煤層層滑構(gòu)造地球物理特征及預(yù)測方法

孫常長，孟凡彬

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039；2.中國煤炭地質(zhì)總局物探研究院，河北涿州 072750)

0 引 言

層滑構(gòu)造指地層中軟弱夾層(煤層、頂?shù)装迥鄮r、砂質(zhì)泥巖)與其圍巖產(chǎn)生滑動產(chǎn)生的一種地質(zhì)現(xiàn)象。層滑構(gòu)造將會造成周邊巖體在應(yīng)變、物性參數(shù)的變化[1-5]?；幢蹦车V在實際開采中，遇到層滑構(gòu)造所帶來的地質(zhì)問題，影響了煤礦的安全開采。其主要特征有：煤層厚度變化大，局部有突變，形成薄煤帶甚至無煤帶，給開采帶來一系列不安全因素[5-6]；另外因為構(gòu)造應(yīng)力，破壞了煤層固有結(jié)構(gòu)，造成煤層賦存變化，瓦斯突出危害增大，給煤礦安全開采帶來巨大隱患[6-7]。因此，研究層滑構(gòu)造主導(dǎo)下煤層厚度變化及其賦存規(guī)律一直是煤礦安全生產(chǎn)方面的重要課題。本文以研究煤層厚度變化導(dǎo)致的煤層反射波地震響應(yīng)特征為切入點，結(jié)合煤層厚度變化的主控因素——層滑構(gòu)造，基于地質(zhì)、測井等成果約束下的地震多屬性分析，經(jīng)過信息融合解釋研究區(qū)主采煤層厚度變化規(guī)律，探索出一種利用三維地震信息判別層滑構(gòu)造導(dǎo)致煤層厚度變化的方法,從而研究構(gòu)造煤發(fā)育范圍的方法，為瓦斯(煤層氣)研究提供技術(shù)手段[2-4,8-19]。

1 層滑構(gòu)造的地質(zhì)特征

層滑構(gòu)造是在構(gòu)造作用下 ，煤系地層中軟巖層與圍巖發(fā)生滑動，這種滑動面角度一般比較小，但其沿滑動面產(chǎn)生的形變將導(dǎo)致煤層厚度、煤質(zhì)發(fā)生變化，從而形成構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)、瓦斯富集區(qū)，致使地質(zhì)災(zāi)害隱患加大[2-4，12]。

煤礦中，其形態(tài)可分為揉皺型、斷裂型及其組合型。揉皺型可細(xì)分為底滑頂褶式、頂滑底褶式、層內(nèi)滑褶式、穿刺構(gòu)造等；斷裂型可分為底斷頂不斷、頂斷底不斷、頂?shù)捉詳啵唤M合型分為書斜式、階梯狀、“y”與反“y”字形。[2-4，8,12]

1.1 揉皺型層滑構(gòu)造

揉皺型層滑構(gòu)造是以煤層作為滑動帶，以煤層上、下圍巖為滑脫面，形成波狀起伏態(tài)，煤層發(fā)生塑性形變或者黏性形變。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，原生結(jié)構(gòu)煤層受破壞，煤厚突變形成，形態(tài)各異。圖1為淮北某礦實際開采遇到的揉皺性層滑構(gòu)造地質(zhì)剖面示意圖，其頂板比較穩(wěn)定未發(fā)生明顯形變，但底板形變較大，從而導(dǎo)致煤厚變化極大。[2-4，8,12]

圖1 淮北某礦揉皺型層滑構(gòu)造剖面示意圖Figure 1 A schematic diagram of kneading interlayer gliding tectonics section in a Huaibei coalmine

1.2 斷裂型層滑構(gòu)造

在煤系地層中，斷裂型層滑構(gòu)造一般是指煤層與頂?shù)装鍑鷰r間的層滑面與圍巖斷裂面在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生滑動所形成的類型，限于煤層、煤系地層之內(nèi)。具體表現(xiàn)為層滑面呈脆性變形，滑脫面較為明顯，斷裂面發(fā)育在煤層中，有時斷裂面與滑脫面合二為一，常發(fā)育于煤層頂板或底板。圖2為淮北某礦實際開采過程中所遇到的斷裂型層滑構(gòu)造剖面示意圖。分析可以初步得出結(jié)論：煤層與圍巖力學(xué)參數(shù)差異大，這是斷裂型層滑構(gòu)造產(chǎn)生的條件之一。其圍巖為硬巖，煤層為軟巖，在層滑作用下產(chǎn)生脆性斷裂，形成斷裂滑動面，并伴有牽引現(xiàn)象，滑動帶的煤厚劇變[2-4，8,12]。

圖2 淮北某礦斷裂型層滑構(gòu)造剖面示意圖Figure 2 A schematic diagram of faulting interlayer gliding tectonics section in a Huaibei coalmine

2 煤層層滑構(gòu)造地震特征

選取研究區(qū)833工作面機巷作為研究對象，分析研究區(qū)揭露煤層層滑構(gòu)造發(fā)育的地震響應(yīng)特征。首先選取833工作面部分機巷(圖3)，從圖中可以看出：剖面AB段煤層較穩(wěn)定，煤層厚度較大，煤層厚度6.6～7.3m；剖面BC段煤層厚度相對較薄，為1.6～3.3m。從AB段至BC段，煤層變薄且變化較大。從巷道實際資料分析可知圖3右半部分為層滑構(gòu)造區(qū)域，其地質(zhì)特征為為煤層厚度變薄且不穩(wěn)定，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，有的煤被密集的次生裂隙相互交切成碎塊、?；蚍勰?。

圖3 833工作面煤層實際揭露地質(zhì)剖面示意圖Figure 3 A schematic diagram of working face No.833 actually revealed coal geological section

基于研究區(qū)三維地震數(shù)據(jù)，分析833工作面部分機巷地震剖面(圖4)。從圖中可以看出，AB段，是煤層穩(wěn)定的區(qū)域，煤層反射波整體比較穩(wěn)定，連續(xù)性好，信號能量強、瞬時頻率高及瞬時相位穩(wěn)定；BC段，煤層厚度變薄且不穩(wěn)定，煤層反射波連續(xù)性差、不穩(wěn)定，信號能量弱，瞬時頻率減小，瞬時相位不穩(wěn)定，局部有突變現(xiàn)象。結(jié)合地質(zhì)特征分析，地震信息的變化是由層滑構(gòu)造導(dǎo)致煤層性質(zhì)發(fā)生了變化，即煤層AB段與BC段在原生結(jié)構(gòu)上已發(fā)生了質(zhì)變，使得BC段煤層信號能量變?nèi)?、瞬時頻率降低、瞬時相位發(fā)生變化。也即是說層滑構(gòu)造造成了AB段與BC段煤層反射波能量有差異。AB段為原生煤反射穩(wěn)定， BC段煤層為破碎的構(gòu)造煤，地震波頻率、能量及相位均發(fā)生了變化。

圖4 833工作面揭露段對應(yīng)煤層地震剖面響應(yīng)Figure 4 Working face No.833 revealed sector corresponding coal seam seismic section response

由833工作面機巷部分揭露段對應(yīng)煤層地震剖面響應(yīng)的特征分析可知：當(dāng)煤層厚度變化與構(gòu)造煤發(fā)育時，煤層反射波的“三瞬”屬性也發(fā)生變化，其它相關(guān)屬性也會發(fā)生變化。下面利用地震屬性分析煤厚變化的主控因素——層滑構(gòu)造，為利用地震屬性圈定層滑構(gòu)造區(qū)，研究區(qū)內(nèi)煤層厚度變化的規(guī)律提供理論依據(jù)。

3 煤層層滑構(gòu)造地震信息特征

工作面機巷上有三個鉆孔：7-x-2、qd11-4和7-x-3；揭露的煤厚分別是4.17、1.15和4.48m；煤質(zhì)特征分別是條帶狀結(jié)構(gòu)的塊煤(原生結(jié)構(gòu))、粉末狀結(jié)構(gòu)(構(gòu)造煤為主)、粉末狀結(jié)構(gòu)(構(gòu)造煤為主)，如圖5所示。基于研究區(qū)地震數(shù)據(jù)，選取833工作面機巷地震剖面進(jìn)行屬性分析(圖6)。

圖5 833工作面機巷煤層厚度變化剖面示意圖Figure 5 A schematic diagram of working face No.833 engine roadway coal thickness variation section

圖6 833工作面機巷煤層反射地震響應(yīng)特征示意圖Figure 6 A schematic diagram of working face No.833 engine roadway coal reflection seismic response features

3.1 反射波振幅類屬性數(shù)據(jù)

先提取過鉆孔7-x-2、qd11-4和7-x-3孔的833工作面巷道的地震資料，提取煤層反射波屬性數(shù)據(jù)，時窗大小為煤層上下10ms。分別進(jìn)行主振幅屬性、均方根振幅屬性以及振幅最大值屬性分析，研究地震振幅類屬性與煤層厚度變化的主控因素——層滑構(gòu)造之間的關(guān)系。

3.1.1 主振幅屬性

提取主采煤層反射波主振幅信息數(shù)據(jù)，分析地震數(shù)據(jù)中主振幅屬性規(guī)律(圖7)。圖中煤層穩(wěn)定區(qū)是地震反射主振幅的紅色能量區(qū)，最小值為84 917，最大值134 716；煤層不穩(wěn)定區(qū)即由于層滑構(gòu)造造成的煤層破碎區(qū)是地震反射主振幅的白色能量區(qū)域，最小值為22 670，最大值84 917，強弱區(qū)別明顯。主振幅強區(qū)里，有一個鉆孔7-x-2，煤厚4.17，煤質(zhì)穩(wěn)定不破碎(原生煤)；主振幅弱區(qū)里，有兩個鉆孔qd11-4和7-x-3，煤厚不穩(wěn)，煤質(zhì)破碎(構(gòu)造煤)。

圖7 煤層反射地震信息提取的主振幅屬性Figure 7 Coal reflection seismic information extracted predominant amplitude attribute

3.1.2 均方根振幅屬性

提取主采煤層反射波均方根振幅信息數(shù)據(jù)，分析地震數(shù)據(jù)中均方根振幅屬性規(guī)律(圖8)。圖中煤層穩(wěn)定區(qū)是地震反射均方根振幅的紅色能量區(qū)，最小值為7 692，最大值134 101；煤層不穩(wěn)定區(qū)即由于層滑構(gòu)造造成的煤層破碎區(qū)是地震反射均方根振幅的白色能量區(qū)域，最小值為2 224，最大值7 692，強弱區(qū)別明顯。均方根振幅強區(qū)里，有一個鉆孔7-x-2，煤厚4.17，煤質(zhì)穩(wěn)定不破碎(原生煤發(fā)育)；均方根振幅弱區(qū)里，有兩個鉆孔qd11-4和7-x-3，煤厚不穩(wěn)，煤質(zhì)破碎(構(gòu)造煤發(fā)育)。

圖8 煤層反射地震信息提取的均方根振幅屬性Figure 8 Coal reflection seismic information extracted root-mean-square amplitude attribute

3.1.3 振幅最大值屬性

提取主采煤層反射波振幅最大值信息數(shù)據(jù)，分析地震數(shù)據(jù)中振幅最大值屬性規(guī)律(圖9)。圖中煤層穩(wěn)定區(qū)是地震反射主振幅的紅色能量區(qū)，最小值為12 020，最大值20 122；煤層不穩(wěn)定區(qū)即由于層滑構(gòu)造造成的煤層破碎區(qū)是地震反射主振幅的白色能量區(qū)域，最小值為3 917，最大值12 020，強弱區(qū)別明顯。振幅最大值強區(qū)里，有一個鉆孔7-x-2，煤厚4.17，煤質(zhì)穩(wěn)定不破碎(原生煤)；振幅最大值弱區(qū)里，有兩個鉆孔qd11-4和7-x-3，煤厚不穩(wěn)，煤質(zhì)破碎(構(gòu)造煤)，為構(gòu)造煤發(fā)育。煤層穩(wěn)定區(qū)域(原生煤)反射波振幅最大值屬性值大于煤層破碎區(qū)(構(gòu)造煤發(fā)育區(qū))振幅最大值屬性值。

圖9 煤層反射地震信息提取的振幅最大值屬性Figure 9 Coal reflection seismic information extracted amplitude peak value attribute

根據(jù)上述鉆孔內(nèi)8煤層成果分析，鉆孔7-x-2處8煤為原生煤(構(gòu)造欠發(fā)育)，在833工作面機巷8煤層反射波地震振幅類屬性圖中均分布在紅色高能量區(qū)；qd11-4孔和7-x-3孔8煤為構(gòu)造煤，在833機巷8煤層反射波地震振幅屬性圖中均分布在白色低能量區(qū)。

3.2 煤層反射波頻率類屬性

通過提取過鉆孔7-x-2、qd11-4和7-x-3孔的833工作面巷道的地震資料，分析煤層反射波頻率類屬性數(shù)據(jù)，時窗大小為以煤層為中心20ms。主要分析以下幾個屬性與煤層厚度變化的主控因素——層滑構(gòu)造之間的關(guān)系。

3.2.1 主頻能量屬性

提取主采煤層反射波主頻能量信息數(shù)據(jù)，分析地震數(shù)據(jù)中主頻能量屬性規(guī)律(圖10)。煤層穩(wěn)定區(qū)是地震反射主頻能量的紅色能量區(qū)；煤層不穩(wěn)定區(qū)即由于層滑構(gòu)造造成的煤層破碎區(qū)是地震反射主頻能量的白色能量區(qū)域。主頻能量強區(qū)里，煤質(zhì)穩(wěn)定不破碎(原生煤)；主頻能量弱區(qū)里，煤厚不穩(wěn)，煤質(zhì)破碎(構(gòu)造煤)，為構(gòu)造煤發(fā)育。煤層穩(wěn)定區(qū)域(原生煤)反射波主頻能量屬性值大于煤層破碎區(qū)(構(gòu)造煤發(fā)育區(qū))振幅最大值屬性值，這也為利用主頻能量屬性分析瓦斯(煤層氣)提供了依據(jù)。

圖10 地震剖面與煤層反射波主頻能量屬性Figure 10 Seismic section and coal reflection wave predominant frequency energy attribute

3.2.2 吸收系數(shù)屬性

同樣，按照上述方法提取主采煤層反射波吸收系數(shù)信息數(shù)據(jù)(圖11)，地震表征的規(guī)律特征是構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)的吸收系數(shù)大于構(gòu)造煤欠發(fā)育區(qū)的吸收系數(shù)。

圖11 地震剖面與煤層反射波吸收系數(shù)屬性Figure 11 Seismic section and coal reflection wave adsorption coefficient attribute

3.2.3 譜分解

根據(jù)煤層主頻的特征，進(jìn)行了30～70Hz的譜分解數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)體間隔為10Hz。提取完分頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)的匹配分析，相應(yīng)的地震剖面數(shù)據(jù)信息如圖12所示?？梢钥闯觯好簩臃€(wěn)定區(qū)(原生煤發(fā)育區(qū))，鉆孔7-x-2鉆遇煤層煤質(zhì)完好，未發(fā)生破壞，煤層反射波整體比較穩(wěn)定，連續(xù)性好，信號能量強、瞬時頻率高及瞬時相位穩(wěn)定，煤層反射波主頻較寬，可達(dá)60Hz；煤層厚度不穩(wěn)定區(qū)(構(gòu)造煤發(fā)育區(qū))，鉆孔qd11-4、7-x-3可見煤厚變化大，煤質(zhì)破碎，煤層反射波連續(xù)性差、不穩(wěn)定，信號能量弱，瞬時頻率減小，瞬時相位不穩(wěn)定，局部有突變現(xiàn)象，煤層反射波高頻成分吸收厲害，高頻成分能量劇烈衰減到遠(yuǎn)小于60Hz。因此，利用譜分解技術(shù)可以識別構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，進(jìn)而劃分研究區(qū)內(nèi)層滑構(gòu)造分布范圍。

由實際揭露的地質(zhì)資料作為對比的依據(jù)，通過已知主采煤層相應(yīng)的地震數(shù)據(jù)信息的提取，進(jìn)而研究了層滑構(gòu)造所造成的煤層地震響應(yīng)的特征規(guī)律，從以上材料的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出，煤層穩(wěn)定區(qū)(原生煤)(鉆孔7-x-2實際揭露)與層滑構(gòu)造運動造成的煤層不穩(wěn)定區(qū)(構(gòu)造煤)在地球物理響應(yīng)上有具有明顯的差異，如振幅與頻率方面。在振幅類屬性方面，煤層穩(wěn)定區(qū)域(原生煤)振幅類屬性值大于煤層破碎區(qū)(構(gòu)造煤發(fā)育區(qū))振幅類屬性值。在頻率域?qū)傩苑矫?，煤層穩(wěn)定區(qū)域(原生煤)頻率屬性值大于煤層破碎區(qū)(構(gòu)造煤發(fā)育區(qū))頻率屬性值。煤層穩(wěn)定區(qū)域(原生煤)主頻能量屬性值高于煤層破碎區(qū)(構(gòu)造煤發(fā)育區(qū))主頻能量值，煤層穩(wěn)定區(qū)域(原生煤)吸收系數(shù)低于煤層破碎區(qū)(構(gòu)造煤發(fā)育區(qū))吸收系數(shù)值。針對煤層主頻特征進(jìn)行的30～70Hz，間隔10Hz譜分解數(shù)據(jù)提取分析可得出煤層穩(wěn)定區(qū)域(原生煤)反射波頻譜較寬，煤層破碎區(qū)(構(gòu)造煤發(fā)育區(qū))高頻成分能量在調(diào)諧頻率較高時劇烈衰減，高、低振幅能量分布特征明顯，可以利用頻率特征區(qū)分原生煤發(fā)育區(qū)與構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)。

經(jīng)過對研究區(qū)833機巷8煤層進(jìn)行地震屬性分析，結(jié)果顯示煤層穩(wěn)定區(qū)(原生煤)(鉆孔7-x-2實際揭露)與層滑構(gòu)造運動造成的煤層不穩(wěn)定區(qū)(構(gòu)造煤)在地震響應(yīng)上會產(chǎn)生明顯差異 (如振幅類屬性和頻率類屬性)， 與實際地質(zhì)資料理論相吻合，為利用三維地震資料進(jìn)行疊后地震多屬性提取、分析，圈定煤層厚度變化的主控因素——層滑構(gòu)造區(qū)域，解釋煤層厚度變化規(guī)律提供了有力的理論與技術(shù)支撐。

圖12 煤層反射波30～70Hz譜分解剖面Figure 12 Coal reflection wave 30～70Hz spectral decomposition section

4 層滑構(gòu)造地球物理預(yù)測方法

基于層滑構(gòu)造所產(chǎn)生的煤厚變化及地震響應(yīng)變化的規(guī)律，進(jìn)行多信息融合技術(shù)預(yù)測層滑構(gòu)造區(qū)。主要是利用譜矩法與波阻抗進(jìn)行煤層厚度聯(lián)合反演，分析區(qū)域內(nèi)煤層厚度變化規(guī)律；同時利用振幅、頻率等多屬性融合分析，劃分煤層構(gòu)造煤發(fā)育帶，進(jìn)而聯(lián)合圈定層滑構(gòu)造區(qū)域，同時為解釋煤層厚度變化規(guī)律提供依據(jù)。

首先對研究區(qū)進(jìn)行屬性分析及多屬性融合，劃分構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，結(jié)果如圖13所示。從圖中可以看出，紅色區(qū)域是原生煤發(fā)育區(qū)，代表煤層比較穩(wěn)定；白色區(qū)域是煤層不穩(wěn)定區(qū)，代表煤層構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，也是瓦斯(煤層氣)集中區(qū)。

圖13 研究區(qū)原生煤與構(gòu)造煤分布示意圖Figure 13 A schematic diagram of primary coal and tectonoclastic coal distribution in study area

其次是基于研究區(qū)煤層厚度變化反演結(jié)果與構(gòu)造煤發(fā)育情況，結(jié)合區(qū)內(nèi)斷層資料，圈定煤層厚度變化的主控因素——層滑構(gòu)造，如圖14所示。從圖中可以看出：研究區(qū)發(fā)育煤層的層滑構(gòu)造區(qū)12處，形成三個條帶狀層滑構(gòu)造區(qū)，南部層滑構(gòu)造1-2-7-8-9-10帶、中部層滑構(gòu)造3-5-11帶和北部層滑構(gòu)造4-12帶。層滑構(gòu)造區(qū)域基本處在構(gòu)造煤發(fā)育與欠發(fā)育的邊界，與構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)吻合較好。

圖14 研究區(qū)多信息融合煤層層滑構(gòu)造分布示意圖Figure 14 A schematic diagram of multi-information integrated coal seam interlayer gliding tectonics distribution in study area

5 結(jié)語

基于鉆孔與巷道揭露資料分析，確認(rèn)層滑構(gòu)造能夠?qū)е旅簩臃瓷洳ǖ倪\動學(xué)、動力學(xué)特征發(fā)生變化，利用多信息融合技術(shù)解釋煤層厚度與識別構(gòu)造煤發(fā)育范圍，展現(xiàn)了研究區(qū)內(nèi)煤層厚度變化與構(gòu)造煤發(fā)育存在內(nèi)在聯(lián)系，研究結(jié)果表明： 研究區(qū)8煤層厚度變化區(qū)與該煤層構(gòu)造煤區(qū)基本一致。主要分布在西南部，表明研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育是煤層厚度變化的主要因素，而區(qū)內(nèi)主要的構(gòu)造類型為層滑構(gòu)造，因此研究區(qū)內(nèi)層滑構(gòu)造為煤層厚度變化的主控因素，從而為地震資料預(yù)測煤層中層滑構(gòu)造提供了技術(shù)依據(jù)。