基于地震多屬性分析的井下掘進(jìn)工程研究

李建宙,閆 亮

(1.山西介休義棠安益煤業(yè)有限公司,山西 晉中 032000;2.山西介休鑫峪溝左則溝煤業(yè)有限公司,山西 晉中 032000)

近年來(lái),隨著煤炭等一次化石能源的保有儲(chǔ)量日益減少,煤礦逐漸轉(zhuǎn)為向深部開(kāi)采,煤層賦存狀態(tài)多變性和復(fù)雜性的特點(diǎn)日漸顯著,對(duì)煤炭行業(yè)的勘探和開(kāi)采技術(shù)提出了更高的要求。在“有掘必探、先探后掘”理念的支持下,三維地震勘探技術(shù)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的常規(guī)地震解釋到屬性技術(shù)的提出,再到多屬性分析和屬性融合技術(shù)的創(chuàng)新,得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在高分辨率和高保真度地震資料的支持下,地震屬性技術(shù)的高精度和高準(zhǔn)度也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

地震屬性是對(duì)地震資料的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的一種計(jì)算和描述,反映了不同的地質(zhì)信息,可劃分為振幅、波形、頻率、相位、能量等類(lèi)別。利用提取的地震屬性有助于高效地進(jìn)行地震解釋分析。但由于地震屬性參數(shù)的種類(lèi)越來(lái)越多,針對(duì)不同目的層進(jìn)行研究的地震屬性的敏感程度也不同,因此各種地震屬性分析技術(shù)在應(yīng)用時(shí)都有一定的適用條件,所以屬性預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生多解性。為了減少多解性,提高地震解釋的預(yù)測(cè)精度及可靠性,多屬性綜合分析和優(yōu)化組合已成為必然[1]。魏艷等[1]總結(jié)了多屬性分析的技術(shù)流程,并將其應(yīng)用于實(shí)際數(shù)據(jù)分析,在儲(chǔ)層預(yù)測(cè)上有效減少了預(yù)測(cè)目標(biāo)的多解性,取得了較為理想的效果。彭凡等[2]利用多屬性融合技術(shù)成功查明了巷道的平面位置及邊界范圍,表明利用多屬性融合技術(shù)來(lái)識(shí)別巷道是有效的。莊益明[3]、白瑜等[4]對(duì)規(guī)模較小的小斷層和小陷落柱利用多屬性和針對(duì)性屬性分析,大大提高了小構(gòu)造的解釋精度。多位學(xué)者的研究表明,受常規(guī)地震資料分辨率的限制,利用其查明巷道及隱蔽致災(zāi)因素不能滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的要求,高信噪比、高分辨率和高保真度的地震資料是解釋巷道的基礎(chǔ),而地震屬性分析技術(shù)是檢測(cè)巷道的最佳途徑[5].

本文在常規(guī)地震解釋的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)利用多屬性分析方法,從某礦的實(shí)際情況出發(fā),精準(zhǔn)地識(shí)別了煤巷和巖巷以及巷道的掘進(jìn)方向,分析了受假構(gòu)造影響的掘進(jìn)策略的誤判,解釋了特征不明顯的規(guī)模較大的陷落柱,針對(duì)局部復(fù)雜的煤層取得了較好的應(yīng)用成果。

1 地震多屬性綜合分析

1.1 常規(guī)時(shí)間剖面解釋

地震勘探前,在主采煤層(或煤層上部)中有煤巷或巖巷時(shí),由于巷道的存在,改變了附近煤層的賦存狀態(tài),同時(shí)大量吸收和散射地震波,使得煤層反射波(波組)在時(shí)間剖面上表現(xiàn)出低頻強(qiáng)振幅的現(xiàn)象,部分反射波有扭曲、突變,沿煤巷與巖巷交叉部位產(chǎn)生反射波錯(cuò)斷的假象,在巖巷部位產(chǎn)生巷道反射波特殊同向軸,在煤巷與巖巷交叉部位出現(xiàn)假的斷裂構(gòu)造。圖1是某礦勘探區(qū)沿2號(hào)煤層巷道中軸線(xiàn)所切的時(shí)間剖面異常圖。通過(guò)圖中已知巷道的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),巷道的開(kāi)拓長(zhǎng)度、寬度清晰可見(jiàn),分辨率高，由此產(chǎn)生的假的、復(fù)雜的構(gòu)造現(xiàn)象也能得到厘清。

圖1 某礦勘探區(qū)沿2號(hào)煤層巷道中軸線(xiàn)時(shí)間剖面異常圖Fig.1 Anomaly time profile along the central axis of No.2 coal seam in the exploration area

1.2 多屬性分析原理和流程

多屬性分析是通過(guò)不同種類(lèi)地震屬性的提取和分析,結(jié)合煤礦的實(shí)際采掘結(jié)果,尋找和篩選敏感參數(shù),然后進(jìn)行屬性參數(shù)優(yōu)化組合,應(yīng)用綜合分析技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種方法。

Hart(2002)建議的屬性分析流程為:建立正確的時(shí)深關(guān)系，正確的地震解釋成果(層位、斷裂等)，地震屬性與預(yù)測(cè)的巖石物理屬性應(yīng)具有一定的關(guān)聯(lián)。常規(guī)地震屬性分析主要包括目標(biāo)層位的解釋、屬性提取和目標(biāo)層位的分析評(píng)價(jià)。而地震多屬性分析預(yù)測(cè)的基本流程增加了屬性預(yù)處理、屬性敏感性分析和屬性?xún)?yōu)化分析階段，見(jiàn)圖2。

首先對(duì)采集的地震資料及處理后的數(shù)據(jù)體進(jìn)行評(píng)估,對(duì)比后,選取三維疊前偏移數(shù)據(jù)體。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合地質(zhì)和鉆測(cè)井資料在時(shí)間剖面上展開(kāi)層位解釋工作。

以三維疊前偏移數(shù)據(jù)體為基礎(chǔ),通過(guò)加載解釋的煤層時(shí)間域?qū)游怀晒?分別提取沿層屬性、層間屬性和體屬性。屬性計(jì)算中時(shí)窗長(zhǎng)度是重要的參數(shù),大時(shí)窗可以有效消除噪音的影響,用于區(qū)域研究但往往會(huì)掩蓋細(xì)節(jié)；而小時(shí)窗可以很好地揭示地質(zhì)細(xì)節(jié)信息,用于局部層面的細(xì)節(jié)描述,但往往伴隨有較大的噪音干擾。在此，針對(duì)地震資料品質(zhì)和研究的地質(zhì)現(xiàn)象規(guī)模,設(shè)置了不同的時(shí)窗,分別進(jìn)行對(duì)比分析,選擇各類(lèi)屬性最合適的時(shí)窗數(shù)值。

圖2 地震多屬性分析的基本流程Fig.2 Main flow of seismic multi-attribute analysis

為了提高定量分析的效果和可靠性,必須對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。其中最主要的是對(duì)屬性進(jìn)行平滑(濾波)處理。濾波處理主要是通過(guò)不同的計(jì)算方

式降低地震數(shù)據(jù)中隨機(jī)噪聲的影響和消除背景干擾,達(dá)到強(qiáng)化數(shù)據(jù)值,增強(qiáng)構(gòu)造特征的目的。

參數(shù)敏感性分析主要是從目的層參數(shù)與屬性之間的有效性以及符合率等方面考慮,選擇一些相關(guān)性大的屬性,然后結(jié)合沉積特征、正演模型研究成果剔除一些相關(guān)性低的屬性,從而最終確定優(yōu)選的屬性[1]。本次通過(guò)敏感性分析,篩選出適合于該區(qū)地質(zhì)特征及與采掘前后煤層賦存狀態(tài)改變相關(guān)的敏感屬性,如振幅、能量、頻譜、相干及多種融合后的屬性。由此對(duì)地質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià),降低多解性,提高解釋精度[6]。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

山西某礦勘探區(qū)位于沁水煤田西北緣,霍山隆起東翼。受霍山徑向構(gòu)造帶影響,總體為走向北東傾向南東的單斜構(gòu)造,伴有小型寬緩波狀起伏,陷落柱、斷層等構(gòu)造較發(fā)育。出露地層有上石盒子組下段、下石盒子組、山西組地層及太原組上段,北部第四系松散沉積物以不整合大面積覆蓋于各時(shí)代地層之上。本區(qū)主要含煤地層為上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組地層,主要可采煤層為山西組的1、2號(hào)和太原組的6、9+10、10下和11號(hào)共6層煤，具體的煤層特征如表1所示。本次研究對(duì)象主要為山西組的1號(hào)煤層。

表1 可采煤層特征一覽表Table 1 Features of mineable coal seams

山西組1號(hào)煤層位于山西組頂部,下距2號(hào)煤層19.98～32.60 m,平均26.42 m。煤層厚度0.60～1.27 m,平均0.92 m,南部厚北部薄,最厚處在東南角附近,西北部不可采。該煤層不含夾矸,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單。頂、底板一般為泥巖或細(xì)粒砂巖。根據(jù)區(qū)域詳查地質(zhì)填圖可知,1號(hào)煤層在井田西北角和北中部出露,為賦煤區(qū)大部可采的穩(wěn)定煤層。

勘探前,開(kāi)采位置在勘探區(qū)南部1號(hào)煤層101采區(qū),掘進(jìn)巷道為1號(hào)煤層從西向東的3條下山巷道。截至勘探前,3條巷道掘進(jìn)中均未見(jiàn)1號(hào)煤,且軌道下山巷道無(wú)煤區(qū)長(zhǎng)度約175 m,礦方掘進(jìn)工作停滯且無(wú)法制定出合適的掘進(jìn)對(duì)策,僅推測(cè)此處應(yīng)是受構(gòu)造影響所致。礦方1號(hào)煤層掘進(jìn)現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 1號(hào)煤層掘進(jìn)現(xiàn)狀Fig.3 Excavation status of No.1 coal seam

2.2 多屬性分析成果的可靠性

通過(guò)以上流程,得到了多種相關(guān)的屬性成果,但

是地震解釋數(shù)據(jù)的可靠性及多屬性分析成果的可靠性尚未得到驗(yàn)證。在此通過(guò)礦方生產(chǎn)中揭露的其他問(wèn)題與成果進(jìn)行相互驗(yàn)證。

2.2.1煤層沖刷變薄區(qū)的驗(yàn)證

礦方在101采區(qū)回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽向北掘進(jìn)的過(guò)程中遇到煤層變薄及無(wú)煤的情況。本次解釋1號(hào)煤層沖刷變薄區(qū)與巷道揭露情況基本相符,煤層沖刷變薄區(qū)在屬性平面上表現(xiàn)為河道沖刷的條帶狀特征,從勘探區(qū)西北部延伸到東部,見(jiàn)圖3;在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為同相軸的缺失和變?nèi)?如圖4所示。古河道沖刷帶與頂板巖性相似,波阻抗差異小,反射波能量變?nèi)?連續(xù)性變差,不易追蹤[7]。

2.2.2采動(dòng)區(qū)反射波異常區(qū)的驗(yàn)證

礦方在勘探區(qū)西部邊界附近及南北向1號(hào)煤層回風(fēng)順槽巷道的同時(shí)進(jìn)行了2號(hào)煤層的開(kāi)采,導(dǎo)致此處反射波在時(shí)間剖面上較為雜亂、缺失。本次解釋1號(hào)煤層異常區(qū)與礦方采掘情況基本相符,由此導(dǎo)致此處1號(hào)煤層巷道在屬性平面上反映不明顯,如圖3所示。

圖4 沖刷變薄區(qū)在時(shí)間剖面上的反映(inline207)Fig.4 Reflection of scour thinning areas on time profile (inline207)

通過(guò)上述分析可知,本次三維地震數(shù)據(jù)及屬性成果可靠,由此開(kāi)展對(duì)巷道處煤層賦存狀態(tài)的改變及巷道掘進(jìn)策略的應(yīng)用研究是可行的。

2.3 應(yīng)用效果分析

圖5-圖10為勘探區(qū)內(nèi)沿由西向東在1號(hào)煤層上部開(kāi)拓的3條下山巷道及沿10102工作面運(yùn)輸順槽巷道所切時(shí)間剖面。圖5、圖6分別從時(shí)間和能量剖面展示了煤巷和巖巷的顯示特征,以及從開(kāi)始掘進(jìn)巖巷后偏離煤層走向,無(wú)煤掘進(jìn)175 m后巷道停止的位置,剖面上各段位置與采掘工程平面圖巷道位置和走向契合良好。圖7、圖8分別從時(shí)間和能量剖面展示了垂直3條大巷的顯示特征,大巷全段表現(xiàn)為低頻強(qiáng)振幅,反射波突出明顯,大斷層位置與推斷位置吻合,已知資料與地震資料準(zhǔn)確度高。圖9、圖10分別從時(shí)間和能量剖面展示了運(yùn)輸順槽全煤巷段的顯示特征,從側(cè)面對(duì)上述資料的準(zhǔn)確度及認(rèn)識(shí)進(jìn)行了驗(yàn)證,由此可以開(kāi)展研究。

通過(guò)分析可知,附近煤層因巷道對(duì)地震波的吸收和散射,使得煤層反射波(波組)在時(shí)間剖面上表現(xiàn)出低頻強(qiáng)振幅的特點(diǎn),部分反射波產(chǎn)生扭曲、突變等現(xiàn)象,沿煤巷與巖巷交叉部位產(chǎn)生反射波錯(cuò)斷的假象,在巖巷部位產(chǎn)生巷道反射波特殊同向軸;通過(guò)已知巷道對(duì)比,在時(shí)間剖面上,該巷道開(kāi)拓長(zhǎng)度清晰可見(jiàn)、分辨率高,因此產(chǎn)生的假的構(gòu)造現(xiàn)象也得到厘清。

圖5 沿1號(hào)煤層軌道下山巷道時(shí)間剖面異常Fig.5 Abnormal time profile of downhill roadway along track of No.1 coal seam

圖6 沿1號(hào)煤層軌道下山巷道能量剖面異常Fig.6 Abnormal energy profile of down-hill roadway along track of No.1 coal seam

圖7 垂直1號(hào)煤層3條下山巷道時(shí)間剖面異常Fig.7 Abnormal time profile of three downhill roadways in vertical No.1 coal seam

圖8 垂直1號(hào)煤層3條下山巷道所切能量剖面異常Fig.8 Abnormal energy profile cut by three downhill roadways of vertical No.1 coal seam

圖9 沿1號(hào)煤層運(yùn)輸順槽巷道所切時(shí)間剖面異常Fig.9 Abnormal time profile of roadway along No.1 coal seam

圖10 沿1號(hào)煤層運(yùn)輸順槽巷道能量剖面異常Fig.10 Abnormal energy profile of transportation gateway along No. 1 coal seam

時(shí)間剖面上的異常特征解釋存在多解性,需要結(jié)合平面展布特征進(jìn)行綜合解釋。通過(guò)提取地震數(shù)據(jù)體的多種屬性并與實(shí)際巷道對(duì)比發(fā)現(xiàn),屬性解釋的異常位置與實(shí)際巷道位置高度吻合,驗(yàn)證了其在巷道識(shí)別中的可靠性[5]。

圖11-圖15為勘探區(qū)1號(hào)煤層巷道在沿層及層間屬性上的反映,屬性解釋中剔除了一些相關(guān)性低的屬性,優(yōu)選了一些與煤層賦存狀態(tài)相關(guān)性好、符合率高的屬性,如沿層瞬時(shí)振幅屬性、層間能量屬性、層間均方根振幅屬性、譜分解屬性等,巷道在屬性平面上表現(xiàn)為異常的高能量帶特征。圖11為巷道在沿層瞬時(shí)振幅屬性上的顯示,巷道段顏色較深,明顯區(qū)別于正常段背景色,呈條帶狀,振幅值高。圖12為巷道在層間能量屬性上的顯示,巷道段顏色明亮,區(qū)別于背景的暗色和不連續(xù)碎片狀特征,能量值高。圖13為巷道在層間均方根振幅屬性上的顯示,不同于沿層屬性,層間屬性以沿煤層向上向下各8 ms形成地層段進(jìn)行研究,表現(xiàn)為與沿層屬性相似的特征,但清晰度降低,說(shuō)明融入了相鄰小層的部分信息。圖14為巷道在相干與瞬時(shí)振幅融合屬性上的顯示,相干突出了構(gòu)造的特征,由此結(jié)合振幅屬性可排除因巷道異常而引起構(gòu)造的可能性。圖15則利用譜分解技術(shù),從單一頻段(45 Hz)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)巷道在屬性上仍有一定的顯示,說(shuō)明巷道段的信息頻帶較寬。

通過(guò)已知巷道對(duì)比可知,在屬性平面上,該巷道開(kāi)拓長(zhǎng)度清晰可見(jiàn)、分辨率高,屬性解釋巷道寬度比實(shí)際寬度大,分析巷道處的煤層賦存狀態(tài)受影響范圍較大。

圖11 1號(hào)煤層巷道在沿層瞬時(shí)振幅屬性上的反映Fig.11 Reflection of No.1 coal seam roadway on instantaneous amplitude attribute along layers

圖12 1號(hào)煤層巷道在層間能量屬性上的反映Fig.12 Reflection of No.1 coal seam roadway on energy attribute between layers

圖13 1號(hào)煤層巷道在層間均方根振幅屬性上的反映Fig.13 Reflection of No.1 coal seam roadway on root-mean-square amplitude attribute between layers

圖14 1號(hào)煤層巷道在相干與瞬時(shí)振幅融合屬性上的反映Fig.14 Reflection of No.1 coal seam roadway on coherence and instantaneous amplitude attribute

圖15 1號(hào)煤層巷道在譜分解(45 Hz)屬性上的反映Fig.15 Reflection of No.1 coal seam roadway on spectral decomposition (45 Hz) attribute

2.4 井下掘進(jìn)工程問(wèn)題的解決

通過(guò)上述三維地震精細(xì)解釋,綜合時(shí)間剖面和屬性平面,掘進(jìn)巷道得到了準(zhǔn)確的識(shí)別和驗(yàn)證。結(jié)合礦井地質(zhì)特征及區(qū)域構(gòu)造特征,該處時(shí)間剖面反射波同相軸在小范圍內(nèi)消失或錯(cuò)斷;屬性平面上,由于受巷道影響,1號(hào)煤呈現(xiàn)出比較特殊的不規(guī)則能量帶,下組煤則表現(xiàn)為異常的圓環(huán)狀或橢圓狀,均為陷落柱的典型特征。陷落柱形成過(guò)程破壞了正常沉積的老巖層,其柱體和周邊巖層孔隙和裂隙發(fā)育,復(fù)雜的填充物與破碎帶和正常沉積的巖層產(chǎn)生波阻抗差異,改變了目的層反射波的波形[3],結(jié)合礦井陷落柱發(fā)育的情況,認(rèn)為該處異常是陷落柱反映,并解釋為DX01。

DX01陷落柱在煤層底板平面圖上近似橢圓形,時(shí)間剖面上為斜躺柱狀形或閉合圓環(huán)狀。長(zhǎng)軸方向?yàn)镹20°W,該陷落柱發(fā)育至1、2、6、9+10、10下和11號(hào)煤層中,在1號(hào)煤層中長(zhǎng)軸長(zhǎng)度約238 m,短軸長(zhǎng)度約193 m,在9+10號(hào)煤層中長(zhǎng)軸長(zhǎng)度約227 m,短軸長(zhǎng)度約142 m。在40 m×80 m網(wǎng)度抽取的時(shí)間剖面上,反射波有18個(gè)斷陷點(diǎn),其中A級(jí)斷陷點(diǎn)10個(gè),B級(jí)斷陷點(diǎn)7個(gè),C級(jí)斷陷點(diǎn)1個(gè),為可靠陷落柱,見(jiàn)圖16和圖17。

圖17 DX01陷落柱在xline時(shí)間剖面及相干屬性剖面上的反映Fig.17 Reflection of DX01 collapse columns on xline time profile and coherent attribute profile

在當(dāng)前構(gòu)造得以厘清之后,礦方東西向3條巷道均掘進(jìn)至陷落柱中,但在掘進(jìn)已出陷落柱范圍后,由于其掘進(jìn)方向及角度上的錯(cuò)誤,巷道進(jìn)入1號(hào)煤層上的K8砂巖,一直以巖巷掘進(jìn)。對(duì)此,基于最終的1號(hào)煤層底板等高線(xiàn)圖及地層綜合柱狀圖,分析陷落柱處煤層傾角約為24°,礦方又在軌道下山巷道掘進(jìn)終止處沿下山方向不同角度進(jìn)行鉆探找煤,經(jīng)過(guò)煤層對(duì)比與分析,最終解決了掘進(jìn)角度的問(wèn)題,對(duì)本次勘探成果及多屬性分析的方法得到了很好的驗(yàn)證。1號(hào)煤層底板等高線(xiàn)圖及地層綜合柱狀圖見(jiàn)圖18和圖19。由此,在對(duì)陷落柱進(jìn)行探測(cè)時(shí),應(yīng)采用綜合勘探技術(shù),通過(guò)優(yōu)化勘探技術(shù)組合,分析出陷落柱的具體位置和詳細(xì)參數(shù),為礦井安全開(kāi)采提供技術(shù)支撐[8]。

圖18 巷道掘進(jìn)處底板等高線(xiàn)示意圖Fig.18 Floor contours at roadway excavation

圖19 1號(hào)煤及其頂?shù)装鍘r性柱狀圖Fig.19 The roof and floor lithology histogram of the No.1 coal seam

3 結(jié)論

多屬性分析技術(shù)有效避免了單一屬性技術(shù)在三維地震資料解釋時(shí)的不確定性和多解性,通過(guò)多種屬性的相互驗(yàn)證,對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造情況下的煤礦掘進(jìn)工程有重要的指導(dǎo)意義。但是要充分保證資料的保真度,有效提高資料的分辨率,避免假構(gòu)造的誤判,使復(fù)雜的構(gòu)造現(xiàn)象能夠厘清。