綜合物探技術(shù)對不同類型煤層缺失的識別

羅任植，王 輝，喬 會，武 浩

(陜西省煤田物探測繪有限公司 物探研究院，陜西 西安 710005)

0 引言

在煤礦的開采過程中，如果遇到一定范圍的煤層缺失情況，不僅會導(dǎo)致可采煤層的儲量減少，而且還會在礦井設(shè)計、采區(qū)劃分、井巷施工以及資源的儲量方面都會受到很大的不利影響。在開采過程中如果發(fā)現(xiàn)并揭露未知的缺失范圍，如小窯采空區(qū)、陷落柱等，其影響往往是未知數(shù)，煤礦需要及時組織物力、財力、人力，以盡快尋找到賦存完好的煤層、恢復(fù)生產(chǎn)。因此，準確預(yù)測煤層缺失范圍對煤礦具有重要意義。

煤層缺失的原因很多，常見的有煤層沉積變薄缺失、古河流沖刷煤層缺失、采空區(qū)及巷道導(dǎo)致的煤層缺失、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致的煤層缺失等。地震波中含有豐富的地質(zhì)信息，地層構(gòu)造、煤層厚度變薄、煤層缺失等均會引起地震波的變化，其變化主要包括密度、速度及其它彈性參量的差異，這些差異導(dǎo)致地震波在傳播時間、振幅、相位、頻率等方面的變化。通過地震時間剖面的分析以及在地震波中提取地震屬性參數(shù)的方法，可以獲得煤層缺失范圍的信息。

1 煤層厚度變化引起的變薄缺失

1.1 基底構(gòu)造對煤層缺失的控制

在很多情況下，基底構(gòu)造(或古地貌)對煤層的沉積控制非常明顯。由于地殼下沉幅度的不均衡，因而導(dǎo)致含煤地層及煤層沉積厚度的差異。同一聚煤區(qū)內(nèi)，下降幅度大，沉積厚度大；下降幅度小，沉積厚度亦小。煤層的起伏形態(tài)在地震資料中一般都會明顯地體現(xiàn)出來，根據(jù)時間剖面的起伏變化即能較容易的獲得。煤層沉積缺失不僅僅是因基底起伏控制，在不同時期、不同地區(qū)所缺失的原因有很多，煤層缺失后強波阻抗界面減弱或消失，在時間剖面上，一組特征明顯的煤層反射波在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)不規(guī)則、不連續(xù)、能量逐漸變?nèi)趸蛑饾u消失，并且連續(xù)沒有變化，這往往是煤層視缺失的表現(xiàn)，地震所確定的視缺失邊界被認為是煤層不可采的分界點。

1.2 古河道沖刷帶煤層缺失

煤層沖刷帶一般是指水流對泥炭層或煤層的沖蝕，并通常由砂質(zhì)沉積物充填而成的地質(zhì)體，簡稱沖刷帶。沖刷帶是一種常見的礦井地質(zhì)現(xiàn)象，是影響煤礦綜采生產(chǎn)的重要地質(zhì)因素。煤層沖刷缺失和沉積缺失不同，沖刷帶往往對應(yīng)著煤層厚度斷崖式的變薄或缺失，在地震時間剖面上出現(xiàn)與斷層類似的情況，但在上下部地層卻無明顯的斷層通道，且由于沖刷帶的范圍有限，往往會在一段距離后對應(yīng)的煤層反射波再次出現(xiàn)或明顯的變強，兩者的反映如圖1和圖2所示。

圖1 某區(qū)各煤層地震反射波對煤層視缺失區(qū)的反映Fig.1 The reflection of the seismic reflection waves of each coal seam in a certain area on the apparent missing area of the coal seam

圖2 某區(qū)煤層沖刷帶在地震反射波對煤層視缺失區(qū)的反映Fig.2 The reflection of the coal seam scour zone in the seismic reflection wave to the apparent missing area of the coal seam in a certain area

2 采空區(qū)及巷道煤層缺失

2.1 地震勘探對采空區(qū)和巷道的解釋

煤層采空后，其上覆巖石失去支撐而導(dǎo)致平衡破壞，應(yīng)力重新分布，使上覆巖體產(chǎn)生變形、位移和破壞，并當采空區(qū)達到一定范圍后，將形成地表塌陷和地裂縫，但有些采空區(qū)能形成裂隙帶等構(gòu)造，因而不同的采空區(qū)在地震剖面及屬性上表現(xiàn)也不同，在采空區(qū)往往會表現(xiàn)出有別于正常煤層地震波表征的煤層反射波場特征。

在部分采空區(qū)上部地層在重力作用下發(fā)生變形或斷裂塌陷，造成煤層上區(qū)域的速度異常，且對下部地層造成一定屏蔽作用，在地震剖面上體現(xiàn)出從上到下的地震波形彎曲扭動、破碎的特征，與煤層賦存缺失和構(gòu)造異常有著明顯的區(qū)別，這是解釋采空區(qū)的重要標準。與采空區(qū)不同的是，巷道由于其范圍有限，上部地層往往不能形成如采空區(qū)造成的大面積冒落、變形等現(xiàn)象，但其在頻率域或地震屬性上往往體現(xiàn)較為明顯，某區(qū)巷道在地震45 Hz頻譜部面上的反映如圖3所示。

圖3 某區(qū)巷道在地震45 Hz頻譜剖面上的反映Fig.3 Reflection of roadway in a certain area on the seismic 45 Hz frequency spectrum

2.2 電法資料對采空區(qū)的解釋

采空區(qū)形成之后不僅僅會造成地層的彈性性質(zhì)變化，也會改變地層電性性質(zhì)。采空區(qū)形成后如果產(chǎn)生積水，則會形成低視電阻率異常，如果無積水則會形成高視電阻率異常。由于受目前技術(shù)手段和技術(shù)水平的限制，所獲得的各種原始信息及經(jīng)過處理的探測成果數(shù)據(jù)資料等均存在一定的局限性或片面性，特別是電磁法勘探成果還存在一定的多解性。但從地質(zhì)規(guī)律而言，這些資料信息均存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。在電磁法資料解釋的基礎(chǔ)上，結(jié)合地震資料為約束條件，得出符合地質(zhì)規(guī)律的解釋結(jié)果。

在等視電阻率斷面圖中，正常情況下在沒有大的構(gòu)造、富水區(qū)域分布、不受含導(dǎo)水構(gòu)造控制的情況下，視電阻率值呈現(xiàn)橫向變化小、垂向似層狀分布特點；相反，如果地層中有大的斷層、陷落柱、褶皺構(gòu)造分布，或富水區(qū)分布及含、導(dǎo)水構(gòu)造控制的情況下，斷面圖上電阻率等值線則表現(xiàn)為扭曲、圈閉、變形或密集條帶狀分布等。如果視電阻率斷面圖中出現(xiàn)的異常對應(yīng)在地震資料中也出現(xiàn)了構(gòu)造變化，那就大大的增加了成果的可靠性。

在同一地質(zhì)時期，沉積地層的同一巖性層位，視電阻率值相同，而在裂隙發(fā)育的砂巖、石灰?guī)r相對含水時，視電阻率值會降低，以此為理論依據(jù)，來尋找含水層中的相對低視電阻率異常，從而確定相對富水異常區(qū)。

采空區(qū)的含水是影響其電性變化的最重要因素，若是積水性采空區(qū)，則視電阻率值小于正常圍巖，在平面圖上呈現(xiàn)為低阻等值線扭曲特征；若是未積水的干采空區(qū)，則在平面圖上呈現(xiàn)為高阻等值線扭曲特征，如圖4所示。

圖4 某區(qū)無積水采空區(qū)在視電阻率平面圖中的高阻體現(xiàn)Fig.4 The high resistance in the apparent resistivity plan of the goaf without water accumulation in a certain area

3 陷落柱及破碎帶煤層缺失

陷落柱是在一定的地質(zhì)條件下，在漫長的歷史時期中，可溶巖性巖層溶蝕形成空洞，且上覆地層向下塌落而形成的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造，其空間形態(tài)不規(guī)整，大小不一，高低各異，隱蔽性強，在煤礦開采中，有可能成為導(dǎo)水通道，對煤礦生產(chǎn)的安全危害十分巨大。

地層在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下，或在陷落柱附近，發(fā)生破碎形變。這種破碎在平面上往往呈圓形或不甚規(guī)則的橢圓形狀，將這種地質(zhì)情況解釋為煤層應(yīng)力破碎帶。

破碎區(qū)與斷層均為破壞地層的地質(zhì)現(xiàn)象，但從空間形態(tài)上看，具有明顯不同的特點。由于煤層的破碎缺失，導(dǎo)致強波阻抗界面消失，所以往往表現(xiàn)出破碎區(qū)在時間剖面上的具體反射波缺失或破碎不連續(xù)的特征，但其兩端在時間上沒有明顯的落差，在上下地層上無斷面。在平面上，陷落柱及破碎區(qū)為一個近似圓形或者橢圓的形狀，為一連續(xù)破壞的空間體，并位于斷層附近或四周。通過對比時間剖面中破碎區(qū)的位置，可以準確得出破碎區(qū)的位置，由此可以說明，時間剖面上異常帶的位置和大小可以直觀地反映破碎區(qū)的位置和大小。

對破碎區(qū)的解釋主要以時間剖面解釋為主，其次，結(jié)合各種屬性技術(shù)對破碎區(qū)的位置以及大小進行精細的標定，與斷層不同的是，破碎區(qū)在屬性平面圖上呈圓形或橢圓的形狀，這是破碎區(qū)解釋的重要依據(jù)。煤層破碎區(qū)在地震振幅屬性平面圖上的反映，如圖5所示。

圖5 某區(qū)煤層破碎帶在地震振幅屬性平面圖上的反映Fig.5 The reflection of the coal seam fractured zone on the seismic amplitude attribute plane map in a certain area

4 結(jié)論

地震波中含有豐富的地質(zhì)信息，地層構(gòu)造、煤層厚度變薄、煤層缺失等均會引起地震波的變化，包括密度、速度及其它彈性參量的差異，這些差異導(dǎo)致了地震波在傳播時間、振幅、相位、頻率等方面的變化。通過地震時間剖面的分析以及在地震波中提取地震屬性參數(shù)的方法，可以獲得煤層缺失范圍的信息。除了彈性性質(zhì)的變化，煤層因構(gòu)造和采空等原因造成的缺失會造成地層電性性質(zhì)的變化，視電阻率的變化能在一定程度上反映地層變化情況。利用綜合物探技術(shù)，將地震資料與電法資料相結(jié)合，增加約束條件，減少其多解性，可以大大提高物探解釋成果的可靠性。