地震資料解釋巖漿巖侵入煤層范圍的探索研究

湯紅偉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

地震資料解釋巖漿巖侵入煤層范圍的探索研究

湯紅偉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

巖漿侵入煤層對煤礦安全高效生產(chǎn)有較大影響。在有鉆孔揭露巖漿巖區(qū)域，應(yīng)用波阻抗反演同時輔以地震屬性分析等三維地震勘探技術(shù)預(yù)測巖漿巖侵入煤層現(xiàn)象能取得較好的效果。對于無井區(qū)域來說，反演方法不能運用，單純的屬性分析技術(shù)存在多解性。正演模擬表明，巖漿巖侵入煤層后會使得反射波主相位與輔助相位存在較大的時間差及振幅差，此差異為利用巖漿巖地震響應(yīng)預(yù)測巖漿巖侵入煤層范圍提供了可能。以陳四樓煤礦八采區(qū)二2煤層為例，利用地震時間剖面、屬性分析相結(jié)合的方法，圈定了巖漿侵入煤層范圍。通過巷探實際驗證，解釋結(jié)果吻合較好。

巖漿巖侵入 時間剖面 地震屬性 地震資料 三維地震勘探

AbstractMagma intruding into coal seam had a greater impact on coal mine efficient and safety production. In the magmatic rock area exposed by drillhole, 3D seismic exploration techniques such as wave impedance inversion and seismic attribute analysis, had preferable effects on the prediction of magma intruding into coal seam. For the non-well area, the retrieval method couldn't be applied well, and simple attribute analysis had multiple solutions. The forward modelling showed that after magmatic rocks intruding into coal seam, there were big time difference and amplitude difference between master phase and assisted phase of reflected wave, and the differences made it possible for magmatic rock seismic response to predict the range of magmatic rock intrusion. Taking two-2 coal seam of No. 8 panel of Chensilou Coal Mine as an example, the range of magmatic rock intrusion in coal seam was determined by using combined method of seismic time profile and attribute analysis. The actual roadway protection results was identical with the interpretation results.

Keywordsmagmatic rock intrusion, time profile, seismic attribute, seismic data, 3D seismic exploration

巖漿巖的侵入對煤層的影響很大，一方面，巖漿巖侵入煤層后使得煤層的完整性受到了破壞，而且由于巖漿的烘烤，使與巖漿巖接觸部分的煤質(zhì)變差甚至變成天然焦，影響了煤的工業(yè)價值，降低了可采煤炭資源儲量。另一方面，由于巖漿巖的硬度較大，掘進速度受到影響，而且使采掘設(shè)備的使用壽命減少，從而增加了開采成本。因此，準(zhǔn)確圈定巖漿巖侵入煤層的范圍對煤礦安全高效生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實意義。

在地質(zhì)勘查階段，多應(yīng)用鉆孔資料圈定巖漿巖侵入煤層的范圍，但受鉆孔數(shù)量及鉆孔密度的限制，圈定邊界的精度較差。相比之下，三維地震勘探資料具有大面積密集采集及橫向分辨率高的優(yōu)勢，因此，波阻抗反演、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及灰色關(guān)聯(lián)分析、地震相分析及頻譜分解、地震屬性技術(shù)等三維地震勘探技術(shù)預(yù)測巖漿巖侵入煤層的方法在不同地區(qū)得到應(yīng)用。波阻抗反演是利用反射波阻抗值的大小來區(qū)分巖漿巖侵入煤層范圍的，巖漿巖一般表現(xiàn)為高阻抗值、煤層為低阻抗值；屬性分析技術(shù)主要依據(jù)反射波連續(xù)性、反射波主頻的高低來識別巖漿巖侵入?yún)^(qū)，在時間剖面上，正常煤層區(qū)域反射波能量較強、連續(xù)性好，天然焦區(qū)域的反射波有連續(xù)性變差或者反射波消失、能量變?nèi)?、頻率增高的地震響應(yīng)特點。這些方法在鉆孔揭露巖漿巖侵入煤層的信息較豐富、測井資料齊全且?guī)r漿巖侵入的煤層為主要可采煤層的區(qū)域都取得了較好的效果。

永城礦區(qū)為巖漿巖活動頻繁區(qū)域，根據(jù)收集的陳四樓井田的237個鉆孔資料統(tǒng)計來看，有59%的鉆孔穿見巖體，侵入的主要為局部可采的三煤組。揭露巖漿巖侵入二2主采煤層的鉆孔只有5個，且鉆孔施工年代久遠(yuǎn)，測井資料缺失嚴(yán)重，在采掘過程中，經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)小范圍的巖漿巖侵入煤層現(xiàn)象，為此，必須采用新的技術(shù)方法來預(yù)測巖漿巖侵入范圍。

1 概況

陳四樓井田地層由老至新為寒武系下統(tǒng)、中統(tǒng)、上統(tǒng)，奧陶系下統(tǒng)、中統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)、上統(tǒng)，二疊系下統(tǒng)、上統(tǒng)，新近系漸新—始新統(tǒng)、中新統(tǒng)、上新統(tǒng)，第四更新統(tǒng)、全新統(tǒng)，含煤地層為石炭系和二疊系。上石炭統(tǒng)太原組含煤1～6層，稱一煤組，煤層總厚2.06 m，含煤系數(shù)為1.4%。下二疊統(tǒng)山西組含煤3層，稱二煤組，編號為二1～二3，其中二2煤層為礦井主采煤層，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)單一，平均厚度2.45 m；下石盒子組含煤7層，稱三煤組，編號為三1～三7。三1煤層厚度為1.30 m，為不穩(wěn)定煤層；三2煤層厚度為1.50 m，為較穩(wěn)定煤層；三4煤層厚度為1.60 m，為不穩(wěn)定煤層；三5煤層平均厚度為0.96 m，為不穩(wěn)定的局部可采煤層。二煤組與三煤組平均間距為80 m左右。

井田內(nèi)巖漿活動頻繁，統(tǒng)計井田內(nèi)237個見煤鉆孔，有59%的鉆孔穿見巖漿巖體。其中巖漿巖侵入三煤組的鉆孔有136個，巖漿巖侵入二2煤層的鉆孔有5個，鉆孔資料揭露巖漿巖最大厚度為31.57 m，平均厚度為2.59 m。巖漿活動有2個期次，其中，輝綠巖偏老，為華力西晚期的產(chǎn)物；花崗斑巖較新，為燕山早—晚期的產(chǎn)物。井田內(nèi)巖漿巖一般沿三煤組煤層及其底板侵入，產(chǎn)狀多為巖床或巖墻。二2煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)主要在井田中西部及北部，其中0716孔、6406孔、0908孔、1006孔和1308孔附近發(fā)育大片巖漿巖侵入?yún)^(qū)及天然焦，四采區(qū)2408工作面、2409工作面、五采區(qū)2513工作面和十二采區(qū)21203工作面均受到不同程度的影響。另外，二、七、十一采區(qū)局部發(fā)育條帶狀巖漿巖墻或天然焦，十采區(qū)有巖漿巖順斷層面侵入煤層現(xiàn)象。

2 正演模擬

將原生煤層、天然焦、天然焦與巖漿巖互層、巖漿巖連續(xù)存在的現(xiàn)象設(shè)計在同一模型中，采用專業(yè)正演模擬軟件進行模擬，分析正演模型中反射波的地震響應(yīng)特征。正演模型如圖1所示，模型中的物理參數(shù)見表1，經(jīng)過處理后得到的正演模擬時間剖面如圖2所示，地震時間剖面中巖漿巖侵入?yún)^(qū)段和天然焦區(qū)段交界會產(chǎn)生明顯的煤層反射同相軸錯斷，同時反射波主相位與輔助相位之間的時間差存在差異(巖漿巖侵入?yún)^(qū)的主輔相位間的時間差大于天然焦區(qū)段)，這是由于這些區(qū)段的巖石參數(shù)的改變引起橫向上縱波速度變化顯著。焦化區(qū)段與正常煤層交界區(qū)段反射波同相軸有輕微的振幅變化和波形變化，并未引起目的層反射波同相軸的錯斷和扭曲，為了更好地區(qū)分正常煤層與天然焦分布范圍，利用多個不同屬性進行分析。瞬時振幅剖面圖見圖3，從圖中可以看出正常煤層區(qū)、天然焦區(qū)、巖漿巖侵入?yún)^(qū)能夠較好地區(qū)分。

圖1 放大的正演模型

表1 正演模型物理參數(shù)

圖2 60 Hz子波疊前偏移疊加剖面

圖3 60 Hz子波瞬時振幅剖面

3 八采區(qū)巖漿巖侵入煤層后反射波屬性特性

3.1 三煤組被巖漿巖侵入后反射波特征

八采區(qū)三煤組被巖漿巖嚴(yán)重侵蝕，多個鉆孔揭露了巖漿巖體?？碧絽^(qū)聯(lián)井剖面圖見圖4，方框內(nèi)為巖漿巖侵入?yún)^(qū)域。由圖4可以看出，1004鉆孔被巖漿巖侵蝕，1019鉆孔揭露的煤層為正常煤層，巖漿巖侵入部分的煤層反射波變?nèi)?、頻率降低。在地震屬性響應(yīng)中，巖漿巖侵入部分與原生煤層直接接觸時，能量差異較大，從屬性平面圖中可以較好地區(qū)分巖漿巖侵入煤層范圍。

3.2 二2煤層被巖漿巖侵入后的反射波特征

八采區(qū)沒有鉆孔揭露巖漿巖侵入二2煤層的現(xiàn)象，但在2802工作面運輸巷的掘進過程中出現(xiàn)了巖漿巖侵入煤層現(xiàn)象。沿2802工作面運輸巷方向的地震時間剖面如圖5所示，圖中yj5處為揭露巖漿巖的位置，yj5右側(cè)部分為正常煤層區(qū)域。

由圖5可以看出，二2煤層反射波表現(xiàn)為雙相位，上相位較連續(xù)、反射波能量較一般；下相位連續(xù)性好、能量較強。層位標(biāo)定中，下相位為二2煤層構(gòu)造發(fā)育的主要反射波，在主相位上，被巖漿巖侵入部分與正常煤層部分的反射波波形特征基本一致。在巖漿巖侵入煤層部位，煤層反射波的上相位頻率變高、上下相位的時間差較大。

圖4 勘探區(qū)聯(lián)井剖面圖

圖5 2802工作面運輸巷時間剖面圖

二2煤層反射波屬性平面圖見圖6。

圖6 反射波屬性平面圖

反射波屬性平面圖如圖6所示。從圖6(a)中可以看出，巖漿巖侵入地段與正常煤層區(qū)域有一定的差異，其振幅能量減弱，能量值大小基本與斷層帶、資料品質(zhì)較差區(qū)域的能量值一致，但斷層帶呈線條狀，而巖漿巖侵入帶與資料品質(zhì)較差區(qū)域的形狀不規(guī)則。資料品質(zhì)較差區(qū)域形成的主要原因是地表障礙物的影響。通過炮檢位置分布圖可以進一步區(qū)分巖漿巖侵入體與資料品質(zhì)變差區(qū)域。

由圖6(b)可以看出，巖漿巖侵入地段與正常煤層區(qū)域差異較小。

4 地質(zhì)成果

利用煤層反射波均方根振幅值、炮檢位置關(guān)系、野外資料品質(zhì)分布圖、時間剖面上兩個相位的相對時差值大小綜合圈定了八采區(qū)二2煤層中的巖漿巖侵入煤層帶2處，侵入帶2在地震時間剖面中的反應(yīng)如圖7所示。其中，通過巷探揭露確定的巖漿巖侵入邊界與地震資料解釋邊界吻合，另外一處有待進一步驗證。

圖7 巖漿巖侵入帶2在地震時間剖面上的表現(xiàn)特征

5 結(jié)論

在無鉆孔資料揭露巖漿巖侵入煤層范圍的區(qū)域，不能有效應(yīng)用反演方法來確定巖漿巖侵入煤層邊界，但可以結(jié)合地震時間剖面上反射波(組)的特征變化、煤層反射波均方根振幅值、煤層反射波能量值大小、單炮記錄品質(zhì)分布圖來確定巖漿巖侵入煤層范圍，實際揭露驗證效果較好。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Exploratoryresearchoninterpretationofmagmaticrockintrusionrangeincoalseambyusingseismicdata

Tang Hongwei

(Xi'an Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

P631.4

A

湯紅偉. 地震資料解釋巖漿巖侵入煤層范圍的探索研究[J]. 中國煤炭，2017，43(9)：35-38. Tang Hongwei.Exploratory research on interpretation of magmatic rock intrusion range in coal seam by using seismic data[J]. China Coal, 2017, 43(9):35-38.

湯紅偉(1980-)，女，河南信陽人，博士，副研究員，畢業(yè)于煤炭科學(xué)研究總院西安研究院地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)在中國煤炭科工集團西安研究院從事地震勘探技術(shù)研究工作。