煤田隱伏陷落柱空間形態(tài)地震屬性解釋方法

許玉瑩， 陳 強(qiáng)， 常鎖亮， 張 生， 張興平

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 太原 030024； 2.山西山地物探技術(shù)有限公司， 晉中 030600)

隱伏陷落柱指未發(fā)育至目標(biāo)煤層，僅發(fā)育于其底板下方巖層或灰?guī)r中(太灰或奧灰)的陷落柱[1]。由于其膠結(jié)程度低，裂隙發(fā)育，可能溝通奧灰?guī)r溶水、煤系含水層及地表水，易導(dǎo)致重大突水事故，而且具有很強(qiáng)的隱蔽性和突發(fā)性，嚴(yán)重影了煤炭的安全生產(chǎn)[2]。因此準(zhǔn)確識(shí)別隱伏陷落柱對(duì)于煤礦安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。

由于奧灰頂界面通常為平行不整合界面，波阻抗差異較小，反射波能量弱，導(dǎo)致隱伏陷落柱的地球物理特征不明顯，反射波法識(shí)別隱伏陷落柱難度較大。針對(duì)這一問(wèn)題，中外學(xué)者做了大量研究，總體來(lái)看，主要集中在以下3個(gè)方面：首先是地震采集和處理成像技術(shù)[3]，如采用寬方位采集和偏移距向量片(OVT)域地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，OVT域全方位地震數(shù)據(jù)體分辨率高于常規(guī)數(shù)據(jù)體，可以提高隱伏陷落柱的識(shí)別精度[4]；其次是多屬性綜合識(shí)別技術(shù)，如采用相干、混沌、波形差異、相位、振幅等對(duì)陷落柱異常敏感度較高的屬性進(jìn)行綜合識(shí)別[5-8]；三是對(duì)陷落柱成因地質(zhì)因素進(jìn)行分級(jí)，采用模糊層次分析法對(duì)其賦以權(quán)重，形成模糊評(píng)判體系，從而達(dá)到預(yù)測(cè)陷落柱位置或者靶區(qū)的目的[9]。以上研究有效地提高了隱伏陷落柱的識(shí)別率，并能夠在平面中識(shí)別陷落柱位置，但在識(shí)別過(guò)程中多采用沿煤層屬性或?qū)娱g屬性，多解性強(qiáng)，需要對(duì)所識(shí)別的陷落柱異常逐一排除，效率較低；此外，相干、方差、瞬時(shí)相位、波形差異等屬性雖然可反映陷落柱的陷落邊界、冒落高度等垂向特征，但屬性剖面中陷落邊界不清，解釋位置擺動(dòng)誤差較大，且無(wú)法判斷伴生斷裂發(fā)育情況[10]。

因此，現(xiàn)采用波形聚類(lèi)法綜合層間屬性和沿層屬性對(duì)陷落柱異常識(shí)別，通過(guò)異常疊加，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隱伏陷落柱的位置的自動(dòng)識(shí)別，提高隱伏陷落柱的解釋效率；其次，將斷層概率體屬性引入隱伏陷落柱識(shí)別，并將其與導(dǎo)向?yàn)V波后的數(shù)據(jù)體進(jìn)行融合，以精細(xì)刻畫(huà)陷落柱邊界、陷落高度及伴生斷裂發(fā)育特征。

1 方法原理

1.1 聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析的定義是將數(shù)據(jù)分組形成多個(gè)聚類(lèi)，同一個(gè)聚類(lèi)中，其對(duì)象之間具有較高的相似度，不同聚類(lèi)中，對(duì)象差別較大[11]。其流程如下：①數(shù)據(jù)篩選，篩選出準(zhǔn)確的、代表性的數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)特征分析和提煉；③聚類(lèi)算法選擇；④聚類(lèi)效果測(cè)評(píng)；⑤分析解釋聚類(lèi)結(jié)果。

研究采用分區(qū)聚類(lèi)算法中的K-means聚類(lèi)(K-means clustering)算法。具體計(jì)算流程為，將對(duì)象的數(shù)據(jù)集劃分為k個(gè)聚類(lèi)，給定初始聚類(lèi)的中心，計(jì)算各個(gè)聚類(lèi)中心與其他n-k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離，并將其歸并到距離最近的聚類(lèi)，則一次迭代完成，利用式(1)重新計(jì)算每個(gè)聚類(lèi)的中心：

(1)

式(1)中：Ci為聚類(lèi)中心的值；xi為樣本值；n為樣本個(gè)數(shù)；k為聚類(lèi)數(shù)；新的聚類(lèi)中心的值與上一次迭代的聚類(lèi)中心的值相等或方差小于某個(gè)閾值，則該算法收斂；反之則再次進(jìn)行迭代分析，直到算法收斂[12-13]。

在三維地震勘探中，屬性平面可矢量化為離散的數(shù)值x、y、z，通過(guò)地質(zhì)地震分析給定需要識(shí)別的地質(zhì)異常閾值。利用聚類(lèi)分析法計(jì)算時(shí)，需要優(yōu)化聚類(lèi)數(shù)目k，以形成最佳聚類(lèi)模型。優(yōu)化原則為當(dāng)聚類(lèi)結(jié)果達(dá)到屬性閾值，聚類(lèi)數(shù)目達(dá)到最優(yōu)。

1.2 斷層概率體屬性

斷層概率體屬性(fault likehood attributes)是基于相干屬性(coherence attributes)的一種地震屬性，計(jì)算表達(dá)式[14-15]為

F=1-S8

(2)

式(2)中:S為相干屬性主要表征相鄰地震道反射波形的相似性，其范圍為0～1，值越大表示相似程度越小[16-17]，F(xiàn)為斷層概率體；F取值范圍為0～1,值越大表示該處為斷層的概率越大[18]。相較于原相干屬性值，加大了F低值與高值之間的反差，更有利于凸顯斷裂異常。

相干屬性定義[18-19]為

(3)

式(3)中:d為三維地震數(shù)據(jù)體；s表示對(duì)括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向平滑濾波；f表示對(duì)斷層沿其走向和傾向進(jìn)行平滑濾波[18]。

在計(jì)算相干屬性前，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅增強(qiáng)處理，以增強(qiáng)相對(duì)較弱的反射振幅，基于增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)體，計(jì)算出傾角體，在相干屬性的提取過(guò)程中進(jìn)行傾角導(dǎo)向控制，從而提高其可靠性和準(zhǔn)確性。

基于增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)體，計(jì)算出應(yīng)用結(jié)構(gòu)向量G，結(jié)構(gòu)向量公式[17]為

(4)

式(4)中：v1、v2、v3為張量矩陣中的特征向量；λ1、λ2、λ3為張量矩陣中的特征值，該矩陣中特征值均為非負(fù)值，排序滿(mǎn)足λ1>λ2>λ3，故λ1為最大特征值，其對(duì)應(yīng)的特征向量v1表示分析單元內(nèi)法線方向所指示的最大變化率。

根據(jù)特征值和特征向量可計(jì)算出每一道地震數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的傾角和方位角，形成傾角體。傾角和方位角計(jì)算公式[20]為

(5)

(6)

式中:P(x,y,t)為傾角；Q(x,y,t)為方位角；v1x(x,y,t)、v1y(x,y,t)、v1t(x,y,t)分別為v1(x,y,t)在x、y、t方向的分量。

斷層概率體屬性在剖面中表現(xiàn)為連續(xù)的細(xì)線，該細(xì)線反映同相軸不連續(xù)點(diǎn)，在地質(zhì)上可解釋為斷裂邊界。斷層概率體與時(shí)間剖面疊合，可直觀反映陷落柱的陷落邊界、冒落高度和周邊伴生斷層發(fā)育情況，如圖1所示，圖1為地震剖面和斷層概率體的融合圖，其中圖1(b)中黑色細(xì)線即斷層概率體屬性，圖1中1號(hào)、2號(hào)異常為斷層，3號(hào)和4號(hào)異常均為陷落柱，其冒落高度特征明顯，且頂部均伴生小斷裂。

1.3 識(shí)別方法

基于以上原理，對(duì)隱伏陷落柱進(jìn)行識(shí)別，首先進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波，主要目的為保護(hù)和突出不連續(xù)點(diǎn)，以使得隱伏陷落柱的屬性特征更加明顯。在濾波的基礎(chǔ)上進(jìn)行相干屬性和斷層概率體屬性計(jì)算。

在屬性體的基礎(chǔ)上，識(shí)別流程主要分為兩方面，一方面為平面識(shí)別，另一方面為剖面分析。平面識(shí)別中主要采用波形聚類(lèi)方法對(duì)沿層和層間(奧灰與上組煤層之間)兩類(lèi)相干屬性平面進(jìn)行陷落柱識(shí)別，并將結(jié)果疊加，以達(dá)到快速篩選隱伏陷落柱的目的。聚類(lèi)數(shù)目是波形聚類(lèi)法的主要影響參數(shù)，不同的聚類(lèi)數(shù)識(shí)別效果差異較大，需對(duì)比分析，選取合適的聚類(lèi)數(shù)目。在剖面分析中，將斷層概率體屬性和地震濾波后地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行融合，對(duì)隱伏陷落柱進(jìn)行垂向展布及伴生斷裂等三維空間特征刻畫(huà)。在斷層概率體屬性計(jì)算過(guò)程中，采用不同閾值所識(shí)別的陷落柱尺度不同，對(duì)于中等尺度陷落柱采用主斷裂(閾值為0.96)，研究中所識(shí)別的主要為奧灰隱伏陷落柱，故采用了保留小斷層及裂縫的概率體(閾值為1)。識(shí)別流程如圖2所示。

1為斷層；2為斷層；3為隱落柱；4為隱伏陷落柱圖1 地震原始剖面、斷層概率體屬性與地震數(shù)據(jù)體融合剖面對(duì)比Fig.1 Comparison of original seismic section and co-rendering of seismic section and fault likehood attribute

圖2 隱伏陷落柱識(shí)別流程圖Fig.2 Identification of hidden collapse column

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沁水盆地西部、太岳山隆起的東南部，主要煤層為山西組1號(hào)煤層和太原組9+10號(hào)煤層，埋深500～900 m。開(kāi)采煤層為太原組9+10號(hào)煤層，奧灰頂界與9+10號(hào)煤層層間距約50 m。研究表明，該區(qū)存在眾多陷落柱，且發(fā)育特征明顯，呈一走向北東的條帶。其中部分陷落柱為奧灰隱伏陷落柱，因與所開(kāi)采的太原組9+10號(hào)煤層間距很小，存在極高的導(dǎo)水隱患，故查明奧灰隱伏陷落柱的分布及冒落高度對(duì)研究區(qū)突水治理至關(guān)重要。

2.2 隱伏陷落柱異常識(shí)別

為突出陷落異常，在進(jìn)行數(shù)據(jù)體屬性計(jì)算前，先對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波，如圖3所示，圖3(a)為原始剖面，圖3(b)為構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波后剖面，濾波后地震數(shù)據(jù)更加平滑，并且保存了信號(hào)的不連續(xù)性，使地震剖面不連續(xù)點(diǎn)更加容易識(shí)別，為識(shí)別陷落柱邊界提供了基礎(chǔ)。

圖3 原始地震時(shí)間剖面與濾波后時(shí)間剖面對(duì)比Fig.3 Comparison of original seismic section and filtered section

圖4 聚類(lèi)數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of cluster numbers

濾波后對(duì)數(shù)據(jù)體分別進(jìn)行相干屬性和斷層概率體屬性計(jì)算，提取沿層屬性和層間屬性，采用波形聚類(lèi)法對(duì)以上兩種屬性平面進(jìn)行陷落柱識(shí)別，而聚類(lèi)數(shù)影響聚類(lèi)效果，圖4為不同聚類(lèi)數(shù)識(shí)別結(jié)果對(duì)比，識(shí)別圖中相干值大于0.5的異常。圖4(a)為相干屬性平面，黑色箭頭所在位置異常小于0.5，圖4(b)～圖4(d)均識(shí)別出該異常，當(dāng)聚類(lèi)數(shù)為12時(shí)，識(shí)別結(jié)果可識(shí)別出閾值范圍內(nèi)異常。

在確定聚類(lèi)數(shù)的前提下，對(duì)在相干屬性體上提取層屬性，圖5(a)為10號(hào)煤層沿層屬性平面，圖5(b)為奧灰頂界面與9+10號(hào)煤層層間屬性平面，采用聚類(lèi)分析法分別對(duì)這兩個(gè)屬性平面中的陷落柱進(jìn)行識(shí)別。聚類(lèi)數(shù)選取優(yōu)化的聚類(lèi)數(shù)12，如圖5(c)、圖5(d)所示，屬性平面中所有陷落柱均識(shí)別出，其中包括部分線性構(gòu)造如斷層。圖5(e)將沿層和層間識(shí)別出的陷落柱進(jìn)行疊合，其中藍(lán)色為9+10號(hào)煤層沿層陷落柱識(shí)別結(jié)果，紅色為奧灰頂界面至9+10號(hào)煤層的層間陷落柱識(shí)別結(jié)果，奧灰隱伏陷落柱(未陷落至9+10號(hào)煤層的陷落柱)表現(xiàn)為紅色且未被藍(lán)色覆蓋的陷落柱，從圖5(e)中可確定8個(gè)疑似隱伏陷落柱，通過(guò)剖面對(duì)比，確定7個(gè)為奧灰隱伏陷落柱，如圖5(f)所示。隱伏陷落在平面中呈北東向條帶狀，與陷落柱整體發(fā)育規(guī)律一致。如采用編程進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別可大大提高隱伏陷落柱的識(shí)別效率。

圖5 屬性平面圖及隱伏陷落柱圖像識(shí)別Fig.5 Attribute plan and image recognition of hidden collapse column

在確定隱伏陷落柱平面位置的基礎(chǔ)上，結(jié)合剖面分析其垂向發(fā)育情況，圖6為過(guò)陷落柱X3、X4、X5的任意時(shí)間剖面和屬性剖面對(duì)比。圖6中，T1為1號(hào)煤層反射波，T10為9+10號(hào)煤層反射波，To2為奧灰頂界面反射波。圖6(a)為濾波后的時(shí)間剖面，陷落柱剖面特征明顯，但發(fā)育形態(tài)和邊界不明顯；圖6(b)為相干屬性剖面，可直觀顯示波形不連續(xù)點(diǎn)，但陷落柱發(fā)育形態(tài)和冒落高度不明顯；圖6(c)為波形差異屬性剖面，可反映異常位置，但無(wú)法直觀判斷陷落柱發(fā)育形態(tài)和陷落邊界；圖6(d)為瞬時(shí)屬性剖面，從剖面中可大致判斷出陷落柱陷落邊界；圖6(e)為斷層概率體屬性剖面，剖面中3個(gè)隱伏陷落柱發(fā)育形態(tài)和冒落高度清晰，X3、X4、X5發(fā)育形態(tài)均為錐形，冒落高度均至9+10號(hào)煤層底板下部，其中X3和X5頂部伴生小斷裂，貫穿9+10號(hào)煤層，X4頂部無(wú)伴生斷裂。圖6(f)為斷層概率體屬性和時(shí)間剖面融合顯示，可直觀顯示陷落柱垂向邊界形態(tài)、陷落高度及伴生斷裂特征陷落發(fā)育形態(tài)，在剖面解釋過(guò)程中可提高解釋效率和精度。通過(guò)對(duì)比認(rèn)為斷層概率體屬性與時(shí)間剖面融合，可在解釋過(guò)程中直觀刻畫(huà)陷落柱的發(fā)育形態(tài)，冒落高度及伴生斷裂發(fā)育情況。

圖6 地震原始剖面、多種屬性剖面及時(shí)間剖面與斷層概率體屬性疊合Fig.6 Seismic section and variety of different attribute section and co-rendering of seismic section and fault likehood attribute

結(jié)合平面和剖面共識(shí)別隱伏陷落柱7個(gè)，其中6個(gè)頂部存在伴生斷裂，存在導(dǎo)水性可能，為礦方安全、高效生產(chǎn)提供地質(zhì)依據(jù)。

由此可見(jiàn)，通過(guò)平面快速篩選出隱伏陷落柱，結(jié)合融合后的剖面分析隱伏陷落柱發(fā)育情況的隱伏陷落解釋手段，在隱伏陷落柱發(fā)育區(qū)可大大提高隱伏陷落柱解釋的精度和效率。

3 結(jié)論

通過(guò)理論分析與實(shí)例應(yīng)用得出如下結(jié)論。

(1)采用波形聚類(lèi)法分別識(shí)別沿層和層間相干屬性平面中的陷落柱，將結(jié)果進(jìn)行疊加可快速篩選出隱伏陷落柱平面分布規(guī)律，直接形成隱伏陷落柱平面圖，有利于陷落柱分布的宏觀認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)合理布置工作面。

(2)采用構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波處理以及數(shù)據(jù)體融合技術(shù)將斷層概率體屬性和地震數(shù)據(jù)體融合，在剖面中陷落邊界及伴生斷裂顯示為纖細(xì)的線，可在剖面中精細(xì)刻畫(huà)隱伏陷落柱垂向邊界形態(tài)、陷落高度及伴生斷裂特征，同時(shí)可進(jìn)行隱伏陷落柱的自動(dòng)解釋?zhuān)瑴p少擺動(dòng)誤差。

(3)采用平面快速篩選，結(jié)合剖面精確分析的方法識(shí)別隱伏陷落柱，可較大程度提高解釋精度和效率。這兩個(gè)過(guò)程均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，為隱伏陷落柱的識(shí)別提供了新的途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。