煤礦采空區(qū)四維地震特征分析及識(shí)別方法：以淮南煤田張集礦區(qū)為例

苑 昊，劉佳朋，姜在興

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院, 北京 100083;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

0 引 言

隨著煤層的連續(xù)開采，煤礦底下會(huì)形成采空區(qū)；如果不對(duì)采空區(qū)進(jìn)行加固和回填，經(jīng)過一定時(shí)間后，采空區(qū)上覆地層則會(huì)因重力作用而塌陷，從而導(dǎo)致地面沉降。煤礦采空區(qū)塌陷不僅會(huì)嚴(yán)重破壞煤礦的巖體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重制約深部煤炭資源的開采，而且容易造成煤礦安全生產(chǎn)事故發(fā)生，在生態(tài)環(huán)境中導(dǎo)致地面塌陷、村莊房屋坍塌裂損、地下水位下降等破壞，給人們生活和生命安全帶來隱患。近年來，由于地下煤炭資源的不斷挖掘，我國煤礦采空區(qū)的數(shù)量越來越多，面積也越來越大[1]，煤礦采空區(qū)的有效探測是一個(gè)亟待解決的地質(zhì)問題。

自20世紀(jì)80年代以來，針對(duì)煤礦采空區(qū)探測問題，已進(jìn)行了多種地球物理探測方法研究，如重磁勘探、電法勘探、地震勘探等方法[2]。王芳[3]采用重磁勘探中的歐拉反褶積方法探測煤礦采空區(qū)，并獲得了良好的應(yīng)用效果。但是由于該方法計(jì)算復(fù)雜且具有一定的局限性，從而阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展[4]。易兵等[5]利用高密度電法對(duì)煤礦采空區(qū)探測進(jìn)行了研究，也取得了一定效果。但是由于電法勘探在準(zhǔn)確識(shí)別采空區(qū)的邊界及空間賦存規(guī)模方面難以達(dá)到地質(zhì)任務(wù)的要求，同時(shí)受探測深度的影響，電法勘探的廣泛應(yīng)用受到限制[6-8]。近年來，三維地震勘探技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煤礦采空區(qū)探測，并取得了很多研究成果[9-11]。然而，三維地震探測方法在靜態(tài)時(shí)間地震數(shù)據(jù)上，只能定性確定采空區(qū)位置，無法準(zhǔn)確圈定采空區(qū)的邊界和塌陷范圍[1]。為了解決這一問題，筆者提出了一種基于四維地震特征的煤礦采空區(qū)識(shí)別方法，該方法利用四維地震剖面分析采空區(qū)引起的地震特征差異，通過地震解釋定量圈定采空區(qū)邊界。

四維地震勘探是20世紀(jì)80年代初期產(chǎn)生、90年代得到迅速發(fā)展的一種現(xiàn)代油氣藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法。它是利用時(shí)移前后地震資料的屬性差異研究油藏隨時(shí)間變化的規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣藏的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，提高采收率[12]。四維地震數(shù)據(jù)可以揭示油藏地質(zhì)和工程信息，如流體接觸運(yùn)動(dòng)，流體流動(dòng)的障礙和擋板，以及用于填充鉆井的旁路油等。因此，利用四維地震數(shù)據(jù)可優(yōu)化油藏管理和提高生產(chǎn)效率[13-15]。與油藏開發(fā)一樣，煤礦采空區(qū)從形成到塌落也是一個(gè)較長的變化過程，隨著地下煤層的不斷開采，其地震反射特征也會(huì)隨之改變。因此，采用四維地震探測方法能夠監(jiān)測地下煤層的變化情況，有助于預(yù)防和治理采空塌落引起的地質(zhì)災(zāi)害[1]。本文以淮南煤田張集煤礦為靶區(qū)，開展采空區(qū)探測方法研究。從模型驅(qū)動(dòng)入手，通過建立煤層動(dòng)采前后的地質(zhì)模型并進(jìn)行正演模擬，利用模型數(shù)據(jù)處理獲得的地震偏移剖面分析采空區(qū)引起的地震特征差異，以此指導(dǎo)查明實(shí)際煤礦采空區(qū)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

淮南煤田位于華北板塊南緣，東起郯廬斷裂，西至阜陽，北抵明龍山和上窯一帶，南止舜耕山和八公山。東西延展平均長約180 km，南北平均寬約20 km，面積約3 600 km2(圖1)。淮南煤田呈復(fù)向斜形態(tài)，軸向 NWW—EW，復(fù)向斜兩翼低山殘丘出露有前震旦系變質(zhì)巖和震旦系—奧陶系石灰?guī)r。向斜軸部地形平坦開闊，以石炭系、二疊系地層為主，掩蓋在新生界松散層之下，地層平緩，傾角一般為5°～20°，由一系列寬緩褶曲組成，自南向北的謝橋古溝向斜、陳橋背斜、潘集背斜為其主要構(gòu)造單元[16-18]。

圖1 淮南煤田張集煤礦區(qū)域地質(zhì)概況[18]

張集煤礦位于淮南礦區(qū)的東部、謝橋向斜的北翼，地處陳橋背斜的南東傾伏端，總體形態(tài)呈扇形展布。張集煤礦的主要含煤地層為二疊系的上石盒子組和下石盒子組，本文研究的13-1、11-2、8三組主要可采煤層是全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層(圖2)。三組主要可采煤層平均厚度總計(jì)10.50 m。其中，13-1和11-2煤層位于上二疊統(tǒng)的上石盒子組：13-1煤層厚度為0～8.28 m，平均厚度為4.78 m，頂?shù)装逡阅鄮r和砂巖為主;11-2煤層厚度為0.78～3.95 m，平均厚度為2.61 m, 頂?shù)装宕蠖酁樯百|(zhì)泥巖。8煤層位于下二疊統(tǒng)的下石盒子組，其煤層厚度為0.60～6.03 m，平均厚度為3.11 m, 頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖(表1)。

圖2 張集煤礦主要可采煤層柱狀分布圖[19]

表1 張集煤礦主要可采煤層情況統(tǒng)計(jì)

2 模型數(shù)據(jù)

本文的研究從模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)入手，通過建立與實(shí)際情況基本符合的煤層地質(zhì)-地球物理模型，利用正演模擬獲得模型數(shù)據(jù)處理結(jié)果，研究采空區(qū)的地震反射特征及其引起的地震特征差異。

2.1 煤層采前地震特征

根據(jù)張集煤礦地質(zhì)構(gòu)造特征，結(jié)合采前煤層的三維地震資料，建立了主采煤層的地質(zhì)模型并填充相應(yīng)煤層的地球物理參數(shù)。建立的采前煤層地質(zhì)模型如圖3所示。該模型延伸長度為500 m，其中，符號(hào)L8表示8號(hào)煤層，埋深為440～460 m；符號(hào)L11表示11號(hào)煤層，埋深為247～255 m；L13表示13號(hào)煤層，埋深為185～200 m；F1表示小斷層，位于327.5～352.5 m處。基于圖3模型的正演模擬數(shù)據(jù)處理得到的疊前時(shí)間偏移剖面如圖4所示，其中：符號(hào)R13、R11和R8分別為圖3中L13、L11和L8的煤層反射波，F(xiàn)1表示斷層反射。從圖4中可以看到，來自L8、L11和L13三套煤層的反射波能量很強(qiáng)，反射同相軸具有很好的連續(xù)性。

圖4 基于圖3模型的疊前時(shí)間偏移剖面 (F1表示圖3中的斷層反射，R8、 R11和R13分別為圖3中L8、 L11和L13煤層的反射波)

2.2 煤層采后地震特征

在圖3模型基礎(chǔ)上建立的L13煤層采后的地質(zhì)模型如圖5所示。與圖3對(duì)比可見，圖5中部L13煤層及其上覆地層出現(xiàn)了采空區(qū)和冒落帶。其中，采空區(qū)埋深182.5～197.5 m，寬度為60 m，冒落帶埋深107.5～182.5 m，寬度為60 m。

圖5 L13煤層開采后地質(zhì)模型 (F1表示斷層，L8、L11和L13分別表示L8、L11和L13號(hào)煤層)

基于圖5地質(zhì)模型的正演數(shù)據(jù)處理得到的疊前時(shí)間偏移剖面如圖6所示，其中，R13、R11和R8分別代表L13、L11和L8煤層的反射波。與圖4中地震剖面對(duì)比分析可以看出，圖6中R13和R11反射波同相軸在CMP 79—98之間，在420～450 ms附近呈明顯下凹趨勢，而且同相軸的連續(xù)性明顯變差。同時(shí)還可以看到，其反射波同相軸在CMP 79和CMP 98處出現(xiàn)錯(cuò)斷，并與兩邊相鄰道煤層反射存在一定時(shí)差，呈現(xiàn)出符號(hào)Tf所示的類“環(huán)狀斷層”。因此，根據(jù)圖4和圖6偏移剖面地震特征差異，可以確定L13煤層開采區(qū)空間位于CMP 79—98之間，時(shí)間在420 ms附近。

圖6 基于圖5模型的疊前時(shí)間偏移剖面 (Tf為開采后形成的類“環(huán)狀斷層”，F(xiàn)1為圖5中的斷層反射，R8、R11和R13分別為圖5中L8、L11和L13煤層的反射波)

綜上，通過煤層開采前、后模型實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析認(rèn)為，采空區(qū)地震反射特征具有如下特點(diǎn)：

(1)采空區(qū)反射波同相軸連續(xù)性中斷或變差。

(2)采空區(qū)煤層頂?shù)装宸瓷洳ㄅc未采區(qū)存在時(shí)差，同時(shí)伴隨同相軸錯(cuò)斷，并呈現(xiàn)類似“環(huán)狀斷層”。

(3)開采煤層下部的煤層反射波與采前相比能量變強(qiáng)，且強(qiáng)于未采區(qū)反射波能量。

3 應(yīng) 用

3.1 煤層采前地震特征

圖7是從淮南煤田張集煤礦13-1煤層開采前的三維疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)體中抽取的一張橫測線地震剖面，其中，符號(hào)T5、T4和T3分別表示13-1、11-2和8煤層的反射波。從圖7可見，T5反射波能量很強(qiáng)，反射同相軸能夠連續(xù)追蹤；而T4反射波由于受上覆13-1煤層的屏蔽作用，其能量弱于T5反射波能量。與T5和T4反射波相比，T3反射波能量最弱，同相軸連續(xù)性較差。通過地震解釋分析，圖7測線中沒有出現(xiàn)類似于圖6中反射同相軸突然中斷和“環(huán)狀斷層”等現(xiàn)象。因此，可以斷定該測線區(qū)域不存在采空區(qū)。

圖7 13-1煤層開采前的橫測線方向的疊前時(shí)間偏移剖面 (T3—T5分別為8、11-2和13-1煤層的反射波)

3.2 煤層采后地震特征

圖8是從淮南煤田張集煤礦13-1煤層1217工作面開采后的三維疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)體中抽取的一張橫測線剖面，其原始地震數(shù)據(jù)是在13-1煤層局部開采后經(jīng)二次三維地震數(shù)據(jù)采集得到的。該測線位置與圖7測線基本重合，但由于第二次地震數(shù)據(jù)采集使用的觀測系統(tǒng)方位角與第一次地震采集觀測系統(tǒng)相差8°，因此，兩張剖面之間整體存在一些微小的差別，但不會(huì)影響采空區(qū)識(shí)別。

圖8 13-1煤層開采后橫測線方向的疊前時(shí)間偏移剖面 (Tf為開采后形成的類“環(huán)狀斷層”，T3—T5分別為8、11-2和13-1煤層的反射波)

圖8中T5、T4和T3分別代表13-1、11-2和8煤層反射波。與圖7對(duì)比分析可見，圖8中CMP 52—110之間的T5反射波能量明顯變?nèi)?，其同相軸的連續(xù)性明顯變差，CMP 52和CMP 110兩點(diǎn)的T5反射波同相軸在480 ms處有明顯錯(cuò)斷，且出現(xiàn)了與圖6模型數(shù)據(jù)類似的 “環(huán)狀斷層”。同時(shí)還可以看到，圖8中13-1煤層上覆巖體反射同相軸呈下彎狀。此外，圖8中的T4反射波較之前能量變強(qiáng)，同相軸連續(xù)性變好，T3反射波同相軸則無明顯變化。根據(jù)鉆孔資料分析認(rèn)為：13-1煤層開采前，其頂?shù)装逯g物性差異較大，對(duì)下部11-2煤層的反射波具有屏蔽作用，從而導(dǎo)致T4反射波能量較弱；當(dāng)13-1煤層開采后，由于反射界面之間的物性差異變小，屏蔽作用減弱，從而使T4反射波的能量變強(qiáng)。

通過上述地震解釋分析認(rèn)為，實(shí)際數(shù)據(jù)中13-1煤層開采前后的地震特征符合模型數(shù)據(jù)中煤層開采前后的地震特征變化規(guī)律。其中，實(shí)際數(shù)據(jù)中因13-1煤層開采引起的T5反射波特征變化反映了煤層的開采區(qū)域，類似“環(huán)狀斷層”反映了采空區(qū)的邊界。因此，可以判定13-1煤層采空區(qū)空間位于剖面中CMP 52—110之間，時(shí)間位于480 ms附近。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于四維地震探測的采空區(qū)識(shí)別方法。該方法通過建立有、無采空區(qū)地質(zhì)模型，并分別進(jìn)行正演模擬和疊前偏移處理，利用模型地震偏移剖面分析采空區(qū)引起的時(shí)移地震反射特征差異。通過模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，采空區(qū)反射波同相軸連續(xù)性變差，采空區(qū)邊界存在同相軸錯(cuò)斷現(xiàn)象，并表現(xiàn)為類“環(huán)狀斷層”。張集煤礦實(shí)際四維地震數(shù)據(jù)煤層解釋結(jié)果顯示，利用模型采空區(qū)表現(xiàn)的地震特征能夠識(shí)別煤層采空區(qū)域，并能定量圈定采空區(qū)的邊界。模型數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用結(jié)果表明，本文提出的四維地震探測采空區(qū)方法能夠有效識(shí)別煤礦采空區(qū)，圈定采空區(qū)的范圍，從而為煤礦后續(xù)開采提供幫助。