 趙莊煤業有限責任公司，山西 晉城 048000)

[摘要]根據三維地震解釋陷落柱的理論基礎，分析了陷落柱的地震響應特征。結合趙莊煤礦地層的賦存特征，設計了三維地震作業及采集方法，并通過高分辨數據處理，在偏移數據體上進行綜合屬性分析，根據陷落柱在三維地震數據體上的響應特征，基本確定陷落柱的范圍。相比較常規的陷落柱探查方法，利用地震屬性綜合分析能對陷落柱等構造異常體作更準確的判斷，從而更好地指導煤礦的開采工作。

[關鍵詞]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用[J].煤礦開采，2015，20(5)：15-18.

煤層底板有泥巖、砂巖、灰巖三大類，其中灰巖由于地下水活動作用，發生化學溶解，并形成大量的空洞，空洞圍巖抵抗破壞的能力降低。在地應力和構造應力綜合作用下，空洞圍巖發生松動、破碎和塌陷，形成陷落柱[1]。當陷落柱逐步擴大并到達煤層，煤層也因此而遭受破壞，井下掘進至陷落柱位置時，頂板支護困難，底板裂隙發育，深部灰巖水容易大量涌入，造成突水。陷落柱在形成的過程中對煤系地層中的煤層及其周圍的巖石也會造成嚴重破壞，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趙莊煤礦地質概況

趙莊煤礦位于沁水煤田東南部，地層構造形態為一個單斜構造，走向為近北東向，地層平均傾角為24°。單斜構造上發育了大量次級小褶皺，研究區內小構造發育，根據最新的統計數據，平均每千米巷道內的斷層數為12條，礦區內根據揭露或者三維地震解釋的陷落柱共計67個。

勘探區內以低山、丘陵為主，地形東西高中間低，北高南低。區內第四系黃土覆蓋，厚度為3～10m。地層從老到新有：奧陶系中統峰峰組，石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組、上統上石盒子組、石千峰組及新生界第三系、第四系地層。勘探區含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，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8.5%。二疊系下統山西組3號煤層，總平均厚度為5.58m，全勘探區穩定可采。

2利用三維地震技術解釋陷落柱的基礎

2.1　陷落柱解釋的物理基礎

陷落柱是一個平面上為圓錐狀，剖面上為一個上小下大的塌陷體。其在三維地震上的響應取決于野外地震數據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的物理基礎之一。根據三維地震勘探理論，假設地下地層水平，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為半徑的一個圓，表示為：

式中,v為到達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;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，當陷落柱半徑大于r時，在三維地震數據的水平疊加剖面能夠確定陷落柱的邊界；當陷落柱半徑小于r時，只表現為連續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

陷落柱會導致地層坍塌，與周圍正常賦存地層存在明顯的差異，既有可能是相對陷落柱圍巖(陷落柱內部是一個整體塌陷)，也有可能是陷落柱內部沉積物雜亂，這就使得地震波到達陷落柱區域時表現為不同的形態變化，在三維地震剖面上會有不同的顯示特征，這就為利用三維地震數據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出現中斷、扭曲等現象，并且這種異常表現為一個圓圈的形狀，其變化的起始點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體出現時才能產生的異常波,因此延遲繞射波可作為識別陷落柱的標志。當陷落柱規模很小時能夠產生相當大展布范圍的繞射波，如果在同一地層存在2個大小相近的陷落柱，當2個陷落柱之間的距離大于1個波長時，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地震作業及數據采集

本次試驗共完成50個試驗物理點，全部合格。通過對試驗記錄的對比、分析，認為目的層反射波在320～450ms間，波組齊全、易識別、信噪比較高。主要干擾波為面波、聲波及隨機干擾波。通過試驗，確定了本次三維地震的施工參數。

(1)觀測系統采用8線8炮制規則線束狀觀測系統，單邊激發。具體參數見采集參數表1。

表1　采集參數

(2)采集參數：采樣間隔1.0ms，記錄長度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進行試驗。試驗后分析如下：黃土較厚地段井深應大于7m,藥量2.0kg,且激發層位應在紅黏土中;黃土較薄地段井深3～5m,藥量2.0kg，應在紅黏土或基巖中;殘坡積物覆蓋地段井深應大于2m,藥量2.0kg，激發層位應在基巖中;基巖出露區井深1～2m。炮井全部用砂袋壓實，有利于提高能量下傳，壓制干擾波,確保安全施工。

圖1　黃土覆蓋區井深藥量對比

4陷落柱的地震數據處理與解釋

4.1　陷落柱的地震數據處理

根據本次三維地震勘探地質任務及技術要求，對原始資料進行了認真分析和研究，針對資料特點確定了“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。

實現流程的關鍵在于掌握關鍵性處理手段，提高地震資料成像質量，著重強調了以下幾點：

(1)認真檢查觀測系統，確保炮、檢點位置準確無誤。

(2)拾取每一個有效單炮的初至時間，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、基準面。

(3)通過疊前保真保幅去噪、地表一致性振幅補償以及地表一致性反褶積處理，保護有效信號的低頻成分和高頻成分，實現寬頻保真處理。

(4)選擇合適的疊前時間偏移參數，細致分析偏移速度，確保剖面斷層清楚、斷點清晰。

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

圖2　地震數據處理流程

4.2　陷落柱的多地震屬性解釋

在地震數據處理提供的偏移剖面上，對目的層反射波進行追蹤，找出目的層不連續的地震區域，根據上述地震波在陷落柱范圍內的響應特征，基本確定陷落柱在測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進行人工的閉合，最終確定陷落柱在平面上的顯示狀態(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

地震屬性是指對地震數據體進行具有物理意義的數學變換，構建其與地質因素之間的關系，指導地震資料解釋的一種地震特征。地下地層在縱橫向上變化，對應地震反射波特征的縱橫向變化，進而影響地震屬性。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層以及地質構造之間也存在著某種形式的聯系。有很多學者用地震屬性來指導地震數據體的解釋工作，并且在實際應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、瞬時相位、方差體屬性和相干體屬性等，這些屬性之間既獨立存在，又相互聯系[11-13]。振幅屬性一方面通過識別振幅異常來追蹤地層學特征，另一方面還可識別巖性變化和巖層的接觸關系。瞬時相位是根據地震反射波在不同地質體上具有相應的相位變化，根據這種相位變化的特征識別不同地質體間的邊界，它通常用來描述巖性尖滅、透鏡體和小斷裂等地質體的邊界。將瞬時相位對時間的導數稱為瞬時頻率，瞬時頻率能充分反映合成反射波的特征，用來估計地震振幅的衰減幅度。方差體算法是通過三維數據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異常體。相干體是衡量地震數據在一定時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。

地震屬性解釋技術的關鍵在于屬性提取，提取方式包括數據體屬性提取和同相軸(目的層)屬性提取兩種。在本次研究中，對地震數據體提取多種不同的地震屬性，根據其在地震剖面上的顯示特征和不同地震屬性與地質構造的相關性，最終選用4種地震屬性進行陷落柱的解釋工作，同一陷落柱在地震數據體上的不同屬性的響應特征見圖4。

圖4　同一陷落柱在地震數據體上不同屬性的響應特征

在對陷落柱等地質異常體進行解釋的時候，往往會根據目的層同相軸錯斷及目的層附近的層位雜亂排列情況對其進行判別。因此，在對地震數據體解釋后，通常會對目的層進行屬性提取，通過目的層的不同屬性對構造異常進行再次確認，以提高解釋精度。在屬性切片上，陷落柱多呈現橢圓狀、似橢圓狀，有時會出現長條形或串珠狀(圖5)。

圖5　同一陷落柱不同屬性在平面上的響應特征

在地震剖面上對陷落柱進行初步的確認，再通過對地震數據體和目的層進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準，最終可較為精確地確定陷落柱的位置和發育規模。該項成果經過礦井的驗證，結果可靠，為煤礦的安全生產提供了可靠的地質依據。

5結論

在趙莊煤礦開展的三維地震探測陷落柱工作，經過野外數據采集、高分辨處理和高精度解釋，解釋的21個陷落柱，全部獲得驗證。主要技術關鍵總結如下：

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

(2)充分的野外試驗是保證良好采集數據的前提。在數據處理中，主要采用了疊前時間偏移為核心的地震數據處理流程，同時注重趙莊礦區起伏地表的影響，做好層析反演靜校正，選取合理的基準面和替換速度；應用疊前保真保幅去噪、地表一致性振幅補償以及地表一致性反褶積處理，保護有效信號的低頻成分和高頻成分，實現寬頻保真處理；選擇合適的疊前時間偏移參數，細致分析偏移速度，確保剖面斷層清楚、斷點清晰。充分利用各種已知的地層、構造位置信息指導地震資料的處理，改進地震資料成像質量。

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

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[責任編輯：施紅霞]

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

[收稿日期]2014-12-26

[中圖分類號]TD166；P631.4

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2015)05-0015-04