地震勘探在煤礦陷落柱探查中的應(yīng)用范文

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煤層底板有泥巖、砂巖、灰?guī)r三大類，其中灰?guī)r由于地下水活動作用，發(fā)生化學(xué)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(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力綜合作用下，空洞圍巖發(fā)生松動、破碎和塌陷，形成陷落柱［1］。當(dāng)陷落柱逐步擴大并到達(dá)煤層，煤層也因此而遭受破壞，井下掘進(jìn)至陷落柱位置時，頂板支護(hù)困難，底板裂隙發(fā)育，深部灰?guī)r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(yán)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(zhì)概況

趙莊煤礦位于沁水煤田東南部，地層構(gòu)造形態(tài)為一個單斜構(gòu)造，走向為近北東向，地層平均傾角為24°。單斜構(gòu)造上發(fā)育了大量次級小褶皺，研究區(qū)內(nèi)小構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均每千米巷道內(nèi)的斷層數(shù)為12條，礦區(qū)內(nèi)根據(jù)揭露或者三維地震解釋的陷落柱共計67個。勘探區(qū)內(nèi)以低山、丘陵為主，地形東西高中間低，北高南低。區(qū)內(nèi)第四系黃土覆蓋，厚度為3～10m。地層從老到新有:奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及新生界第三系、第四系地層。勘探區(qū)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)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(shù)8.5%。二疊系下統(tǒng)山西組3號煤層，總平均厚度為5.58m，全勘探區(qū)穩(wěn)定可采。

2利用三維地震技術(shù)解釋陷落柱的基礎(chǔ)

2.1陷落柱解釋的物理基礎(chǔ)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(yīng)取決于野外地震數(shù)據(jù)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(chǔ)之一。根據(jù)三維地震勘探理論，假設(shè)地下地層水平，可以通過地震波的干涉理論分析得出。通過上述公式來確定陷落柱的半徑，當(dāng)陷落柱半徑大于r時，在三維地震數(shù)據(jù)的水平疊加剖面能夠確定陷落柱的邊界;當(dāng)陷落柱半徑小于r時，只表現(xiàn)為連續(xù)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(jù)陷落柱會導(dǎo)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(nèi)部是一個整體塌陷)，也有可能是陷落柱內(nèi)部沉積物雜亂，這就使得地震波到達(dá)陷落柱區(qū)域時表現(xiàn)為不同的形態(tài)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(shù)據(jù)解釋陷落柱提供了良好的地球物理前提。(1)反射波同相軸在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)中斷、扭曲等現(xiàn)象，并且這種異常表現(xiàn)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(zhì)體出現(xiàn)時才能產(chǎn)生的異常波，因此延遲繞射波可作為識別陷落柱的標(biāo)志。當(dāng)陷落柱規(guī)模很小時能夠產(chǎn)生相當(dāng)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(dāng)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(fā)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(yè)及數(shù)據(jù)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(rèn)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(shù)。(1)觀測系統(tǒng)采用8線8炮制規(guī)則線束狀觀測系統(tǒng)，單邊激發(fā)。具體參數(shù)見采集參數(shù)表1。(2)采集參數(shù):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(jìn)行試驗。試驗后分析如下:黃土較厚地段井深應(yīng)大于7m，藥量2.0kg，且激發(fā)層位應(yīng)在紅黏土中;黃土較薄地段井深3～5m，藥量2.0kg，應(yīng)在紅黏土或基巖中;殘坡積物覆蓋地段井深應(yīng)大于2m，藥量2.0kg，激發(fā)層位應(yīng)在基巖中;基巖出露區(qū)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。

4陷落柱的地震數(shù)據(jù)處理與解釋

4.1陷落柱的地震數(shù)據(jù)處理根據(jù)本次三維地震勘探地質(zhì)任務(wù)及技術(shù)要求，對原始資料進(jìn)行了認(rèn)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(xiàn)流程的關(guān)鍵在于掌握關(guān)鍵性處理手段，提高地震資料成像質(zhì)量，著重強調(diào)了以下幾點:(1)認(rèn)真檢查觀測系統(tǒng)，確保炮、檢點位置準(zhǔn)確無誤。(2)拾取每一個有效單炮的初至?xí)r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(zhǔn)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(hù)有效信號的低頻成分和高頻成分，實現(xiàn)寬頻保真處理。(4)選擇合適的疊前時間偏移參數(shù)，細(xì)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(zhì)資料信息，尤其是各鉆孔資料、構(gòu)造位置等信息，指導(dǎo)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(gòu)造、陷落柱等繞射波歸位，地質(zhì)現(xiàn)象清楚，構(gòu)造位置與已知位置吻合。

4.2陷落柱的多地震屬性解釋在地震數(shù)據(jù)處理提供的偏移剖面上，對目的層反射波進(jìn)行追蹤，找出目的層不連續(xù)的地震區(qū)域，根據(jù)上述地震波在陷落柱范圍內(nèi)的響應(yīng)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(jìn)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(jìn)行人工的閉合，最終確定陷落柱在平面上的顯示狀態(tài)(圖3(c))。地震屬性是指對地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行具有物理意義的數(shù)學(xué)變換，構(gòu)建其與地質(zhì)因素之間的關(guān)系，指導(dǎo)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(yīng)地震反射波特征的縱橫向變化，進(jìn)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(zhì)構(gòu)造之間也存在著某種形式的聯(lián)系。有很多學(xué)者用地震屬性來指導(dǎo)地震數(shù)據(jù)體的解釋工作，并且在實際應(yīng)用中取得較好的效果。

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(lián)系。振幅屬性一方面通過識別振幅異常來追蹤地層學(xué)特征，另一方面還可識別巖性變化和巖層的接觸關(guān)系。瞬時相位是根據(jù)地震反射波在不同地質(zhì)體上具有相應(yīng)的相位變化，根據(jù)這種相位變化的特征識別不同地質(zhì)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(zhì)體的邊界。將瞬時相位對時間的導(dǎo)數(shù)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(shù)據(jù)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(zhì)異常體。相干體是衡量地震數(shù)據(jù)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(xù)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(shù)的關(guān)鍵在于屬性提取，提取方式包括數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)體提取多種不同的地震屬性，根據(jù)其在地震剖面上的顯示特征和不同地震屬性與地質(zhì)構(gòu)造的相關(guān)性，最終選用4種地震屬性進(jìn)行陷落柱的解釋工作，同一陷落柱在地震數(shù)據(jù)體上的不同屬性的響應(yīng)特征見圖4。

在對陷落柱等地質(zhì)異常體進(jìn)行解釋的時候，往往會根據(jù)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(jìn)行判別。因此，在對地震數(shù)據(jù)體解釋后，通常會對目的層進(jìn)行屬性提取，通過目的層的不同屬性對構(gòu)造異常進(jìn)行再次確認(rèn)，以提高解釋精度。在屬性切片上，陷落柱多呈現(xiàn)橢圓狀、似橢圓狀，有時會出現(xiàn)長條形或串珠狀(圖5)。在地震剖面上對陷落柱進(jìn)行初步的確認(rèn)，再通過對地震數(shù)據(jù)體和目的層進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，最終可較為精確地確定陷落柱的位置和發(fā)育規(guī)模。該項成果經(jīng)過礦井的驗證，結(jié)果可靠，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

5結(jié)論

在趙莊煤礦開展的三維地震探測陷落柱工作，經(jīng)過野外數(shù)據(jù)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(shù)關(guān)鍵總結(jié)如下:(1)根據(jù)地震波的橫向分辨率，當(dāng)陷落柱半徑大于第一菲涅爾半徑時，在三維地震數(shù)據(jù)的水平疊加剖面能夠確定陷落柱的邊界;當(dāng)陷落柱半徑小于第一菲涅爾半徑時，只表現(xiàn)為連續(xù)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(shù)據(jù)的前提。在數(shù)據(jù)處理中，主要采用了疊前時間偏移為核心的地震數(shù)據(jù)處理流程，同時注重趙莊礦區(qū)起伏地表的影響，做好層析反演靜校正，選取合理的基準(zhǔn)面和替換速度;應(yīng)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(hù)有效信號的低頻成分和高頻成分，實現(xiàn)寬頻保真處理;選擇合適的疊前時間偏移參數(shù)，細(xì)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(gòu)造位置信息指導(dǎo)地震資料的處理，改進(jìn)地震資料成像質(zhì)量。(3)在資料解釋中，將多種地震屬性聯(lián)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(jié)果更為精確。

作者：李勁松 左杰海 封云杰 李東亮 單位：山西晉煤集團 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司