煤田勘探中四維地震正演模型研究

林 川

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

煤炭資源是我國能源的重要組成部分，做好煤田的勘探和開發是煤炭資源開采的核心，關乎著我國的能源安全。地震勘探技術是煤田勘探和開發最有效、最成熟的技術，地震勘探技術通過炸藥激發，在地表采集地震波，進而對煤田地下煤層的分布范圍和具體形態、煤層復雜地質構造、煤田陷落柱、地下煤層的厚度變化以及煤層氣的變化等做出預測和判斷，精準指導地表施工，地震勘探技術是降低煤田勘探開發難度和風險的最有效手段[1,2,3]。然而，目前常規的勘探手段雖然在煤田采空區勘探方面取得了很大的進展，但卻難以精確的識別煤田采空區和定位采空區邊界。因此，本文從黃陵煤礦實際地質信息和煤田生產數據出發，構建基于煤田煤炭生產過程中的地質模型，在此基礎上，建立符合該區域的四維地震正演模型，模擬煤炭開采前后煤層和臨近地層的厚度和延展范圍在三維空間的變化，引入Zoeppritz方程計算不同地層間的地震波反射系數，最終通過褶積模型計算整個地層剖面的地震響應，通過研究地下煤層開采前后地震剖面上地震響應的變化，分析煤層采空區對地震信號的影響，為煤田四維地震動態勘探監測奠定理論基礎。

1 煤田四維地震技術及研究現狀

煤田四維地震技術是通過在同一煤炭工區采集多次三維地震資料，地震資料采集過程中要盡可能保證每次采集觀測系統的一致性，這對于煤田四維地震信息的準確分析有重要意義。通過煤田四維地震信息對比分析煤田開采過程中煤田的開采區域變化，以此來識別煤礦井下采空區空間分布和塌陷狀態。這對煤礦安全，跨界采礦和塌陷區環境治理具有重要意義[4]。在煤礦開采過程中，煤礦中的采煤活動持續不斷，采空范圍也隨時間而變化。四維地震技術可用于探測地下采煤活動造成的差異，并達到動態識別和監控采空區的目的。

自從石油行業在上世紀80年代引入時移地震技術以來，越來越多的油氣公司開始采用四維地震技術來監測油氣田開發過程中儲層的動態變化。四維地震技術在煤炭行業起步較晚，國際上公開發表的四維煤炭勘探成果較少，國內目前僅有少數企業進行了探索性的實驗研究，均未進入到工業性開發階段，但四維地震技術在煤田的勘探開發和動態監測中的巨大優勢得到了業內的廣泛認可。

2 區域地質概況

黃陵礦區位于鄂爾多斯盆地東南緣，礦區東西展布平均約 36.6 km，南北寬平均約42.2 km，總面積約1 188.64 km2，含煤面積約1 065.02 km2。該地區構造活動微弱，未發育較大的斷裂與褶皺，無巖漿活動。地質構造總體為一單斜構造，成北西向傾伏，其次發育較為寬緩的褶皺，成北東向，褶皺形變不大，地層傾角較平緩。北東向的凹陷之上有明顯的同沉積構造，對煤層厚度的發育有一定影響[5]。

礦區開采煤層上覆巖層厚度約150 m，共含4層煤，主要位于下侏羅統延安組。主要開采煤層為2號煤，分布范圍廣，區域分布情況為東西薄，中部厚，南薄北厚，一般厚0～6.75 m，平均2.65 m左右，煤層傾角平緩，埋藏穩定[6]。

3 煤田四維地震正演模擬方法

本文從黃陵煤礦實際地質數據和煤田測井數據、巖石物理數據出發，構建黃陵煤礦地區多層煤田地質模型，在此基礎上采用Zoeppritz方程[7]計算不同地層地震波反射系數，反射系數與零相位雷克子波褶積構建煤炭人工合成地震記錄，研究不同埋藏深度煤層在地震剖面上的振幅響應，在此基礎上，模擬煤田開采實際施工狀態，構建開采后的煤田地質模型，進而構建煤田開采后的人工合成地震記錄，探討煤田開采所造成的采空區對地震剖面的影響，分析開采區域的四維地震信號特征，確定采空區域的四維地震響應，為后續踩空區域的地震識別和煤炭安全生產打好基礎。

4 煤田四維地震正演模型構建

4.1 模型參數

我們擬從黃陵礦區的實際地質數據出發，構建符合當地地質條件的模型，黃陵礦區地層信息如圖1所示，該區域地層總深度為250 m，共有兩個煤層：L1和L2。L1埋深為125～140 m，L2埋深為160～175 m，L1煤層上覆泥巖，下伏砂巖，L2煤層上覆砂巖，下伏泥巖，地表覆蓋約110 m厚的泥質砂巖。綜合煤田測井數據和巖石物理測試數據，不同巖性巖石彈性參數如表1，地表淺部泥質砂巖作為低速層，縱波速度較低，約1.3 km/s，密度1.2 gcc，泥巖縱波速度2.5 km/s，密度2 gcc，煤層縱波速度1.7 km/s，密度1.6 gcc，砂巖縱波速度3.1 km/s，密度2.5 gcc。

圖1 X煤田層位信息

表1 不同巖石的彈性參數

4.2 開采前模型

我們擬從圖1層位數據出發，結合表1各地層巖石彈性參數，采用Zoeppritz方程模擬垂直入射，計算各地層間反射系數，與零相位雷克子波褶積形成煤系地層多層地震響應，構建煤田地層人工合成地震記錄，其結果如圖2。

圖2 煤田多層地層人工合成地震記錄

圖2是基于圖1地層模型和表1地層彈性參數構建的煤田多層人工合成地震記錄，其中，L1和L2層是煤層的地震響應，我們可以發現煤層L1和L2在地震剖面中相對容易識別，上下界限清晰。

4.3 開采后模型

為了模擬煤層開采后情形，我們假定以偏移距100 m為中心，以L1煤層為主要開采點，開采形成一個長50 m，高30 m的采空區，圖3是煤田開采后的地質模型，L1煤層中部被完全開采，上部的泥巖和下部的砂巖部門被破壞，整段的煤炭地層連續性被破壞，整個采空區的埋深大約是125～145 m，橫向展布50 m。我們以圖3地層模型為基礎，結合的表1地層巖石彈性參數，構建考慮煤田采空區的人工合成地震記錄，其結果如圖4。

圖3 煤田多層采空區地質模型

圖4 煤田開采后的人工合成地震記錄

圖4是基于圖3地質模型構建的煤田開采后的人工合成地震記錄，從圖中可以看到在偏移距75～125 m范圍內，煤層L1和L2的反射軸有明顯的下拉，同時，煤層的連續性變差，但未出現明顯的錯斷，結合圖2和圖4，我們可以判斷煤田的采空區在偏移距75～125 m，深度大約在170～185 ms處。

5 結語

本文通過構建煤田地震勘探的四維地震模型，采用四維地震正演模擬來識別煤田的采空區，通過建立采空區前后的地質模型，采用Zoeppritz方程和褶積模型結合的手段，分析零偏移距下自擊自收情況下煤田四維地震信號的差異。正演模型模擬結果表示，在采空區煤層和上下地層的反射波同相軸連續性明顯變差，采空區邊緣處同相軸開始出現錯段，這充分表明通過四維地震識別煤層采空區域和圈定采空區的邊界的有效性，為煤礦后續安全性生產采提供了指導。