淺談煤礦陷落柱地震解釋技術(shù)

陳春嶺，代金芝

（山西省煤炭地質(zhì)115勘查院，山西大同037003）

淺談煤礦陷落柱地震解釋技術(shù)

陳春嶺*，代金芝

（山西省煤炭地質(zhì)115勘查院，山西大同037003）

長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦陷落柱一直嚴(yán)重威脅著我國(guó)北方一些煤礦的高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)及綜合機(jī)械化采煤機(jī)組的正常運(yùn)行。近幾年，高分辨三維地震正成為探測(cè)陷落柱的重要手段?；诖?，簡(jiǎn)單介紹了幾種陷落柱的三維地震解釋方法。

陷落柱；三維地震；地震解釋

煤礦陷落柱是指煤田地區(qū)下伏石灰?guī)r中巖溶發(fā)育，在重力作用下，上覆巖層（包括煤系地層）向下塌陷所形成的錐狀或柱狀堆積物，陷落柱的賦、導(dǎo)水性也因地而異。陷落柱主要分布于我國(guó)北方石炭、二疊系煤田區(qū)。陷落柱的危害很大，會(huì)導(dǎo)致煤炭資源的損失，影響采掘工程的進(jìn)展和回采工作面的布置，還會(huì)惡化生產(chǎn)環(huán)境、引發(fā)突水災(zāi)害等。因此，陷落柱的探測(cè)極有意義。

1　陷落柱的地質(zhì)特征和地球物理特征

1.1陷落柱的空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及構(gòu)造特征

（1）陷落柱的空間形態(tài)。陷落柱的空間形態(tài)是指其在空間的表現(xiàn)形態(tài)，按平面形態(tài)可分為圓形、橢圓形和不規(guī)則形等，常見的多為橢圓形陷落柱，由于陷落柱空間變化的復(fù)雜性，其平面形態(tài)只反映陷落柱的切片，有可能一個(gè)平面與另一平面的形態(tài)不同，按剖面形態(tài)可分為圓錐形、漏斗形、筒狀形、斜塔形和不規(guī)則形等。其規(guī)模大小不等，一般幾米到數(shù)百米。

（2）陷落柱結(jié)構(gòu)特征。實(shí)際陷落柱的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，根據(jù)有關(guān)地質(zhì)研究，大體在縱向上可劃分為下沉區(qū)和塌陷區(qū)；在橫向上劃分為柱外構(gòu)造帶和塌陷帶等。

下沉區(qū)指陷落柱柱頂以上厚度約十幾米的巖層向下凹陷區(qū)域，其水平方向分布與柱體大小有關(guān)，一般為幾十米，由下沉欠壓實(shí)作用，下沉區(qū)結(jié)構(gòu)疏松，密度較小。

塌陷區(qū)分布于柱頂與溶洞之間，包括柱內(nèi)冒落巖塊的分布區(qū)段和環(huán)形斷層形成的圍巖陷落區(qū)段。柱內(nèi)混雜堆積著破碎巖塊，巖塊間由泥質(zhì)填充、膠結(jié)，塊度差異較大，可從幾厘米到幾米甚至幾十米。柱內(nèi)巖性一般比較雜亂，有時(shí)也會(huì)保持基本層序，但產(chǎn)狀不一，極度傾斜。

（3）陷落柱的構(gòu)造特征：

①柱內(nèi)巖性：由于陷落柱是從下往上逐漸坍塌的，因此，柱內(nèi)巖性時(shí)代較圍巖為新。據(jù)坑道揭露，柱內(nèi)空間由破碎巖塊堆積而起，巖塊之間由泥質(zhì)充填、膠結(jié)，巖塊大小差異較大，可從幾米至幾十米。有時(shí)還可見到第四系黃土充填的陷落柱。巖塊的巖性，取決于上部巖層的巖性，從柱內(nèi)巖性特征可以判斷巖塊的陷落深度。柱內(nèi)巖性一般比較雜亂，有時(shí)也會(huì)保持基本層序，產(chǎn)狀不一，極度傾斜。

②柱面：陷落柱的柱面不是一個(gè)抽象數(shù)學(xué)面，也不是一個(gè)光滑的物理面，而是與斷層面一樣，含有“體”的概念。據(jù)坑道揭露，陷落柱的柱面極為粗糙，凹凸巖塊參差不齊，常發(fā)育2種構(gòu)造：一種為擦痕，是柱體或巖塊向下陷落時(shí)與圍巖相互摩擦所留的擦痕，這種擦痕一般較短，且散亂，無(wú)統(tǒng)一的摩擦面。另一種為擠壓軟泥，質(zhì)地細(xì)膩，常附著于巖塊表面，巖塊有擠壓變形特征。也有個(gè)別巖塊擠入煤層中的現(xiàn)象。

③柱外構(gòu)造帶：在陷落柱附近的圍巖中，常伴有節(jié)理、裂隙、撓曲、斷層等派生構(gòu)造。

1.2陷落柱在地震時(shí)間剖面和切片上的反映特征

1.2.1陷落柱在地震時(shí)間剖面上的反映特征

陷落柱體是由塊度大小不均、排列雜亂無(wú)章的上部地層塌陷物膠結(jié)而成的。與正常賦存地層相比，在地層的連續(xù)性、產(chǎn)狀、巖性等方面，均有很大差別。陷落柱與圍巖存在的物性差異是形成異常地震波的基礎(chǔ)，這些異常為地震方法識(shí)別和判定陷落柱提供了依據(jù)。陷落柱在時(shí)間剖面上有不同于其他地質(zhì)體的反映特征，如圈閉、延遲繞射波等。在野外實(shí)測(cè)陷落柱的時(shí)間剖面上，有比模型剖面特征更為復(fù)雜的特征，如側(cè)面波的出現(xiàn)等。因此，掌握陷落柱在時(shí)間剖面上的表現(xiàn)特征，對(duì)于陷落柱的判斷及解釋尤其重要。陷落柱在時(shí)間剖面上的反映特征如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)反射波在小范圍內(nèi)突然中斷或消失。

（2）標(biāo)準(zhǔn)反射同相軸中斷，代之以斷續(xù)的弱反射同相軸。

（3）標(biāo)準(zhǔn)反射波中斷，中斷段仍與標(biāo)準(zhǔn)反射相似。

（4）在兩斷陷點(diǎn)外側(cè)一定范圍內(nèi)，反射波同相軸有不同程度的彎曲或向陷落中心傾斜的現(xiàn)象，常伴有小斷層出現(xiàn)。有時(shí)出現(xiàn)明顯的反射強(qiáng)度逐漸減弱的現(xiàn)象，這是柱外構(gòu)造帶在時(shí)間剖面上的反映。

（5）反射波動(dòng)力學(xué)特征突變，如振幅突然減弱，波形變化無(wú)規(guī)律，頻率明顯變低，出現(xiàn)高頻干擾，相位不連續(xù)，經(jīng)過(guò)一段距離后又恢復(fù)正常。

（6）同相軸的分叉與合并出現(xiàn)陷落柱內(nèi)部充填物雜亂，反射波會(huì)出現(xiàn)相長(zhǎng)或相消干涉，使得陷落柱兩端的同相軸出現(xiàn)分叉與合并現(xiàn)象，也是判斷陷落柱的重要標(biāo)志。

（7）同相軸出現(xiàn)圈閉現(xiàn)象，同相軸先分叉又合并形成鐵餅狀圈閉，也是陷落柱在剖面上的特征反映。

（8）異常波出現(xiàn)，異常波包括繞射波、延遲繞射波、側(cè)面波等等。當(dāng)陷落柱的直徑較小時(shí)，或測(cè)線通過(guò)陷落柱的邊部，判斷陷落柱的其他特征(如強(qiáng)反射消失等)沒有出現(xiàn)，或不明顯，此時(shí)異常波對(duì)判斷陷落柱就顯得異常重要。與陷落柱有關(guān)的異常波如下：

繞射波：繞射波產(chǎn)生于巖性間斷點(diǎn)，在有陷落柱的地層中，陷落柱內(nèi)的巖性與圍巖不同，陷落柱的柱面就是不同巖性的接觸面，按廣義繞射理論，繞射是普遍存在的，沿柱面均可產(chǎn)生繞射波。但幾何的點(diǎn)和線不可以有一定能量的繞射波，一個(gè)繞射體必須與地震波長(zhǎng)相當(dāng)才可產(chǎn)生可觀察繞射波能量，繞射波強(qiáng)度與反射波段長(zhǎng)度成正比。繞射波在經(jīng)過(guò)偏移處理后，可回收到斷陷點(diǎn)處，這是繞射波不同于其他波的地方。

延遲繞射波：斷陷點(diǎn)繞射波的前半枝與正常繞射波無(wú)異，而后半枝由于繞射射線穿越低速的陷落柱體而發(fā)生時(shí)間延遲。延遲繞射波是陷落柱獨(dú)有的特殊波，是陷落柱在時(shí)間剖面上表現(xiàn)的最重要的特征之一。

側(cè)面波：陷落柱為一復(fù)雜的地質(zhì)體，在陷落柱四周一定范圍內(nèi)，地層常常向柱體方向傾斜，并且柱內(nèi)堆積著雜亂的尺度不一的陷落塊體，因此，在二維測(cè)線上，常接收來(lái)自測(cè)線剖面旁側(cè)的地質(zhì)體的反射波，即側(cè)面波。在二維時(shí)間剖面上，由于側(cè)面波的無(wú)規(guī)律或規(guī)律性不強(qiáng)，往往干涉別的規(guī)則波，且不易識(shí)別，只有較強(qiáng)能量、較大長(zhǎng)度反射段的側(cè)面波可被分辨出來(lái)。

回轉(zhuǎn)波：回轉(zhuǎn)波一般產(chǎn)生于向斜部位，當(dāng)向斜的曲率中心位于地下時(shí)，便產(chǎn)生回轉(zhuǎn)波。當(dāng)向斜軸部有陷落柱且向斜曲率較大時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)波現(xiàn)象。在水平疊加時(shí)間剖面，上出現(xiàn)明顯回轉(zhuǎn)波的地段，是否存在陷落柱往往不能完全確定。在偏移后，回轉(zhuǎn)波正確成像可以識(shí)別。

1.2.2陷落柱在切片上的反映特征

陷落柱在屬性切片上的形態(tài)特征多呈橢圓形、似圓形，有時(shí)可見到長(zhǎng)條形或串珠狀，這與斷層、巷道以及采空區(qū)的特征可以明顯區(qū)分，斷層往往呈細(xì)條帶狀，采空區(qū)以及巷道多呈規(guī)則狀。陷落柱在切片上的影響范圍隨著所切位置的塌陷范圍的變化而變化。

2　陷落柱的解釋

2.1常規(guī)解釋

在地震時(shí)間剖面上識(shí)別和判定陷落柱的主要依據(jù)有：反射波或反射波組終止；反射波同相軸扭曲或產(chǎn)狀突變；反射波同相軸產(chǎn)生分叉合并和圈閉現(xiàn)象。

反射波相位轉(zhuǎn)換或反射波振幅突變：由于陷落柱內(nèi)地層塌陷的牽引，陷落柱周圍的地層常產(chǎn)生向陷落柱方向下傾，導(dǎo)致地震時(shí)間剖面上出現(xiàn)類似于“倒漏斗”的特征，這也是判斷陷落柱輔助依據(jù)。解釋過(guò)程中可以充分利用解釋工作站的放大、彩色顯示功能。

2.2屬性解釋

地震屬性是根據(jù)地震記錄測(cè)量或計(jì)算出來(lái)的一些參數(shù)，它可以表征和研究地震數(shù)據(jù)內(nèi)部所包含的時(shí)間、振幅、頻率、相位以及衰減特性等。

由于地質(zhì)體的不均勻性，使地震波場(chǎng)發(fā)生變化，因此通過(guò)研究地震屬性參數(shù)變化與地質(zhì)異常體的關(guān)系，可以達(dá)到直接或間接地檢測(cè)地質(zhì)異常體的目的。地震屬性技術(shù)就是提取、存儲(chǔ)、檢驗(yàn)、分析、確認(rèn)、評(píng)估地震屬性以及將地震屬性轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)層特征的一套方法。這種技術(shù)能從地震數(shù)據(jù)中提取其他方法無(wú)法提取的信息，可以幫助解釋人員對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象加以認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)儲(chǔ)層特征的認(rèn)識(shí)。隨著數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、信息科學(xué)等領(lǐng)域新技術(shù)的引入，從地震數(shù)據(jù)中提取的地震屬性有300余種，并且新的地震屬性還在不斷從地震數(shù)據(jù)中提取出來(lái)，如分維屬性和小波變換屬性以及將傳統(tǒng)的屬性進(jìn)行疊合、差值、乘積和級(jí)聯(lián)運(yùn)算后的復(fù)合屬性等。

2.2.1利用方差屬性進(jìn)行解釋

方差體屬性是在地震多道相關(guān)技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上出現(xiàn)的，它能夠準(zhǔn)確識(shí)別地層不連續(xù)變化，甚至能夠準(zhǔn)確地給出斷裂帶的延展方向，是有效地檢測(cè)地層不連續(xù)變化的解釋性處理技術(shù)。

方差體技術(shù)的原理是求取三維地震數(shù)據(jù)體所有樣點(diǎn)的方差值。首先，在一定時(shí)窗內(nèi)求取每個(gè)樣點(diǎn)與周圍相鄰地震道所有樣點(diǎn)平均值之間的方差值，然后再加權(quán)歸一化，獲得一個(gè)表示地震數(shù)據(jù)差異性的方差數(shù)據(jù)體；在方差體計(jì)算過(guò)程中，參數(shù)有時(shí)窗長(zhǎng)度、計(jì)算道數(shù)與算法。

現(xiàn)有的解釋技術(shù)主要解釋方差數(shù)據(jù)體產(chǎn)生的等時(shí)切片、方差沿層切片。

2.2.2利用層屬性進(jìn)行解釋

目的層中構(gòu)造的存在，勢(shì)必造成目的層與圍巖的物性差異，這種差異可能體現(xiàn)在地震波至?xí)r間、地震波的頻率、振幅、相位差異。因此，計(jì)算、研究包含目的層在內(nèi)的一定時(shí)間厚度上層屬性，可能有助于發(fā)現(xiàn)小的構(gòu)造與地質(zhì)異常體。

2.3速度分析及波阻抗反演技術(shù)

一般來(lái)講，與其圍巖相比，陷落柱內(nèi)部地層較新、密度較低、孔隙度較大，因而波速也較低。在擬層速度剖面上，層狀連續(xù)的速度被破壞，代之以片狀模糊的速度圖景，代表陷落柱反映的低速鑲嵌在高速背景之上。另外，由于陷落柱與其圍巖相比，多具有波阻抗值較低的特點(diǎn)，所以，在波阻抗反演剖面上可以識(shí)別陷落柱的縱橫向分布情況。在陷落柱不太發(fā)育地區(qū)，不能區(qū)分是否為陷落柱還是其他異常體時(shí)，該方法往往比較有效。

2.4綜合地球物理方法與可視化顯示技術(shù)

無(wú)線電坑透、槽波地震、地質(zhì)雷達(dá)等井下物探方法對(duì)陷落柱進(jìn)行探測(cè)的效果也較好，這些方法往往在回采工作面巷道或切眼溝通后才能實(shí)施。此外，還可以從實(shí)際地震資料出發(fā)，利用三維可視化顯示技術(shù)及地震屬性特征分析法等，直觀地顯示不同煤層中陷落柱的空間賦存情況，進(jìn)一步增強(qiáng)資料解釋的整體判斷能力，提高對(duì)陷落柱判斷的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)論

陷落柱對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)威脅很大，因此有必要把三維地震多種技術(shù)方法綜合應(yīng)用以提高探測(cè)精度。

[1]林建東,楊振,顏中輝,趙顯宗.煤礦陷落柱的地震響應(yīng)特征與識(shí)別[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(6):2631-2638.

[2]尹奇峰,潘冬明,于景邨,劉盛東.煤礦陷落柱地震識(shí)別技術(shù)研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(5):2168-2174.

[3]溫德華,王言劍,崔偉雄.煤礦陷落柱地震響應(yīng)分析[J].能源技術(shù)與管理,2011(3):4-5,12.

[4] 師素珍,方惠明,郝海波,劉萬(wàn)金,何愷.煤礦巖溶陷落柱的地震資料解釋[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(6):59-61,70.

[5]楊曉東,楊德義.煤田陷落柱特殊波對(duì)陷落柱解釋的影響[J].物探與化探,2010,34(5):627-631,634.

[6] 張新紅.三維地震勘探資料解釋技術(shù)在識(shí)別陷落柱中的應(yīng)用[J].中州煤炭,2013(7):25-27.

[7]方慶水,李獻(xiàn)龍,鮑廣富.三維地震勘探資料在解釋陷落柱分布上的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2009,21(9):113-116.

[8]梁兵,孫恩澤.山區(qū)煤田三維地震勘探漏解釋煤炭陷落柱原因探析[J].中國(guó)煤炭工業(yè),2013(10):44-45.

[9]寧建宏,張廣忠.陷落柱的地震識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(3):64-67.

[10]曹志勇,楊德義.陷落柱的高斯射線束法模擬[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2008,20(6):63-65,69.

[11] 吳守華,周國(guó)興,楊素霞,何黃生.陷落柱地震響應(yīng)特征分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2004,32(3):52-54.

[12]李文,柴志順.運(yùn)用地震屬性技術(shù)解釋煤礦陷落柱[J].煤炭技術(shù),2008,27(8):121-122.

[13] 湯紅偉.地震屬性解釋技術(shù)在探測(cè)陷落柱中的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2012,24(1):49-52,68.

P631.4

B

1004-5716(2015)07-0163-03

2014-09-09

陳春嶺（1971-），男（漢族），河南鄧州人，工程師，現(xiàn)從事物探技術(shù)工作。