古城礦陷落柱構(gòu)造三維地震精細識別技術(shù)應用研究

路鑫

（山西潞安化工集團有限公司 古城煤礦，山西 長治 016100）

0 引 言

礦井水文地質(zhì)評價中需要了解和掌握礦井導水通道，陷落柱作為重要的導水通道，一直是礦井地質(zhì)勘探任務的重點[1]，特別是礦井復雜地質(zhì)條件區(qū)，陷落柱的精細識別技術(shù)尤為重要。目前，三維地震勘探以其良好的信噪比和分辨能力，在煤田構(gòu)造探測中作用廣泛，但針對復雜地質(zhì)條件下，精確和精準識別陷落柱構(gòu)造及其空間組合特征有待進一步提高[2]，需要結(jié)合不同地質(zhì)條件變化采用相關(guān)技術(shù)組合方法。趙慶彪[3]綜合利用地面鉆探、三維地震、瞬變電磁等多種探測方法、技術(shù)，圈定的東龐礦突水陷落柱構(gòu)造的空間位置和準確度得到了提高；基于地震的正演模擬技術(shù)，李艷芳[4]等模擬不同空間陷落柱地震數(shù)據(jù)屬性特征，分析陷落柱識別的三維地震數(shù)據(jù)體比二維數(shù)據(jù)體優(yōu)越性和準確性特征[5]；周俊杰[6]等利用地面和井下多種方法技術(shù)探測陷落柱，特別是陷落柱邊界的識別；彭洪濤[7]利用地震曲率技術(shù)在解釋小斷層的識別、邊界界面等方面取得了成效。陷落柱構(gòu)造精細識別，特別是復雜構(gòu)造區(qū)形成多種組合陷落柱的方式，需要綜合分析和評價單個陷落柱和組合陷落柱構(gòu)造邊界問題。

通過古城煤礦北二盤區(qū)已采集的地面三維地震勘探數(shù)據(jù)體，結(jié)合礦井地質(zhì)條件建立三維地震正演地質(zhì)模型，分析和評價不同空間陷落柱模型對三維地震屬性、信號等多地震傳播參數(shù)的響應特征。對處理的三維地震數(shù)據(jù)體，采用地震多屬性參數(shù)分析技術(shù)，精細、準確識別出陷落柱構(gòu)造空間參數(shù)。

1 古城煤礦地質(zhì)條件

根據(jù)古城礦以往勘探，礦井的主要可采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組上段和二疊系下統(tǒng)山西組，現(xiàn)開采山西組3 號煤層，煤層厚3.35～10.25 m，平均厚6.32 m。地表物質(zhì)主要為第四系黃土覆蓋，厚度為80～120 m，存在有一定厚姜石層，對地震數(shù)據(jù)采集有一定影響。

古城煤礦北二盤區(qū)存在較為復雜地質(zhì)構(gòu)造（圖1），井田內(nèi)斷層較多，落差≥20 m 的斷層29 條，20 m>落差≥5 m 的斷層46 條，落差>5 m 的斷層極為發(fā)育。井田內(nèi)3 個向斜、6 個背斜，區(qū)內(nèi)小的褶曲也較為發(fā)育。盤區(qū)構(gòu)造以北北東—北東東走向，整體上表現(xiàn)為單斜構(gòu)造。

圖1 古城礦構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Gucheng Mine

2 陷落柱構(gòu)造地震響應特征

2.1 地震波場三維正演模擬技術(shù)

三維地震波場的模擬，采用自編制的有限差分方程方法，求解波動方程的方式，進行正演模擬?？紤]到計算精度、計算效率等問題，正演模擬中采用的是將所有連續(xù)偏導數(shù)用差分算子近似逼近的方法來解決波動方程問題。為消除有限差分頻散現(xiàn)象的影響，使用高階有限差分格式、較小步距的交錯網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和不規(guī)則網(wǎng)格方式，進行中心差分向高階有限差分的轉(zhuǎn)變。

高階有限差分正演中采用4 階Lax Wendoroff Correction （LWC）、8 階LWC 計算方法，得到0.4s 多種波場快照（圖2）。對比不同階數(shù)、不同差分算法的模擬結(jié)果，4 階LWC（圖2a）、8階LWC（圖2b） 的波場快照存在數(shù)值頻散，尤其是4 階LWC 方法數(shù)值模擬得到的波場快照，頻散現(xiàn)象十分明顯，而4 階解析離散算法（NAD） 的數(shù)值模擬波場快照（圖2c） 數(shù)值頻散得到明顯壓制。

圖2 不同階數(shù)有限差分相同粗網(wǎng)格的波場快照（t = 0.4 s）Fig.2 Wave field snapshots of the finite difference same coarse grid with different orders（t =0.4 s）

2.2 不同剖面形態(tài)陷落柱地震響應特征

依據(jù)地質(zhì)資料，建立煤層埋深為300 m，陷落柱距地表距離為245 m，建立地質(zhì)模型（圖3），在280 ms 左右形成煤層反射波，在煤層反射波下產(chǎn)生了延遲繞射波。圖4 為陷落柱正演模擬時的波場快照，圖4（a） 為170 ms 時，地震波即將到達煤層，地震波在陷落柱邊界位置發(fā)生輕微繞射；圖4（b） 為220 ms 時，地震波到達煤層的波場快照，圖中繞射現(xiàn)象很明顯，并且在陷落柱邊界位置處產(chǎn)生延遲繞射現(xiàn)象；圖4（c） 中為295 ms 時地震波完全穿過煤層，到達奧灰?guī)r層時的波場快照，由于陷落柱速度低，此時陷落柱內(nèi)部出現(xiàn)明顯延遲繞射波。

圖3 直徑15 m 直立陷落柱模型Fig.3 Vertical collapse column model with diameter of 15 m

圖4 直徑15 m 直立陷落柱波場快照Fig.4 Wave field snapshots of vertical collapse column with diameter of 15

3 陷落柱三維地震精細識別技術(shù)

陷落柱構(gòu)造存在于華北礦井主要可采煤層的礦井中，主要由下伏奧灰?guī)r溶洞垮落塌陷形成的，在陷落柱邊界位置常形成碎塊物質(zhì)，內(nèi)部為較為均一的巖體。由于陷落柱體的下陷作用，在陷落柱的邊界處地層的連續(xù)性、產(chǎn)狀、巖性方面均產(chǎn)生不同程度的差異，這些差異在地震波傳播中產(chǎn)生異常地震波，也是解釋陷落柱的物理前提。在對陷落柱的精細識別中，充分利用偏移三維地震數(shù)據(jù)體，并結(jié)合疊加三維地震數(shù)據(jù)體，運用垂直時間剖面、水平時間切片、順層振幅、綜合顯示等多種手段進行全方位的解釋。

（1） 斷陷點的解釋。

斷陷點的解釋是陷落柱解釋的基礎環(huán)節(jié)。在地震垂直時間剖面和水平時間切片上表現(xiàn)為反射波終斷，連續(xù)性變差，視頻率降低，極性反轉(zhuǎn)，有時還伴有產(chǎn)狀突變等現(xiàn)象，陷落柱頂部位置，可見地震反射波或繞射波（圖5）。

圖5 陷落柱在時間剖面與切面圖上的反映Fig.5 The reflection of collapse column on time section and cross section

（2） 陷落柱的組合。

在進行資料解釋時，先從一個方向（橫向或縱向） 剖面進行解釋，并與另一方向剖面進行閉合。把相鄰測線上性質(zhì)相同、大小變化有規(guī)律的斷陷點組合起來，通過水平時間切片與順層切片進行平面形態(tài)的圈閉，并通過屏幕動態(tài)監(jiān)視陷落柱的空間形態(tài)，最終確定陷落柱的整體形態(tài)。

針對古城煤礦陷落柱構(gòu)造的三維地震數(shù)據(jù)體，綜合運用三維地震屬性識別技術(shù)進行陷落柱構(gòu)造平面分布邊界的識別。利用三維地震瞬時振幅屬性（圖6a 和圖6b），可知陷落柱構(gòu)造的邊界基本表現(xiàn)為“環(huán)形構(gòu)造”或者是近橢圓形“圈閉構(gòu)造”特征；基本上以三維地震梯度級別屬性為環(huán)狀分布特征（圖6c），表現(xiàn)為陷落柱構(gòu)造的邊界處為地震數(shù)據(jù)梯度異常變化地段，通過地震屬性梯度計算可精細識別出陷落柱構(gòu)造圈定的邊界位置；利用三維地震數(shù)據(jù)方差體進行陷落柱的識別表現(xiàn)為近于環(huán)狀閉合的方差屬性平面分布特征（圖6d）。

圖6 陷落柱地震不同屬性特征反映Fig.6 The reflection of different attribute characteristics of collapse column earthquake

綜合運用三維地震屬性識別技術(shù)，對探測區(qū)進行綜合解釋。解釋的陷落柱DX5 平面圖上呈長軸走向N40°E 橢圓形平面分布特征，解釋3 號煤層陷落柱直徑20 m×40 m，邊界位置清晰。根據(jù)礦井采掘工作面實測和揭露，驗證了識別出的陷落柱形態(tài)與邊界結(jié)果，其準確性和精確性得到提高，取得了良好的探測和識別成果。

4 結(jié) 論

礦井地質(zhì)條件較為復雜的古城煤礦，斷層和陷落柱構(gòu)造是礦井安全和精細識別的重點。依據(jù)地面三維地震勘探數(shù)據(jù)，結(jié)合三維地震有限差分正演模擬技術(shù)，分析和評價陷落柱構(gòu)造尺寸變化對地震屬性特征的影響。運用三維地震屬性識別分析方法，識別出陷落柱構(gòu)造空間參數(shù)和地震識別響應特征，形成準確、高效確定陷落柱構(gòu)造精細識別技術(shù)，為類似地質(zhì)條件礦井的地震勘探技術(shù)的綜合應用提供條件。

（1） 針對復雜礦井構(gòu)造建立地質(zhì)模型，采用地震有限差分正演模擬技術(shù)，識別不同類型陷落柱構(gòu)造精細識別的重要地震參數(shù)及其響應特征。

（2） 運用不同時間波場快照分析和識別陷落柱構(gòu)造在地震時間剖面和空間傳播特征，特別是典型波場傳播特征分析。

采用三維地震多屬性綜合識別技術(shù)，特別是地震振幅、振幅梯度和方差體屬性識別技術(shù)精細解釋和識別的陷落柱構(gòu)造，空間參數(shù)準確。