基于地震勘探的巖石物理分析預(yù)測(cè)采動(dòng)裂隙

羅任植，王 輝，喬 會(huì)，武 浩

（陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005）

0 引言

在煤礦采掘生產(chǎn)過(guò)程中，突水始終是安全生產(chǎn)的最大隱患之一。煤層與含水層之間是否存在導(dǎo)通通道，決定著煤礦是否可能發(fā)生突水事故。除天然的隔水層缺失外，以導(dǎo)水裂隙為主要導(dǎo)水通道，裂隙又分為自然裂隙和采動(dòng)裂隙。采動(dòng)裂隙是煤層采空后巖層失去支撐，在重力和地應(yīng)力作用下形成的裂隙，絕大多數(shù)的導(dǎo)水裂隙屬于該類(lèi)裂隙。因此預(yù)測(cè)采動(dòng)裂隙對(duì)煤礦水害治理和安全生產(chǎn)有著非常重要的意義。采動(dòng)裂隙是否會(huì)形成、形成之后與含水層的貫穿程度直接影響其導(dǎo)水能力，而煤層上覆巖層的巖石礦物成分、厚度、結(jié)構(gòu)及力學(xué)特征等因素決定著采動(dòng)裂隙的形成。地震勘探是以地層或巖層力學(xué)性質(zhì)特征為研究對(duì)象的物探技術(shù)，地震資料中包含了豐富的地下力學(xué)信息，通過(guò)對(duì)這些信息的挖掘探索，可以獲取目的地層一定的巖石物理學(xué)性質(zhì)。再通過(guò)這些性質(zhì)的變化來(lái)判斷在煤層采掘過(guò)程中是否會(huì)形成采動(dòng)裂隙，預(yù)測(cè)裂隙帶可能發(fā)生的范圍和程度，為煤礦的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 地震對(duì)地層含、富水性的判斷

要預(yù)測(cè)導(dǎo)水通道，首先需了解煤系地層的含水情況。地震勘探中地震波在地層中傳播的體波分為縱波和橫波2 種，縱波在介質(zhì)中傳播速度公式可近似為，橫波則為，式中μ 為傳播介質(zhì)剪切模量；E 為傳播介質(zhì)的彈性模量；v為傳播介質(zhì)的泊松比；ρ 為介質(zhì)密度。由于流體的剪切模量μ 為0，流體不能傳播剪切力，所以橫波波不能穿過(guò)地下流體而縱波可以，水作為典型的流體，地震波的這一特點(diǎn)，是通過(guò)地震找水的理論依據(jù)。

在地震波的傳播中，橫波不能穿過(guò)流體，但是能夠穿過(guò)巖石骨架，因此橫波在從干巖層進(jìn)入層含水時(shí)，橫波在含水層中的骨架傳播對(duì)其速度影響不大，但透射能量會(huì)隨著含水大小受到一定的衰減。由于縱波可以穿過(guò)流體，所以縱波在從干巖層進(jìn)入含水層時(shí)是在水和巖石骨架中交替?zhèn)鞑サ?，速度必然?huì)受到一定的減弱（如圖1 所示）。

圖1 縱波和橫波在含水巖層中傳播時(shí)速度變化Fig.1 Velocity variation of primary wave and secondary wave propagating in aquifer

要尋找地層的含水性的因素，對(duì)橫波信息的研究是十分必要的，但是現(xiàn)今的煤田地震勘探基本上都屬于縱波勘探，因此需要利用P 波資料來(lái)估算S波資料。由于和有共同的一項(xiàng)泊松比ν，因此通過(guò)泊松比的研究對(duì)地層含水性判斷具有重要意義。

脆性材料的泊松較小，塑性材料的泊松比大?？諝獾牟此杀仁?，水的泊松比是0.5，其它材料介于二者之間。泊松比的變化是不同巖性和不同孔隙流體介質(zhì)之間存在差異的客觀(guān)反映，大量的試驗(yàn)和實(shí)踐表明，沉積巖的泊松比值具有如下特點(diǎn)：①未固結(jié)的淺層鹽水飽和沉積巖往往具有非常高的泊松比值（0.4 以上），一灘泥水；②泊松比往往隨孔隙度的減小及沉積固結(jié)程度減小而減少；③高孔隙度的鹽水飽和砂巖往往具有較高的泊松比值（0.3～0.4）；④氣飽和高孔隙度砂巖往往具有極低的泊松比值（如低到0.1），含氣砂巖。

流體不能傳播橫向剪切力這一特性決定了泊松比對(duì)流體的識(shí)別能力，不同巖石以及同一巖石含流體和不含流體時(shí)，相對(duì)于速度、密度、波阻抗等量來(lái)說(shuō)泊松比具有更明顯的差別。由于在煤系地層及其圍巖埋藏較淺，基本不涉及深層的含氣層和含油層，因此在較淺目的層區(qū)域如果地層的泊松比發(fā)生變大的情況，則可以作為判斷巖層含水性大小的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)三維地震勘探所得的泊松比反演剖面（圖2），圈定泊松比異常區(qū)域，再結(jié)合礦井水文地質(zhì)規(guī)律及鉆孔資料，判斷該區(qū)域巖層含、富水性高低。

圖2 泊松比反演剖面Fig.2 Poisson′s ratio inversion profile

2 三維地震巖石物理學(xué)特征預(yù)測(cè)采動(dòng)裂隙

2.1 巖石應(yīng)力與應(yīng)變變化關(guān)系

通過(guò)泊松比反演分析了煤系及附近巖層含富水性之后，只要弄清楚這些含富水區(qū)哪些位置更容易在應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂縫或破損，這類(lèi)容易出現(xiàn)破損稱(chēng)為脆性帶，能夠承受較大應(yīng)力而不產(chǎn)生裂縫或破損的巖性區(qū)域稱(chēng)為韌性帶。因此，對(duì)采動(dòng)導(dǎo)水裂隙可能發(fā)生的區(qū)域基于三維地震的解釋即對(duì)巖石脆性帶的圈定。

在彈塑性條件下，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度增大到某一臨界值時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂。通過(guò)試驗(yàn)，巖石的變形把應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(xiàn)分為6 個(gè)階段，各階段的特征和形變情況如圖3 所示。第一段，應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力緩慢增大，曲線(xiàn)形成一定的上凹延伸，巖石內(nèi)裂隙逐漸被壓縮閉合而產(chǎn)生非線(xiàn)性變形；第二段，曲線(xiàn)接近直線(xiàn)，屬于線(xiàn)彈性變形階段；第三段，曲線(xiàn)偏離線(xiàn)性，出現(xiàn)塑性變形，材料內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)平行于最大主應(yīng)力方向的微裂隙。隨應(yīng)力增大而微裂隙數(shù)量增多，表示巖石的破壞已經(jīng)開(kāi)始；第四段，巖石內(nèi)部的裂紋形成速度增快，微裂隙密度加大，應(yīng)力達(dá)到峰值，為巖石的極限抗壓強(qiáng)度，此時(shí)巖石達(dá)到最大承載能力；第五段，應(yīng)力繼續(xù)增大，巖石承載力降低，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，此階段內(nèi)巖石的微裂隙逐漸貫通，微裂縫連通達(dá)到最大；第六段，微裂縫連通達(dá)到最大之后裂縫開(kāi)始發(fā)生滑動(dòng)，巖石被破壞，僅剩下殘余的強(qiáng)度，最后殘余強(qiáng)度保持不變，在應(yīng)力作用下變形繼續(xù)增大。

圖3 巖石全應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Rock total stress-strain curve

在煤礦的生產(chǎn)過(guò)程中，隨著巷道的掘進(jìn)，采空區(qū)上部失去支撐，應(yīng)力發(fā)生變化，應(yīng)力的變化會(huì)伴隨微裂隙數(shù)量的不斷增多,第二段到第三段，此時(shí)雖然形成了微裂縫但其之間并沒(méi)有連通，直到D點(diǎn)才開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了微裂縫之間的連通，對(duì)應(yīng)的含水層中的水已經(jīng)可以通過(guò)這些裂隙導(dǎo)入其他地層；D 點(diǎn)到E 點(diǎn)微裂縫不斷連通，直至巖石失穩(wěn)破壞，到E點(diǎn)的連通程度達(dá)到最大，如果是在采掘過(guò)程已經(jīng)可能造成大水量的導(dǎo)入；對(duì)地層而言，在D 點(diǎn)雖然有微裂縫開(kāi)始連通，但并沒(méi)有達(dá)到最大連通程度，達(dá)到最大連通程度（E） 點(diǎn)時(shí)，不僅有可能形成明顯的導(dǎo)水通道，而且還可能形成頂板冒落。

2.2 地層巖石物理特征及地震解釋

通常用楊氏模量和泊松比表示巖石在外界應(yīng)力作用下的反映，楊氏模量是表征在彈性限度內(nèi)巖石抗拉或抗壓的物理量，它是沿縱向的彈性模量，是縱向應(yīng)力與應(yīng)變的比值，楊氏模量的大小標(biāo)志著巖石的剛性，楊氏模量越大，說(shuō)明巖石越不容易發(fā)生形變；泊松比的大小標(biāo)志著巖石的橫向變形系數(shù)，泊松比越大，說(shuō)明巖石在壓力下越容易膨脹。不同的楊氏模量和泊松比的組合表示巖石具有不同的脆性，楊氏模量越大，泊松比越低，巖石脆性越高。

巖石礦物組分也是影響巖石脆性的主要因素之一。其中，石英礦物可作為脆性礦物，其含量越高巖石脆性越好；黏土礦物為塑性礦物，其含量越高，巖石塑性越好，且隨著黏土礦物含量的升高，楊氏模量和泊松比減小。巖石孔隙也會(huì)在一定程度上影響脆性，孔隙度增加，楊氏模量和泊松比均會(huì)減小。且在目的層脆性礦物差異較小時(shí)，孔隙度可能對(duì)巖石脆性產(chǎn)生較大的影響。因此結(jié)合目的區(qū)已知地質(zhì)資料及鉆探揭露情況，分析巖石樣本的孔隙度和礦物組成，利用泊松比反演和楊氏模量反演（圖4），建立適合用于目標(biāo)區(qū)的脆性巖石物理模板；最后結(jié)合地震、測(cè)井資料及目標(biāo)區(qū)以往揭露導(dǎo)水裂隙分布情況，對(duì)其層地震脆性帶分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到了脆性帶的分布情況，對(duì)礦井的采動(dòng)裂隙可能發(fā)生的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖4 楊氏模量地震反演剖面Fig.4 Yang’s modulus seismic inversion profile

3 結(jié)語(yǔ)

地震縱波能夠通過(guò)流體而橫波不能，是地震預(yù)測(cè)地層含水性的理論基礎(chǔ)，而目前煤田地震勘探屬于縱波勘探，泊松比作為連接縱波、橫波速度的一個(gè)橋梁，通過(guò)地震資料獲取地下傳播介質(zhì)的泊松比信息，為地震勘探預(yù)測(cè)煤層及其圍巖含水層提供了一個(gè)可行的路徑。地震波在地層中傳播過(guò)程中會(huì)隨著地層巖石彈性性質(zhì)變化而變化，這在一定程度上反映了煤層巖石物理特征，地層的巖石物理特征又決定著其在應(yīng)力作用下能否形成裂隙，及形成多大規(guī)模的裂隙，基于這一點(diǎn)最終通過(guò)地震勘探技術(shù)預(yù)測(cè)導(dǎo)水通道容易形成的區(qū)域,為煤礦的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。