淺談煤礦陷落柱地震解釋技術

陳春嶺，代金芝

（山西省煤炭地質115勘查院，山西大同037003）

淺談煤礦陷落柱地震解釋技術

陳春嶺*，代金芝

（山西省煤炭地質115勘查院，山西大同037003）

長期以來，煤礦陷落柱一直嚴重威脅著我國北方一些煤礦的高產高效安全生產及綜合機械化采煤機組的正常運行。近幾年，高分辨三維地震正成為探測陷落柱的重要手段。基于此，簡單介紹了幾種陷落柱的三維地震解釋方法。

陷落柱；三維地震；地震解釋

煤礦陷落柱是指煤田地區下伏石灰巖中巖溶發育，在重力作用下，上覆巖層（包括煤系地層）向下塌陷所形成的錐狀或柱狀堆積物，陷落柱的賦、導水性也因地而異。陷落柱主要分布于我國北方石炭、二疊系煤田區。陷落柱的危害很大，會導致煤炭資源的損失，影響采掘工程的進展和回采工作面的布置，還會惡化生產環境、引發突水災害等。因此，陷落柱的探測極有意義。

1　陷落柱的地質特征和地球物理特征

1.1陷落柱的空間形態、結構特征及構造特征

（1）陷落柱的空間形態。陷落柱的空間形態是指其在空間的表現形態，按平面形態可分為圓形、橢圓形和不規則形等，常見的多為橢圓形陷落柱，由于陷落柱空間變化的復雜性，其平面形態只反映陷落柱的切片，有可能一個平面與另一平面的形態不同，按剖面形態可分為圓錐形、漏斗形、筒狀形、斜塔形和不規則形等。其規模大小不等，一般幾米到數百米。

（2）陷落柱結構特征。實際陷落柱的結構非常復雜，根據有關地質研究，大體在縱向上可劃分為下沉區和塌陷區；在橫向上劃分為柱外構造帶和塌陷帶等。

下沉區指陷落柱柱頂以上厚度約十幾米的巖層向下凹陷區域，其水平方向分布與柱體大小有關，一般為幾十米，由下沉欠壓實作用，下沉區結構疏松，密度較小。

塌陷區分布于柱頂與溶洞之間，包括柱內冒落巖塊的分布區段和環形斷層形成的圍巖陷落區段。柱內混雜堆積著破碎巖塊，巖塊間由泥質填充、膠結，塊度差異較大，可從幾厘米到幾米甚至幾十米。柱內巖性一般比較雜亂，有時也會保持基本層序，但產狀不一，極度傾斜。

（3）陷落柱的構造特征：

①柱內巖性：由于陷落柱是從下往上逐漸坍塌的，因此，柱內巖性時代較圍巖為新。據坑道揭露，柱內空間由破碎巖塊堆積而起，巖塊之間由泥質充填、膠結，巖塊大小差異較大，可從幾米至幾十米。有時還可見到第四系黃土充填的陷落柱。巖塊的巖性，取決于上部巖層的巖性，從柱內巖性特征可以判斷巖塊的陷落深度。柱內巖性一般比較雜亂，有時也會保持基本層序，產狀不一，極度傾斜。

②柱面：陷落柱的柱面不是一個抽象數學面，也不是一個光滑的物理面，而是與斷層面一樣，含有“體”的概念。據坑道揭露，陷落柱的柱面極為粗糙，凹凸巖塊參差不齊，常發育2種構造：一種為擦痕，是柱體或巖塊向下陷落時與圍巖相互摩擦所留的擦痕，這種擦痕一般較短，且散亂，無統一的摩擦面。另一種為擠壓軟泥，質地細膩，常附著于巖塊表面，巖塊有擠壓變形特征。也有個別巖塊擠入煤層中的現象。

③柱外構造帶：在陷落柱附近的圍巖中，常伴有節理、裂隙、撓曲、斷層等派生構造。

1.2陷落柱在地震時間剖面和切片上的反映特征

1.2.1陷落柱在地震時間剖面上的反映特征

陷落柱體是由塊度大小不均、排列雜亂無章的上部地層塌陷物膠結而成的。與正常賦存地層相比，在地層的連續性、產狀、巖性等方面，均有很大差別。陷落柱與圍巖存在的物性差異是形成異常地震波的基礎，這些異常為地震方法識別和判定陷落柱提供了依據。陷落柱在時間剖面上有不同于其他地質體的反映特征，如圈閉、延遲繞射波等。在野外實測陷落柱的時間剖面上，有比模型剖面特征更為復雜的特征，如側面波的出現等。因此，掌握陷落柱在時間剖面上的表現特征，對于陷落柱的判斷及解釋尤其重要。陷落柱在時間剖面上的反映特征如下：

（1）標準反射波在小范圍內突然中斷或消失。

（2）標準反射同相軸中斷，代之以斷續的弱反射同相軸。

（3）標準反射波中斷，中斷段仍與標準反射相似。

（4）在兩斷陷點外側一定范圍內，反射波同相軸有不同程度的彎曲或向陷落中心傾斜的現象，常伴有小斷層出現。有時出現明顯的反射強度逐漸減弱的現象，這是柱外構造帶在時間剖面上的反映。

（5）反射波動力學特征突變，如振幅突然減弱，波形變化無規律，頻率明顯變低，出現高頻干擾，相位不連續，經過一段距離后又恢復正常。

（6）同相軸的分叉與合并出現陷落柱內部充填物雜亂，反射波會出現相長或相消干涉，使得陷落柱兩端的同相軸出現分叉與合并現象，也是判斷陷落柱的重要標志。

（7）同相軸出現圈閉現象，同相軸先分叉又合并形成鐵餅狀圈閉，也是陷落柱在剖面上的特征反映。

（8）異常波出現，異常波包括繞射波、延遲繞射波、側面波等等。當陷落柱的直徑較小時，或測線通過陷落柱的邊部，判斷陷落柱的其他特征(如強反射消失等)沒有出現，或不明顯，此時異常波對判斷陷落柱就顯得異常重要。與陷落柱有關的異常波如下：

繞射波：繞射波產生于巖性間斷點，在有陷落柱的地層中，陷落柱內的巖性與圍巖不同，陷落柱的柱面就是不同巖性的接觸面，按廣義繞射理論，繞射是普遍存在的，沿柱面均可產生繞射波。但幾何的點和線不可以有一定能量的繞射波，一個繞射體必須與地震波長相當才可產生可觀察繞射波能量，繞射波強度與反射波段長度成正比。繞射波在經過偏移處理后，可回收到斷陷點處，這是繞射波不同于其他波的地方。

延遲繞射波：斷陷點繞射波的前半枝與正常繞射波無異，而后半枝由于繞射射線穿越低速的陷落柱體而發生時間延遲。延遲繞射波是陷落柱獨有的特殊波，是陷落柱在時間剖面上表現的最重要的特征之一。

側面波：陷落柱為一復雜的地質體，在陷落柱四周一定范圍內，地層常常向柱體方向傾斜，并且柱內堆積著雜亂的尺度不一的陷落塊體，因此，在二維測線上，常接收來自測線剖面旁側的地質體的反射波，即側面波。在二維時間剖面上，由于側面波的無規律或規律性不強，往往干涉別的規則波，且不易識別，只有較強能量、較大長度反射段的側面波可被分辨出來。

回轉波：回轉波一般產生于向斜部位，當向斜的曲率中心位于地下時，便產生回轉波。當向斜軸部有陷落柱且向斜曲率較大時，同樣會產生回轉波現象。在水平疊加時間剖面，上出現明顯回轉波的地段，是否存在陷落柱往往不能完全確定。在偏移后，回轉波正確成像可以識別。

1.2.2陷落柱在切片上的反映特征

陷落柱在屬性切片上的形態特征多呈橢圓形、似圓形，有時可見到長條形或串珠狀，這與斷層、巷道以及采空區的特征可以明顯區分，斷層往往呈細條帶狀，采空區以及巷道多呈規則狀。陷落柱在切片上的影響范圍隨著所切位置的塌陷范圍的變化而變化。

2　陷落柱的解釋

2.1常規解釋

在地震時間剖面上識別和判定陷落柱的主要依據有：反射波或反射波組終止；反射波同相軸扭曲或產狀突變；反射波同相軸產生分叉合并和圈閉現象。

反射波相位轉換或反射波振幅突變：由于陷落柱內地層塌陷的牽引，陷落柱周圍的地層常產生向陷落柱方向下傾，導致地震時間剖面上出現類似于“倒漏斗”的特征，這也是判斷陷落柱輔助依據。解釋過程中可以充分利用解釋工作站的放大、彩色顯示功能。

2.2屬性解釋

地震屬性是根據地震記錄測量或計算出來的一些參數，它可以表征和研究地震數據內部所包含的時間、振幅、頻率、相位以及衰減特性等。

由于地質體的不均勻性，使地震波場發生變化，因此通過研究地震屬性參數變化與地質異常體的關系，可以達到直接或間接地檢測地質異常體的目的。地震屬性技術就是提取、存儲、檢驗、分析、確認、評估地震屬性以及將地震屬性轉換為儲層特征的一套方法。這種技術能從地震數據中提取其他方法無法提取的信息，可以幫助解釋人員對地質現象加以認識，特別是對儲層特征的認識。隨著數學、計算機、信息科學等領域新技術的引入，從地震數據中提取的地震屬性有300余種，并且新的地震屬性還在不斷從地震數據中提取出來，如分維屬性和小波變換屬性以及將傳統的屬性進行疊合、差值、乘積和級聯運算后的復合屬性等。

2.2.1利用方差屬性進行解釋

方差體屬性是在地震多道相關技術發展基礎上出現的，它能夠準確識別地層不連續變化，甚至能夠準確地給出斷裂帶的延展方向，是有效地檢測地層不連續變化的解釋性處理技術。

方差體技術的原理是求取三維地震數據體所有樣點的方差值。首先，在一定時窗內求取每個樣點與周圍相鄰地震道所有樣點平均值之間的方差值，然后再加權歸一化，獲得一個表示地震數據差異性的方差數據體；在方差體計算過程中，參數有時窗長度、計算道數與算法。

現有的解釋技術主要解釋方差數據體產生的等時切片、方差沿層切片。

2.2.2利用層屬性進行解釋

目的層中構造的存在，勢必造成目的層與圍巖的物性差異，這種差異可能體現在地震波至時間、地震波的頻率、振幅、相位差異。因此，計算、研究包含目的層在內的一定時間厚度上層屬性，可能有助于發現小的構造與地質異常體。

2.3速度分析及波阻抗反演技術

一般來講，與其圍巖相比，陷落柱內部地層較新、密度較低、孔隙度較大，因而波速也較低。在擬層速度剖面上，層狀連續的速度被破壞，代之以片狀模糊的速度圖景，代表陷落柱反映的低速鑲嵌在高速背景之上。另外，由于陷落柱與其圍巖相比，多具有波阻抗值較低的特點，所以，在波阻抗反演剖面上可以識別陷落柱的縱橫向分布情況。在陷落柱不太發育地區，不能區分是否為陷落柱還是其他異常體時，該方法往往比較有效。

2.4綜合地球物理方法與可視化顯示技術

無線電坑透、槽波地震、地質雷達等井下物探方法對陷落柱進行探測的效果也較好，這些方法往往在回采工作面巷道或切眼溝通后才能實施。此外，還可以從實際地震資料出發，利用三維可視化顯示技術及地震屬性特征分析法等，直觀地顯示不同煤層中陷落柱的空間賦存情況，進一步增強資料解釋的整體判斷能力，提高對陷落柱判斷的準確性。

3　結論

陷落柱對煤礦的安全生產威脅很大，因此有必要把三維地震多種技術方法綜合應用以提高探測精度。

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1004-5716(2015)07-0163-03

2014-09-09

陳春嶺（1971-），男（漢族），河南鄧州人，工程師，現從事物探技術工作。