古城礦陷落柱構造三維地震精細識別技術應用研究

路鑫

（山西潞安化工集團有限公司 古城煤礦，山西 長治 016100）

0 引 言

礦井水文地質評價中需要了解和掌握礦井導水通道，陷落柱作為重要的導水通道，一直是礦井地質勘探任務的重點[1]，特別是礦井復雜地質條件區，陷落柱的精細識別技術尤為重要。目前，三維地震勘探以其良好的信噪比和分辨能力，在煤田構造探測中作用廣泛，但針對復雜地質條件下，精確和精準識別陷落柱構造及其空間組合特征有待進一步提高[2]，需要結合不同地質條件變化采用相關技術組合方法。趙慶彪[3]綜合利用地面鉆探、三維地震、瞬變電磁等多種探測方法、技術，圈定的東龐礦突水陷落柱構造的空間位置和準確度得到了提高；基于地震的正演模擬技術，李艷芳[4]等模擬不同空間陷落柱地震數據屬性特征，分析陷落柱識別的三維地震數據體比二維數據體優越性和準確性特征[5]；周俊杰[6]等利用地面和井下多種方法技術探測陷落柱，特別是陷落柱邊界的識別；彭洪濤[7]利用地震曲率技術在解釋小斷層的識別、邊界界面等方面取得了成效。陷落柱構造精細識別，特別是復雜構造區形成多種組合陷落柱的方式，需要綜合分析和評價單個陷落柱和組合陷落柱構造邊界問題。

通過古城煤礦北二盤區已采集的地面三維地震勘探數據體，結合礦井地質條件建立三維地震正演地質模型，分析和評價不同空間陷落柱模型對三維地震屬性、信號等多地震傳播參數的響應特征。對處理的三維地震數據體，采用地震多屬性參數分析技術，精細、準確識別出陷落柱構造空間參數。

1 古城煤礦地質條件

根據古城礦以往勘探，礦井的主要可采煤層為石炭系上統太原組上段和二疊系下統山西組，現開采山西組3 號煤層，煤層厚3.35～10.25 m，平均厚6.32 m。地表物質主要為第四系黃土覆蓋，厚度為80～120 m，存在有一定厚姜石層，對地震數據采集有一定影響。

古城煤礦北二盤區存在較為復雜地質構造（圖1），井田內斷層較多，落差≥20 m 的斷層29 條，20 m>落差≥5 m 的斷層46 條，落差>5 m 的斷層極為發育。井田內3 個向斜、6 個背斜，區內小的褶曲也較為發育。盤區構造以北北東—北東東走向，整體上表現為單斜構造。

圖1 古城礦構造綱要圖Fig.1 Structural outline of Gucheng Mine

2 陷落柱構造地震響應特征

2.1 地震波場三維正演模擬技術

三維地震波場的模擬，采用自編制的有限差分方程方法，求解波動方程的方式，進行正演模擬。考慮到計算精度、計算效率等問題，正演模擬中采用的是將所有連續偏導數用差分算子近似逼近的方法來解決波動方程問題。為消除有限差分頻散現象的影響，使用高階有限差分格式、較小步距的交錯網格、可變網格和不規則網格方式，進行中心差分向高階有限差分的轉變。

高階有限差分正演中采用4 階Lax Wendoroff Correction （LWC）、8 階LWC 計算方法，得到0.4s 多種波場快照（圖2）。對比不同階數、不同差分算法的模擬結果，4 階LWC（圖2a）、8階LWC（圖2b） 的波場快照存在數值頻散，尤其是4 階LWC 方法數值模擬得到的波場快照，頻散現象十分明顯，而4 階解析離散算法（NAD） 的數值模擬波場快照（圖2c） 數值頻散得到明顯壓制。

圖2 不同階數有限差分相同粗網格的波場快照（t = 0.4 s）Fig.2 Wave field snapshots of the finite difference same coarse grid with different orders（t =0.4 s）

2.2 不同剖面形態陷落柱地震響應特征

依據地質資料，建立煤層埋深為300 m，陷落柱距地表距離為245 m，建立地質模型（圖3），在280 ms 左右形成煤層反射波，在煤層反射波下產生了延遲繞射波。圖4 為陷落柱正演模擬時的波場快照，圖4（a） 為170 ms 時，地震波即將到達煤層，地震波在陷落柱邊界位置發生輕微繞射；圖4（b） 為220 ms 時，地震波到達煤層的波場快照，圖中繞射現象很明顯，并且在陷落柱邊界位置處產生延遲繞射現象；圖4（c） 中為295 ms 時地震波完全穿過煤層，到達奧灰巖層時的波場快照，由于陷落柱速度低，此時陷落柱內部出現明顯延遲繞射波。

圖3 直徑15 m 直立陷落柱模型Fig.3 Vertical collapse column model with diameter of 15 m

圖4 直徑15 m 直立陷落柱波場快照Fig.4 Wave field snapshots of vertical collapse column with diameter of 15

3 陷落柱三維地震精細識別技術

陷落柱構造存在于華北礦井主要可采煤層的礦井中，主要由下伏奧灰巖溶洞垮落塌陷形成的，在陷落柱邊界位置常形成碎塊物質，內部為較為均一的巖體。由于陷落柱體的下陷作用，在陷落柱的邊界處地層的連續性、產狀、巖性方面均產生不同程度的差異，這些差異在地震波傳播中產生異常地震波，也是解釋陷落柱的物理前提。在對陷落柱的精細識別中，充分利用偏移三維地震數據體，并結合疊加三維地震數據體，運用垂直時間剖面、水平時間切片、順層振幅、綜合顯示等多種手段進行全方位的解釋。

（1） 斷陷點的解釋。

斷陷點的解釋是陷落柱解釋的基礎環節。在地震垂直時間剖面和水平時間切片上表現為反射波終斷，連續性變差，視頻率降低，極性反轉，有時還伴有產狀突變等現象，陷落柱頂部位置，可見地震反射波或繞射波（圖5）。

圖5 陷落柱在時間剖面與切面圖上的反映Fig.5 The reflection of collapse column on time section and cross section

（2） 陷落柱的組合。

在進行資料解釋時，先從一個方向（橫向或縱向） 剖面進行解釋，并與另一方向剖面進行閉合。把相鄰測線上性質相同、大小變化有規律的斷陷點組合起來，通過水平時間切片與順層切片進行平面形態的圈閉，并通過屏幕動態監視陷落柱的空間形態，最終確定陷落柱的整體形態。

針對古城煤礦陷落柱構造的三維地震數據體，綜合運用三維地震屬性識別技術進行陷落柱構造平面分布邊界的識別。利用三維地震瞬時振幅屬性（圖6a 和圖6b），可知陷落柱構造的邊界基本表現為“環形構造”或者是近橢圓形“圈閉構造”特征；基本上以三維地震梯度級別屬性為環狀分布特征（圖6c），表現為陷落柱構造的邊界處為地震數據梯度異常變化地段，通過地震屬性梯度計算可精細識別出陷落柱構造圈定的邊界位置；利用三維地震數據方差體進行陷落柱的識別表現為近于環狀閉合的方差屬性平面分布特征（圖6d）。

圖6 陷落柱地震不同屬性特征反映Fig.6 The reflection of different attribute characteristics of collapse column earthquake

綜合運用三維地震屬性識別技術，對探測區進行綜合解釋。解釋的陷落柱DX5 平面圖上呈長軸走向N40°E 橢圓形平面分布特征，解釋3 號煤層陷落柱直徑20 m×40 m，邊界位置清晰。根據礦井采掘工作面實測和揭露，驗證了識別出的陷落柱形態與邊界結果，其準確性和精確性得到提高，取得了良好的探測和識別成果。

4 結 論

礦井地質條件較為復雜的古城煤礦，斷層和陷落柱構造是礦井安全和精細識別的重點。依據地面三維地震勘探數據，結合三維地震有限差分正演模擬技術，分析和評價陷落柱構造尺寸變化對地震屬性特征的影響。運用三維地震屬性識別分析方法，識別出陷落柱構造空間參數和地震識別響應特征，形成準確、高效確定陷落柱構造精細識別技術，為類似地質條件礦井的地震勘探技術的綜合應用提供條件。

（1） 針對復雜礦井構造建立地質模型，采用地震有限差分正演模擬技術，識別不同類型陷落柱構造精細識別的重要地震參數及其響應特征。

（2） 運用不同時間波場快照分析和識別陷落柱構造在地震時間剖面和空間傳播特征，特別是典型波場傳播特征分析。

采用三維地震多屬性綜合識別技術，特別是地震振幅、振幅梯度和方差體屬性識別技術精細解釋和識別的陷落柱構造，空間參數準確。