道間距和炮間距對陷落柱探測的影響

劉家豪，朱國維

中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083

陷落柱是一種較為復雜的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，在華北地區(qū)的大部分煤田中分布廣泛。陷落柱結(jié)構(gòu)特殊，大多埋藏于地下，出露于地表的很少。其分布具有大小不等、單獨出現(xiàn)、規(guī)律性差等特點，除直接塌陷至地表外，一般很難進行有效的地質(zhì)預測。陷落柱的存在不僅造成煤炭資源損失、影響采掘生產(chǎn)，而且可以為地下水提供導升通道，若是在近水體開采時容易引發(fā)突水潰沙災害，尤其是陷落柱的突水水源多為強大的奧灰水，突水后水量呈臺階狀跳躍式增長，迅猛異狀，其峰值可高達每小時數(shù)萬至數(shù)十萬立方米，嚴重威脅著礦井的安全[1-6]。

隨著三維地震的應用，對陷落柱探測的成功率得到提高，但實際應用時，常存在對陷落柱的錯判、誤判及地震解釋陷落柱大小與實際不同等問題。其主要原因除地震勘探方法受地形、地質(zhì)條件、處理方法、對陷落柱的地震響應特征研究還不夠等影響外，陷落柱勘探的觀測系統(tǒng)設(shè)計也是影響陷落柱勘探精度的一個重要方面。此外，常規(guī)煤田三維地震勘探中觀測系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，往往還要考慮施工效率、成本投入等因素。因此，針對陷落柱探測的觀測系統(tǒng)還有待優(yōu)化。

1 陷落柱形態(tài)特征及響應規(guī)律

國外地質(zhì)條件復雜的煤田很少開采，因此國外學者對煤礦陷落柱的關(guān)注及研究極少[7]，而對陷坑巖溶塌陷[8]的特征和形成原因方面，一些學者進行了研究。如Palmer[9]、Eeckhaut等[10]、Hatzor等[11]、Martinez等[12]認為，巖溶塌陷是巖溶發(fā)展史中的一部分。由于中國煤田地質(zhì)條件復雜，華北煤田陷落柱發(fā)育，因此可以借鑒國外巖溶塌陷的理論并結(jié)合我國華北陷落柱的特殊地質(zhì)環(huán)境及巖體結(jié)構(gòu)，進一步解釋陷落柱的成因機制。

華北各煤礦區(qū)實際揭露資料表明[13-20]，陷落柱的平面形狀各異，主要以橢圓形與似圓形最常見；剖面形狀多樣，華北型煤田中陷落柱的剖面形態(tài)多為圓錐狀；柱體高度差別顯著；柱體中心軸復雜多變；陷落柱內(nèi)部物質(zhì)具有多樣性[21-22]，主要由塌陷的巖體堆積而成。

經(jīng)過數(shù)值模擬、地震數(shù)據(jù)處理與敏感屬性提取，可以得到陷落柱一般特征規(guī)律，如圖1所示。

從圖1(a)中可以看出，煤層反射波能量很強且同相軸大致呈水平狀態(tài)，在突變點處煤層反射波同相軸下凹。有柱頂反射波的存在。突變點繞射波與煤層反射波相切，切點在陷落柱塌陷點；又由于柱體內(nèi)部被低速帶物質(zhì)所充填，繞射波進入低速介質(zhì)后，產(chǎn)生延遲繞射波。

在圖1(b)中，煤層反射波能量較強同相軸呈水平狀態(tài)。柱頂反射波縮短。突變點處的繞射波完全收斂，但是延遲繞射波因為時間的延遲性仍然存在。

在圖1(c)中，煤層反射波錯斷明顯，同相軸呈水平狀態(tài)；柱頂反射波收縮；突變點繞射波完全收斂，延遲繞射波收斂效果好于圖1(b)中延遲繞射波的收斂。

2 數(shù)值模擬及解釋方法

2.1 陷落柱地震地質(zhì)模型的參數(shù)設(shè)定

建立的模型中包括了煤層上覆砂巖地層、煤層、煤層下伏灰?guī)r地層、陷落柱。模型大小設(shè)為長1 000 m，深度為800 m，陷落柱為圓錐狀，柱頂為圓柱形，柱頂埋深150 m，侵入煤層的直徑為l00 m。如圖2所示。

2.2 模型物性參數(shù)的設(shè)定

通過查閱相關(guān)煤田地質(zhì)及煤田陷落柱資料[21，23-24]，煤層上覆砂巖、煤層及煤層下伏灰?guī)r的物性參數(shù)設(shè)計詳見表1。建立陷落柱模型時，考慮到陷落柱發(fā)育機理，柱底延至模型底部，柱底面寬200 m，縱波速度2 500 m/s，其他值用缺省值。模型長1 000 m，深800 m。

表1 地質(zhì)背景參數(shù)表

2.3 子波類型、邊界條件及計算方程

壓縮震源激發(fā)是一種常用的震源模型，采用中間放炮的激發(fā)方式。子波類型選用零相位的雷克子波，主頻設(shè)置為60 Hz。地面選擇自由邊界條件，底界面和側(cè)面邊界設(shè)置為吸收邊界條件，并且設(shè)置模型中的上行波不再向下反射到模型中。本文主要研究的是利用地震波場中的縱波對陷落柱的探測，因此選用聲波方程。

2.4 解釋方法

本文采用以下2種方法對陷落柱邊界進行解釋。

方法一是采用波形變面積時間剖面斷裂構(gòu)造解釋技術(shù)。通過對時間剖面的分析可知，當反射波組中斷或能量變?nèi)鯐r，其中斷點或能量變化位置即為陷落柱邊界的反映。

方法二是采用地震屬性分析與人工解釋相結(jié)合。地震屬性泛指有關(guān)地震波的幾何形態(tài)、動力學特征、運動學特征以及統(tǒng)計學特征，它是由疊加前或疊加后的地震數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)學變換而導出的，其中沒有任何其他類型數(shù)據(jù)的介入[25-26]。當?shù)卣鸩ㄓ龅较萋渲惓ｓw時，它的地震屬性發(fā)生明顯變化，依賴地震屬性能夠較好地識別陷落柱異常體。針對陷落柱特征，提取對陷落柱敏感的均方根屬性做進一步的分析刻畫。

3 模擬結(jié)果對比

3.1 改變道間距

依據(jù)單因素原則，選取炮間距為20 m，其余條件不變，考察只改變道間距的情況下地震數(shù)據(jù)采集觀測結(jié)果的變化。

本組新生兒均執(zhí)行產(chǎn)科常規(guī)護理,包括監(jiān)測、記錄新生兒體溫、體重、皮膚與呼吸有無異常等,當發(fā)現(xiàn)新生兒存在患病表現(xiàn)時,應及時給予病情監(jiān)護、生命體征監(jiān)護、給藥護理等。

(1) 道間距為5 m。如圖3所示，煤層反射波在91-113道振幅不大于正常煤層反射波振幅的一半，解釋的陷落柱直徑為110 m；若以煤層反射波的振幅變?nèi)觞c來確定陷落柱邊界，煤層反射波在91-115道處振幅減弱，解釋的直徑為120 m；在得到的均方根屬性圖中，通過解釋陷落柱直徑則為98 m。

圖3 道間距為5 m陷落柱解釋

(2) 道間距為10 m。如圖4所示，煤層反射波在45-57道振幅不大于正常煤層反射波振幅的一半，解釋的陷落柱直徑為 120 m；若以煤層反射波的振幅變?nèi)觞c來確定陷落柱邊界，煤層反射波在46-58道處振幅減弱，解釋的直徑為 120 m；在得到的均方根屬性圖中，解釋陷落柱直徑為97 m。

圖4 道間距為10 m陷落柱解釋

(3) 道間距為15 m。如圖5所示，煤層反射波在31-40道振幅不大于正常煤層反射波振幅的一半，解釋的直徑為135 m；若以煤層反射波的振幅變?nèi)觞c來確定陷落柱邊界，煤層反射波在30-39道處振幅減弱，解釋的直徑為135 m；在得到的均方根屬性圖中，解釋陷落柱直徑為95 m。

(4) 道間距為20 m。如圖6所示，煤層反射波在23-30道振幅不大于正常煤層反射波振幅的一半，解釋的直徑為 140 m；若以煤層反射波的振幅變?nèi)觞c來確定陷落柱邊界，煤層反射波在23-30道處振幅減弱，解釋的直徑為140 m；在得到的均方根屬性圖中，解釋陷落柱直徑為89 m。

圖6 道間距為20 m陷落柱解釋

由于平均值反映了測定數(shù)據(jù)的集中趨勢，因此各測定值域與平均值之間之差也就體現(xiàn)了精密度的高低。平均偏差越小，則探測精度越大。陷落柱橫向分辨率的平均偏差與陷落柱探測精度分析見表2。

表2 陷落柱探測精度分析

3.2 改變炮間距

依據(jù)單因素原則，選取道間距為5 m，其余條件不變，考察只改變炮間距的情況下地震數(shù)據(jù)采集的觀測結(jié)果。

圖7 炮間距為10 m陷落柱解釋

(2) 炮間距為20 m。如圖8所示，煤層反射波在91-113道振幅不大于正常煤層反射波振幅的一半，解釋的直徑為110 m；若以煤層反射波的振幅變?nèi)觞c來確定陷落柱邊界，煤層反射波在91-115道處振幅減弱，解釋的直徑為 120 m；在得到的均方根屬性圖中，解釋陷落柱直徑為98 m。

圖8 炮間距為20 m陷落柱解釋

(3) 炮間距為30 m。如圖9所示，煤層反射波在90-113道振幅不大于正常煤層反射波振幅的一半，解釋的直徑為115 m；若以煤層反射波的振幅變?nèi)觞c來確定陷落柱邊界，煤層反射波在89-115道處振幅減弱，解釋的直徑為130 m；在得到的均方根屬性圖中，解釋陷落柱直徑為110 m。

圖9 炮間距為30 m陷落柱解釋

(4) 炮間距為40 m。如圖10所示，煤層反射波在93-113道振幅不大于正常煤層反射波振幅的一半，解釋的直徑為100 m；若以煤層反射波的振幅變?nèi)觞c來確定陷落柱邊界，煤層反射波在92-117道處振幅減弱，解釋的直徑為115 m；在得到的均方根屬性圖中，解釋陷落柱直徑為104 m。

圖10 炮間距為40 m陷落柱解釋

(5) 炮間距為50 m。如圖11所示，煤層反射波在90-118道振幅不大于正常煤層反射波振幅的一半，解釋的直徑為140 m；以煤層反射波的振幅變?nèi)觞c來確定陷落柱邊界，煤層反射波在87-120道處振幅減弱，解釋的直徑為165 m；在得到的均方根屬性圖中，解釋陷落柱直徑為120 m。

圖11 炮間距為50 m陷落柱解釋

陷落柱探測精度分析見表3。

表3 陷落柱探測精度分析

4 誤差分析

從上述結(jié)果可以看出，從偏移剖面上解釋的陷落柱的直徑大小往往大于所設(shè)置模型大小，雖然當?shù)篱g距為5 m、炮間距為40 m時，解釋的陷落柱直徑大小精度最低，但是整體上還是偏大于設(shè)置的陷落柱侵入煤層的直徑。而以屬性解釋的陷落柱直徑是小于從時間剖面上解釋得出的陷落柱直徑，更加接近陷落柱實際直徑大小。因此，從這一方面也說明了地震屬性能夠較好地識別陷落柱異常體。

為了找出導致解釋誤差的原因，采用射線追蹤的方法。模擬時，模型及參數(shù)不變，炮點從陷落柱頂以250 m間隔向模型左側(cè)移動，共設(shè)3炮，以煤層為反射邊界(圖12)。

圖12 不同炮點位置射線特征

炮點1的射線路徑相對簡單，只有正常煤層反射波，如圖12(a)所示；當激發(fā)點為炮點2和炮點3時，如圖12(b)和圖12(c)所示，地表接收到的地震射線有正常煤層反射波、穿過陷落柱后在煤層發(fā)生反射的“透射—反射波”、煤層反射后穿過陷落柱體的“反射—透射波”。陷落柱的“透射—反射波”和“反射—透射波”是與陷落柱的特征有關(guān)的特征波，在時間上與正常煤層反射波相比有一個明顯的時間延遲，因此被稱為延遲反射波。延遲反射波結(jié)合延遲繞射波特征，是識別陷落柱的重要標志。而延遲反射波的存在可造成時間偏移過量，從而也可使偏移后的陷落柱解釋直徑增大[27]。

由圖12(b)和圖12(c)可知，在“反射—透射波”和“透射—反射波”之間有射線空白帶，這個空白帶包括了陷落柱直徑部分和部分煤層，因此解釋出來的陷落柱直徑的誤差增大。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)陷落柱地質(zhì)特征和地震響應特征以及解釋方法，對不同觀測系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，并通過射線追蹤對存在的解釋誤差進行了分析，得到以下結(jié)論：

(1) 道間距在5～20 m時，解釋得出的陷落柱直徑的平均偏差與道間距成正比，即陷落柱的探測精度隨著道間距的增大而降低。具體而言，利用反射波振幅變化特征解釋的陷落柱直徑隨道間距增大而變大，利用均方根屬性解釋的陷落柱直徑隨道間距增大則變小。因此，在勘探時不宜選用過大的道間距。

(2) 炮間距在10～50 m范圍內(nèi)，炮間距40 m時解釋的陷落柱直徑的平均偏差最小。因此，當?shù)篱g距為5 m、炮間距為40 m時，與其他不同道間距和炮間距對比，解釋得出的陷落柱直徑精度相對較高。

(3) 地震勘探中“反射—透射波”和“透射—反射波”之間存在射線空白帶，是造成解釋陷落柱直徑的誤差變大的主要原因。同時，延遲反射波的存在可造成時間偏移過量，從而使偏移后的陷落柱解釋直徑偏大。

(4) 陷落柱延遲反射波和延遲繞射波的存在，會造成斷陷點附近的正常反射波振幅改變，因此解釋陷落柱時范圍應該適當小于煤層反射波異常范圍。