不同年限采空區(qū)下地震勘探效果實例研究

張 昭，殷全增

不同年限采空區(qū)下地震勘探效果實例研究

張 昭，殷全增

(河北省煤田地質局物測地質隊，河北 邢臺 054000)

隨著煤炭資源的持續(xù)開發(fā)，部分煤礦上組煤已經開采殆盡，亟需開展下組煤的探測工作。受上組煤采空影響，下組煤地震波能量吸收和散射衰減嚴重，資料信噪比低，三維地震對采空區(qū)下組煤的探測尚屬于探索階段。以冀中能源東龐礦采空區(qū)下組煤三維地震勘探項目為例，采用“兩寬一高”采集、高精度資料處理和屬性體解釋等技術，對不同年限采空區(qū)下組煤的探測效果進行了對比分析。結果表明：采用“兩寬一高”采集技術能夠獲取采空區(qū)下組煤的地震信息；振幅補償、地震拓頻技術使得9號煤反射波波組豐富、連續(xù)性好；采空區(qū)年限大于10年時，破碎巖層壓實，相對穩(wěn)定，下組煤反射波利于追蹤，而小于10年時，巖層破碎未壓實，導致下組煤反射波能量弱、雜亂無章。這一認識對于類似煤礦采空區(qū)下組煤探測具有一定的指導意義。

三維地震勘探；采空區(qū)；下組煤；不同年限；冀中能源東龐礦

目前，利用三維地震勘探技術探測煤礦采空區(qū)已經得到了廣泛應用，并取得了良好的效果。隨著國家經濟的快速發(fā)展，礦井開采力度的加大，大部分礦井的淺部煤炭資源已采掘殆盡，其開采目標已轉向已采煤層的下組煤層[1-6]。部分礦井雖進行過三維地震勘探，但受當時地震勘探技術和地震地質條件的限制，探查目標主要為上組煤，而下組煤整體的探測效果不太理想，原有的探測成果不能滿足礦井開采的技術要求。下組煤的賦存地質條件及煤層結構相對優(yōu)先開采的上組煤來說更加復雜，因此，在下組煤開采前進行補充勘探工作尤為重要。

由于上組煤層被開采后形成采空區(qū)，應力場的變化使得地球物理場的傳播特性發(fā)生變化，采空區(qū)引起的上覆巖層破壞對地震波有很強的吸收衰減和散射作用，高頻衰減強烈，同時破碎圍巖及裂隙使地震波波形不規(guī)則、紊亂，獲得的地震資料頻率極低，利用常規(guī)地震勘探方法解釋采空區(qū)下組煤的賦存形態(tài)難度加大[3,7-11]。隨著“兩寬一高”三維地震與可控震源高效采集、精細化處理和屬性體解釋等技術趨于成熟，獲取的高精度三維地震數據體，對小斷層、陷落柱、采空區(qū)等探測精度明顯提升。

筆者以冀中能源東龐礦采空區(qū)下組煤三維地震探測為例，對采空區(qū)下組煤的賦存形態(tài)進行了研究，并著重對不同年限采空區(qū)下組煤波組特征進行分析比較，為今后該類工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于太行山東麓華北平原西緣邢臺煤田的北部，井田內的主要可采煤層為二疊系山西組的2號煤，石炭系太原組的6、8、9號煤(表1)。礦井采用立井–暗斜井多水平開拓方式，分三個水平開采，第一水平–300 m，第二水平–480 m和深部水平。采區(qū)巷道布置為走向長壁、采區(qū)前進、工作面后退式采煤方法，采用高架綜采(一次采全高)，全部垮落法管理頂板。

表1 研究區(qū)煤層參數統(tǒng)計

注：0.64～6.25/4.40表示最小～最大值/平均值，其他數據同。

在經歷多年的開采后，井田內的2號煤已基本采完。本次研究區(qū)內僅局部殘存部分2號煤，下組的6、8、9號煤為礦井下一步的主要采掘煤層，也是三維地震勘探工作探測的主要目的層[12]。

從不同時期采空區(qū)分布圖(圖1)中可以看出：本次研究區(qū)內分布著不同年限形成的采空區(qū)，其中，最老的采空區(qū)形成于1988年，最新的采空區(qū)形成于2018年，因采空的年代跨度長達30年，致使上覆巖層隨著年份的推移沉降情況不盡相同，為下組煤的地震勘探工作帶來極大的挑戰(zhàn)。

1.1 礦井地質概況

研究區(qū)被第四系松散沉積物所掩蓋，地層由老到新發(fā)育有太古界贊皇群、古生界奧陶系、石炭系、二疊系和新生界第四系，其中新生界直接覆蓋在基巖面上，地層厚度130.00～199.10 m，平均154.90 m，由南往北逐漸變厚。太原組與山西組為區(qū)內的主要含煤地層。上覆基巖厚度130～400 m。區(qū)內地層整體為一走向北東傾向南東的單斜構造形態(tài)，區(qū)內構造不發(fā)育。

圖1 不同時期采空區(qū)分布

1.2 地震地質條件

表、淺層地表較平坦，淺層大范圍內廣布卵礫石、流沙層，其對地震波產生較強散射，在能量衰減的同時也降低了有效波的主頻。

中、深層煤層賦存條件較好，煤層與圍巖的波阻抗差異較大，地震反射波較為發(fā)育，但因本區(qū)內2號煤大部分都已采掘，形成大面積的采空區(qū)，使得上覆地層出現“三帶”，即垮落帶、導水裂隙帶和彎曲下沉帶，采空區(qū)對地震波的散射、吸收作用強烈，不利于地震波的傳播。

2 三維地震勘探數據采集與處理

2.1 數據采集

依據“兩寬一高”的技術要求，參考東龐礦及鄰區(qū)地震勘探經驗，經現場試驗確定適合本區(qū)的采集參數(表2)。采集滿足“寬方位”、“寬頻率”和“高密度”的采集要求，達到了壓制干擾、增加目的層的反射能量、提高資料的信噪比的目的[13-18]。

2.2 數據處理

針對研究區(qū)特點，地震資料處理階段除常規(guī)處理外采用振幅補償和頻譜拓展等技術提高資料處理質量。

其中應用P. Newman公式計算球面擴散效應，利用合理的均方根速度在縱向上進行炮點、檢波點和偏移距方向上進行球面擴散補償，使淺、中、深層能量得到均衡。地表一致性振幅補償，對每個記錄道利用高斯–塞德爾分解計算三維校正量，補償地震波在傳播過程中由激發(fā)條件和接收參數的不一致性導致的振幅能量衰減，消除風化層厚度、速度、激發(fā)巖性等地表因素橫向變化造成的能量差異[19-21]。

表2 研究區(qū)采集參數

由于偏移的混疊效應，偏移后資料頻率會有所降低。利用Butterworth子波拓寬地震記錄優(yōu)勢頻率的帶寬，拓展并保留低頻，突出高頻弱反射信息，提高地震記錄分辨率(圖2)。

3 采空區(qū)下組煤地震解釋

從2號煤和9號煤的沿層切片(圖3)可以看出，研究區(qū)內2號煤大部已被采空(圖3a)，僅北部和零星區(qū)塊存留煤層；圖3b中9號煤反射波波組豐富、能量強、連續(xù)性好，成功獲取了采空區(qū)下組煤的地震信息，充分說明本次采集參數和處理技術的科學性及合理性。

圖3 三維數據體煤層沿層切片

煤層采空后，其地震反射波一般表現為反射波消失，錯斷、雜亂無章，信噪比低，連續(xù)性變差等特征，同時造成下組煤煤層反射波時間延時、振幅減弱、頻率降低等現象[11,21-23]。本次研究通過對20世紀80年代初以來上組煤(2號煤)采空區(qū)域的三維地震時間剖面分組，以每間隔10年左右對比(圖4)，可以發(fā)現不同間隔時段的采空區(qū)下伏煤層及奧灰頂面的地震反射波的能量、連續(xù)性、頻率變化較大。

1) 30 a及以上

圖4a中，2號煤采空區(qū)形成時間分別為1988年、1989年和1990年，反射波同相軸能量強、連續(xù)性好、頻率較高；表明上覆地層經過30多年自然作用，沉降趨穩(wěn)、巖層在二次壓實作用下已較為密實，對地震波的影響較小。

2) 20～30 a

圖4b中，2號煤采空區(qū)形成時間分別為1997年、1999年和2000年左右，分析得出采空區(qū)上部地層沉降穩(wěn)定，對下組煤影響較小。

3) 10～15 a

圖4c中，2號煤采空區(qū)形成時間為2004年，分析得出采掘時間為2004年的采空區(qū)，上部地層沉降較穩(wěn)定，下組煤反射波較連續(xù)。

4) 10 a內

圖4c、圖4d中，2號煤采空區(qū)時間分別為2010年、2014年和2018年，分析得出該區(qū)域采空區(qū)形成時間短，采空區(qū)內地層破碎、松散，未壓實，極不穩(wěn)定，下組煤反射波能量弱、連續(xù)性差、頻率低，波形延時彎曲、雜亂。特別是采掘時間為2018年的采空區(qū)，下組煤反射波雜亂無序，難于追蹤。

圖4 不同年限采空區(qū)下組煤反射波特征

從上述分析可知，隨著采空時間越久地層塌陷和沉降趨于穩(wěn)定，破碎巖層經多年二次壓實作用后，相對更加密實，有利于地震反射波的形成，這一現象從不同年限采空區(qū)下地震時間剖面得到了印證。在對采空區(qū)下組煤進行勘探時，采空時間要在10年以上，此時上覆巖層沉降基本穩(wěn)定，采空區(qū)下組煤反射波能量強、連續(xù)性好、頻率較高，易于解釋。

4 結論

a.為解決采空區(qū)的散射和高頻衰減，采用較寬方位角觀測系統(tǒng)、較高的采集密度和疊加次數，可以獲得較高質量的原始數據。

b.采用振幅補償消除地震波能量衰減、Butterworth子波“載波調制”技術拓寬地震記錄保留低頻、突出高頻弱反射信息，可以獲得較高質量的三維數據體。

c.采空區(qū)形成時間需達到10年以上，巖層沉降穩(wěn)定，壓實作用使得破碎巖層相對密實，對下組煤勘探影響相對減小，有利于地震反射波形成。

致謝：張燈亮正高級工程師提供了研究區(qū)不同時期采空區(qū)分布圖，程建遠研究員和陳尚斌教授審閱了初稿，為本文提出了寶貴的修改建議，編輯和審稿老師進行了多次細致的潤色和修改，在此一并致以衷心的感謝！

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Case study on the effects of seismic exploration beneath the goafs of different ages

ZHANG Zhao,YIN Quanzeng

(Coal Geology Geological Team of Hebei Province Bureau, Xingtai 054000, China)

With the continuous development of coal resources, the upper group of coal in some coal mines has been mined out, and it is urgent to solve the detection problem of the lower group of coal. Affected by the goaf formed by the upper group of coal, the seismic energy absorption and scattering attenuation of the lower group of coal are significant, and the signal-to-noise ratio of the data is low.The detection of the lower group of coal under the goaf by 3D seismic exploration is still in the exploration stage. In this paper, the 3D seismic exploration project of the lower group coal in the goaf of Dongpang Coal Mine of Jizhong Energy Group is discussed. The detection effect of lower group coal beneath goafs of different ages is compared and analyzed by using the technologies of “2W1H”(Wide-band, Wide azimuth and High-density) acquisition, high-precision data processing and attribute body interpretation. The results show that the seismic information on the lower group of coal can be obtained by using the “2W1H” acquisition technology. The technologies of amplitude compensation and seismic frequency extension make the reflection wave group of No.9 coal seam plenty and continuous. When the goafs’age is more than 10 years, the broken strata are compacted and relatively stable, and the reflection wave of the lower group of coal is easy to track. When the goafs’age is less than 10 years, the broken strata are not compacted, leading to weak and disordered reflected wave energy of the lower group of coal. This knowledge has a certain guiding significance for the detection of the lower group of coal in similar coal mines.

3D seismics exploration; goaf; lower group of coal; different age; Dongpang Coal Mine of Jizhong Energy Group

語音講解

P631

A

1001-1986(2021)06-0237-06

2021-04-21；

2021-07-12

河北省煤田地質局物測地質隊科研項目(HBWCD-W-2019-9)

張昭，1983年生，男，河北平山人，高級工程師，從事煤田地震勘探工作. E-mail：41563199@qq.com

殷全增，1965年生，河北邢臺人，正高級工程師，從事煤田地質、物探等工作. E-mail：13931909280@126.com

張昭，殷全增. 不同年限采空區(qū)下地震勘探效果實例研究[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：237–242. doi: 10.3969/j.issn. 1001-1986.2021.06.028

ZHANG Zhao，YIN Quanzeng. Case study on the effects of seismic exploration beneath the goafs of different ages[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：237–242. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.028

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(責任編輯 聶愛蘭)