轉龍灣煤礦煤層沖刷帶的解釋方法研究

曹秀森

（河北省煤田地質局 環境地質調查院，河北 石家莊 050091）

1 概 況

煤層沖刷帶一般是指水流對泥炭層或煤層的沖蝕，并通常由砂質沉積物充填而成的地質綜合體，是一種常見的礦井地質現象[1]。煤層沖刷帶的存在對煤炭的正常采掘和安全生產造成了不利影響[2-3]。目前常用的煤層沖刷帶預測方法有沉積分析法、礦井物探法以及地質統計法等[4]，其中礦井物探法可分為井下電法勘探和地震勘探，而三維地震勘探是識別煤層沖刷帶最常用的技術手段[5-6]。

轉龍灣煤礦位于鄂爾多斯盆地的東北緣，主要可采煤層為侏羅系中下統的II-3 號煤層。根據煤層采掘及鉆孔的揭露情況，發現井田中存在古河流沖刷帶。因此，本文使用全波場地震模擬軟件建立了煤層沖刷帶的地質模型，通過正演模擬分析總結了沖刷帶在地震時間剖面上的判別標志，以期為煤礦的采掘和安全生產提供依據。

2 地質模型的建立

建立的地質模型長度1 000 m，深度400 m，包括煤層沖刷缺失區（250～350 m）、煤層沖刷變薄區1（450～550 m） 和煤層沖刷變薄區2（650～750 m），如圖1 所示。正常煤層的厚度為4 m，沖刷缺失區煤層厚度為0，沖刷變薄區1 煤層厚度為2 m，沖刷變薄區2 煤層厚度為3 m。煤層沖刷的區域為砂巖所填充。

圖1 煤層沖刷帶模型Fig.1 Model of coal seam erosion zone

模型具體的幾何與物性參數見表1。

表1 煤層沖刷帶模型的幾何與物性參數Table 1 Geometric and geophysical prameters of coal seam erosion zone model

3 沖刷帶正演模擬

本文采用Tesseral-2D 軟件對建立的地質模型進行正演模擬，該軟件是一種基于有限差分方法的波動方程模擬軟件，相對于射線追蹤方法能更好的反映地震波的動力學特征。

3.1 有限差分法

有限差分法首先利用網格將求解的區域進行劃分（空間離散），一般用二維結構化網格將空間劃分為一個個大小相等的網格，x 和y 方向上的增量相等。然后利用差分方程對偏微分方程進行替換，計算區域每個網格點在不同時刻的波場值。此次正演模擬采用的計算模型為聲波方程。

對于二維速度-深度模型，地震波在地下介質中的傳播可近似地用聲波方程描述：式中：v(x,z)為點（x,z） 處的縱波速度；u 為速度波場；t 為時間；s(t)為震源函數。

空間模型的網格化如圖2 所示。

圖2 網格化Fig.2 The gridding

將上面2 個公式相加，省略掉高階小量，得到（i，j） 點在時刻k 的二階時間微商為：

同理可得（i，j） 點在時刻k 的二階空間微商分別為：

這便用網格點波場值的差商替換了偏微分方程的微商，最后將以上3 個公式代入（1） 式中得：

此即二階聲波方程的有限差分公式。

3.2 地震正演模擬

此次正演模擬采用的觀測系統為240-10-10-10-240。炮距30 m，共布設30 炮，覆蓋次數為8。選用55 Hz 的零相位雷克子波。通過模擬放炮，并進行切初至、抽道集、動校正、疊加和偏移等處理，得到了最終的疊加和偏移時間剖面，如圖3所示。

圖3 正演剖面及振幅屬性顯示Fig.3 The forward section and display of amplitude property

從正演疊加時間剖面來看，因煤層與圍巖間有明顯的波阻抗差異，煤層正常賦存區形成了穩定可連續追蹤的反射波；煤層沖刷缺失區及變薄區處反射波頻率降低，繞射波發育。從偏移時間剖面及振幅屬性圖來看，煤層沖刷缺失區及變薄區處的繞射波得到了很好的收斂，正常煤層處的反射波振幅穩定，能量較強；在250～350 m 處的煤層沖刷缺失區，出現了煤層反射波的中斷；在450～550 m 和650～750 m 處的煤層沖刷變薄區處，可清楚看到煤層反射波振幅變弱的特征，且煤層沖刷變薄區1（煤厚2 m） 的反射波振幅相對煤層沖刷變薄區2（煤厚3 m） 的反射波振幅要更弱些。由此可總結出煤層沖刷帶在地震時間剖面上會反映為反射波同相軸的中斷或振幅變弱；煤層反射波振幅的強弱可作為煤厚定性解釋的依據。

4 實例分析

此次三維地震勘探區位于鄂爾多斯市轉龍灣井田西部勘探區。主要地質任務為查明主要煤層的賦存、斷層發育及沖刷帶的分布情況。

4.1 勘探區地質概況及地球物理特征

勘探區范圍內大面積被第四系風成沙覆蓋，基巖出露甚少。沉積的主要地層有三疊系上統延長組；侏羅系中、下統延安組、中統直羅組和安定組；白堊系下統伊金霍洛組；第四系上更新統薩拉烏蘇組和全新統地層。

井田內含煤地層為侏羅系延安組，共含煤10層。主要可采煤層為Ⅱ-3、Ⅲ-2 煤層。Ⅱ-3 煤層位于延安組第五巖段，Ⅱ煤組中下部，煤層平均厚度4.30 m，局部有沖刷現象。頂板主要為粉砂巖和泥質粉砂巖，也有砂巖、細砂巖；底板以泥質粉砂巖和粉砂質泥巖為主，局部也有細砂巖。煤層在大部分區域厚且穩定，該特征也是井田內煤層對比的主要標志之一。

4.2 資料的采集、處理

針對勘探區的地震地質條件，經過點實驗的定量、定性分析和線束實驗的情況，確定了合理的施工參數。三維地震勘探觀測系統為14L×4S×60T×7R×24 次線束狀，CDP 網格5 m×10 m。

資料處理中經過面波衰減、靜校正、反褶積、速度分析、疊加、噪音衰減及偏移等處理，使數據體的品質有了明顯改進。

4.3 煤層沖刷帶的解釋

通過時間剖面上煤層反射波同相軸的中斷或振幅變弱的特征及煤層的沿層振幅切片上的顯示，結合鉆孔等地質資料，解釋了Ⅱ-3 煤沖刷區8 個（CS1、CS2、CS3、CS4、CS5、CS6、CS7、CS8），如圖4、圖5 所示。

圖4 CS5 煤層沖刷區在時間剖面上的顯示Fig.4 Display of CS5 coal seam erosion zone on time section

圖5 Ⅱ-3 煤層的沿層振幅切片Fig.5 Amplitude slices along the No.Ⅱ-3 coal seam

5 結 語

通過Tesseral-2D 全波場地震模擬軟件對煤層沖刷帶模型的正演模擬可知，根據受到沖刷作用的強弱，煤層沖刷帶處的反射波會出現同相軸的中斷或振幅變弱的特征。結合鄂爾多斯市轉龍灣井田西部勘探區實例解釋了沖刷帶的分布，從礦方后續的的實際揭露情況來看吻合度較高，對礦方的正常采掘及安全生產具有積極的指導意義。