4.煤矿水害地震信息解释技术

煤矿水害地震信息解释技术1煤矿安全开采与岩性地震勘探三维地震勘探具有大面积密集采集信息的优势，利用地震信息可以从平面和立体角度研究地层构造、岩性变化，是保持煤炭工业可持续发展的重要技术手段之一。目前，煤田三维地震勘探技术已经成为详细查明小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带等重要地质资料的主要手段。但是，其整体水平仍处于构造解释阶段，尚不能解决煤矿安全生产中的所有地质问题，包括煤层顶底板水文地质条件、瓦斯突出条件与力学性质，这些问题均属岩性勘探范畴。构造地震勘探主要利用地震波的运动学特征，即利用地震波的旅行时和波速，计算出地层分界面上各点的埋藏深度，从而确定出地层的构造形态。岩性地震勘探除了利用地震波的运动学特征外，还利用地震波的动力学特征来研究地层的岩性。三维地震数据动态解释技术、地震属性技术、相关/方差体技术、地震反演技术、地震相分析技术和谱分解技术是煤田岩性地震勘探的重要手段。2地震属性技术2.1地震属性地震属性是指从叠前和叠后地震数据中提取出来的运动学、动力学和统计学地震特殊测量值。地震属性技术是指提取、显示、分析和评价地震属性的技术，在煤田地震勘探中包括地震属性的提取、地震属性的分析、利用地震属性区分构造、岩性并进行目的层预测。地震属性的分类没有统一的标准，结合煤田地震勘探的特点，可以根据运动学/动力学特征把地震属性分成八个类别：时间、振幅、频率、相位、波形、相关、吸收衰减、速度。地震属性的类型很多，要根据解决的地质问题来选择相应的地震属性。地震属性技术的关键在于属性提取，提取方式包括同相轴属性提取和数据体属性提取。同相轴属性是与某个界面有关的地震属性，具体提取方法包括瞬时提取法、单道分时窗提取法和多道分时窗提取法。基于数据体的地震属性将产生一个完整的属性体，其最大优点是能产生相关型的数据，从而提供逐道之间地震信号相似性和连续性的有用信息。将固定的三维数据体转化为能反映一定地球物理特征的新三维数据体。最常见的是相干数据体和方差数据体。2.2应用实例1——解释断裂构造发育带2008年6月，安徽宿州煤电有限责任公司界沟煤矿首采区1011工作面在回采过程中，10煤层底板出水。通过电法勘探和钻探工作，发现10煤层以下的太原组灰岩有构造异常带存在，有关专家初步认定为疑似陷落柱。本区可追踪到的有效反射波为T0波、T7波、T10波和Th波。T0波产生于新生界底界和基岩分界面；T7波来自于7煤层产生的反射波；T10波来自于10煤层产生的反射波；Th波是太原组灰岩与底界泥岩产生的，但能量弱连续性差，与上部10煤间距50m左右。图1为本区的典型地震剖面。图1界沟煤矿典型地震剖面但是，对本区的地震资料分析后，没有发现陷落柱存在的地震波形特征。图2为1011工作面运输顺槽的地震剖面，图3为1011工作面回风顺槽的地震剖面。可以看出10煤层对应的反射波T10波连续性很好，局部能量变弱主要是受断层带的影响。同时，10煤层以下地层的多个反射波也未发现突然中断或消失现象。因此，陷落柱的存在是不成立的。图2界沟煤矿1011工作面运输顺槽地震剖面另一方面，在1011工作面、1013工作面回采过程中，发现了多个落差小于3m的断层，见图4。这些断层在地震剖面上均无显示，但其走向、产状、落差大体相当，很明显是个断裂构造发育带，并且这个断裂构造异常带不仅破坏了煤层，并且直接影响到太原组灰岩地层。图3界沟煤矿1011工作面回风顺槽地震剖面图4界沟煤矿1011工作面、1013工作面平面图图5和图6分别为沿4-28孔、4-30孔的地震剖面。这两个钻孔在太原组灰岩顶部附近出水，从对应的地震剖面中可以看出，断裂构造异常带的波形特征为反射波Th的能量降低，相位发生变化，在图中用红线标记。根据反射波Th的波形特征变化，提取了振幅、宽频带能量和主频相位三个地震属性，见图7。从地震属性切片图中可以看出，在断裂构造异常带内，振幅和宽频带能量明显降低，主频相位发生突变。图5界沟煤矿1011工作面沿4-28孔地震剖面图6界沟煤矿1011工作面沿4-30孔地震剖面(a)振幅(b)宽频带能量(c)主频相位图7界沟煤矿首采区Th波地震属性切片利用反射波Th的波形特征和地震属性，能够确定10煤层底板断裂构造异常带的空间位置，共解释两个断裂构造异常带，见图8中的红色区域。图8界沟煤矿首采区10煤层底板断裂构造异常带2.3应用实例2——解释含水溶洞2007年，临沂矿业集团丘集煤矿一采区在11煤层顶板岩巷掘进过程中突然涌水，水量达1200hm/3，极大的影响了煤矿的正常生产根据水文地质资料和地质人员的工作经验，初步判断出水点东南部存在断层或垂直构造。由于7煤层采空区的影响和位于勘探边界，三维地震资料没有做出任何解释，见图9。图9丘集煤矿一采区三维地震解释成果利用煤矿三维地震动态解释系统对三维地震资料进行了重新解释，否定了断层的存在，并且在出水点东南方向200m~300m处发现一个含水溶洞(陷落柱)，其长轴为200m，短轴为150m，见图10。图10丘集煤矿一采区含水溶洞位置解释过程以三维地震资料为主，同时结合矿井地质和水文地质资料。根据地出水点含水溶洞震剖面上煤层反射波同向轴连续性和振幅变化来确定陷落柱边界，T7波对应7煤，T10波对应10煤，T13波对应13煤。在Crossline850~862线之间，不存在7煤层采空区影响，三个煤层反射波均存在，且信噪比和分辨率均较高，每隔10m切一条地震剖面，可以观测到含水溶洞的整个变化过程。图11中，T7波、T10波连续性好且振幅强，而T13波连续性好但振幅在陷落柱处变弱，初步定位于溶洞边界。图11丘集煤矿一采区Crossline850线地震剖面图12中，T13波同向轴出现空白带，但并不存在落差，这是典型的溶洞反映。图12丘集煤矿一采区Crossline852线地震剖面从Crossline854线地震剖面开始，含水溶洞影响到10煤层的T10波，见图13；从Crossline858线地震剖面开始中，溶洞影响到7煤层的T7波，见图14。含水溶洞含水溶洞图13丘集煤矿一采区Crossline854线地震剖面图14丘集煤矿一采区Crossline858线地震剖面根据煤层反射波的波形变化特征，提取了T13波的多个地震属性，把多种地震属性融合到一起得到地质目标属性体的最佳图像，图15是气烟窗体和岩丘体的地震剖面。从地质目标属性体剖面中可以准确判断，含水溶洞的发育高度和空间形态。(a)气烟窗体(b)岩丘体图15丘集煤矿一采区T13波地震属性剖面同时，从地震属性切片图中可以准确地确定含水溶洞的空间位置，见图16。含水溶洞含水溶洞(a)曲率(b)能量(c)相似性(d)地震相图16丘集煤矿一采区T13波地震属性切片根据三维地震动态解释结果，邱集煤矿于2008年进行了地面瞬变电磁探测工作，进一步确定了含水溶洞(陷落柱)的位置和导水性，并在巷道出水点处安置水闸门进行了成功堵水。2.4结论地震属性技术的主要特点是利用更多的地震信息(主要是动力学信息)，并且借助计算机的高分辨能力对地震属性参数定量化，进行综合分析，避免了人为因素的影响。3地震反演技术3.1地震反演技术地震反演利用地表观测地震资料，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和物理性质进行成像(求解)的过程，是反演地层波阻抗(或速度)的地震特殊处理解释技术。地震反演方法具有明确的物理意义，是预测岩性的确定性方法，在油气勘探中取得了显著的地质效果。煤田地震反演工作起步较晚，处在叠后地震反演的研究和初步应用阶段。近年来，我们把地震反演技术应用于多家煤矿，其关注的重点是煤矿安全开采的有关地质问题，获得了丰富的地质成果，主要包括：(1)利用反演剖面提供的岩性信息来划分地层，研究煤层顶板的稳定性；(2)确定奥陶系灰岩顶部岩层中的含隔水性，查明含、隔水层的空间分布和厚度分布；(3)圈定岩浆岩侵入煤层的范围；(4)预测煤层厚度；(5)预测煤层瓦斯富集带；(6)划分新生界下部地层岩性和含隔水性。3.2应用实例1——奥陶系灰岩顶部含隔水层的空间分布和厚度分布在临沂矿业集团新驿煤矿下组煤水文地质补充勘探工作中，利用地震反演技术查明部分水文地质条件，主要包括奥陶系顶部含、隔水层的空间分布和厚度分布。研究成果突破了传统煤田地质学理论，表明奥陶系灰岩不完全是一个含水层，其顶部就有隔水层存在，可以为建立矿井突水的水量预测模型提供基础资料。在常规地震剖面上，无法对奥陶系内部进行分层，原因是信噪比低和反射系数小(相对煤层而言)。但是利用地震反演剖面，借助相对波阻抗值的差异，便能够确定奥陶系顶部灰岩中的含、隔水层的空间分布和厚度分布。图17是水1—群2联井波阻抗反演剖面，从中可以看出奥陶系顶界面、隔水层和含水层的分层位置。图18是隔水层底界面的波阻抗切片；图19是含水层底界面的波阻抗切片。波阻抗切片能够提供整个研究区域内的含、隔水层岩性信息，隔水层的平均波阻抗明显高于含水层的平均波阻抗，利用该信息能够比较准确地确定奥陶系灰岩中的含、隔水层的空间分布。图17新驿煤矿联井波阻抗反演剖面图18新驿煤矿奥陶系隔水层底界面波阻抗切片图19新驿煤矿奥陶系含水层底界面波阻抗切片16煤奥陶系顶界面隔水层底界面含水层底界面通常情况下，地下岩层的波阻抗值与孔隙度成反比关系，即岩层的波阻抗值增大时孔隙度随之减小，反之亦然。因此，在波阻抗反演的基础之上进行孔隙度反演处理。图20为水1—群2连井波阻抗反演剖面和孔隙度反演剖面的对比图；图21为奥陶系灰岩顶界面波阻抗切片；图22为奥陶系灰岩顶界面孔隙度切片。从图20中可以发现，波阻抗值较高的区域对应着孔隙度值较低的区域，即岩层的波阻抗与孔隙度成反比的关系。这一规律在图21和图22中也得到充分的体现，当波阻抗值在逐渐减低时，孔隙度值却在不断增加，中间并存在有一定的过渡区域。(a)波阻抗反演剖面(b)孔隙度反演剖面图20新驿煤矿连井反演剖面对比图图21新驿煤矿奥陶系灰岩顶界面波阻抗切片奥陶系顶界面16煤图22新驿煤矿奥陶系灰岩顶界面孔隙度切片3.3应用实例2——第四系底部含隔水层的空间分布和厚度分布许厂煤矿1304工作面南部第四系底界距3煤层间距在40m至60m之间，为矿井生产安全和研究提高开采上限，利用二维地震资料进行岩性反演，以研究第四系底部含隔水层的空间分布。第四系下段地层按粒度可分为两类：一是砂类，其碎屑颗粒大，反映沉积时水动力条件强，沉积速度快，含水量大，有一定的渗透性；二是粘土类，形成于水动力条件弱、沉积速度比较缓慢的地质环境中，含水量小，渗透性较弱。第四系地层中砂、粘土层的物性有一定差异。砂层一般表现为高视电阻率、高密度、自然伽玛强度低、较高自然电位异常；而粘土层则表现为低视电阻率、高密度、自然伽玛强度高、自然电位曲线接近基线，二者比较容易区分。因此，通过多条测井参数曲线对比可以较可靠地划分不同岩性岩层。本次研究工作中，对21条测线进行了反演处理，测线长度34.42km。共得到三种岩性反演剖面，即速度反演剖面、密度反演剖面和波阻抗反演剖面。图23、图24和图25分别为26线的速度反演剖面、密度反演剖面和波阻抗反演剖面。图23许厂煤矿1304工作面26线速度反演剖面图24许厂煤矿1304工作面26线密度反演剖面图25许厂煤矿1304工作面26线波阻抗反演剖面可以看出，反演剖面比常规剖面具有更高的纵向分辨率，从中可以发现5组能够连续追踪的反射波，利用井旁合成地震记录，可确定它们对应的地质层位。图26为26线的第四系底部砂、粘土分布图。综上所述，利用地震反演技术并结合钻探、测井资料，可以解释1304工作面第四系底部的含、隔水层分布情况。在第四系底部50m范围内具有交互连续沉积的3个砂层和4个粘土层，其表现为物性分布的成层且连续。图26许厂煤矿1304工作面26线第四系底部砂、粘土分布图3.4结论地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，是一门集地震、测井、地质、计算机等多学科的综合地球物理勘探技术。根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件，对井旁地震资料进行约束反演，并在此基础上对孔间地震资料进行