煤層變薄帶的地震響應特征

徐書恩

(晉能集團有限公司，山西　太原　030013)

·專題綜述·

煤層變薄帶的地震響應特征

徐書恩

(晉能集團有限公司，山西太原030013)

摘要煤層變薄帶是煤田中常見的地質現象，直接影響著礦井安全生產和經濟效益的提高，因此，準確地圈定出煤層變薄帶顯得尤其迫切與重要。根據實際資料建立含有煤層變薄帶地質模型，從理論上對所得到的煤層變薄帶與煤層穩定帶的地震響應特征進行比較，結果表明，在煤層變薄帶上具有明顯的地震響應特征：時間剖面上反射波振幅減弱，甚至消失。結合實例驗證了該地震響應特征在煤層變薄帶的應用效果，從而為以后地震勘探測煤層變薄帶提供依據。

關鍵詞地震勘探；煤層變薄帶；正演模擬；地震響應特征；振幅

煤層變薄是煤田地質中常見的地質現象。對于生產礦井來說，煤層變薄帶界線是采場布置、采煤方法( 炮采、綜采、綜放) 選擇的重要依據，也直接影響礦井安全生產和經濟效益的提高。隨著煤礦生產機械化程度的不斷提高，準確地圈定出煤層變薄帶范圍顯得尤為重要。隨著三維地震勘探在煤礦上的廣泛應用，根據煤層變薄在地震時間剖面和屬性切片上的表現特征，可很好地解決該問題。

本文根據煤層變薄帶的實際資料，建立相關地質模型，對該模型進行正演模擬，對得到的地震剖面進行地震響應特征分析，并對煤層穩定帶與變薄帶區域進行比較，得出了煤層變薄帶的地震響應特征。最后以山西某煤田的煤層變薄帶在地震剖面及屬性切片的特征為例，對該地震響應特征進行了進一步的驗證。

1煤層厚度探測的基本原理

多數煤層厚度小于10 m(一般為1.0～6.0 m)，在煤田地震勘探的范疇來看，與煤層反射主波長λ(45 m左右)相比，煤層厚度小于λ/4，煤層反射波實際上是煤層及其頂底板界面的復合反射波[1].程增慶[2]根據煤層厚度與反射波振幅或能量成準線性關系，利用反射振幅參數來估算煤層厚度。董守華等[3]分析了煤層厚度與地震振幅、頻率屬性的關系，認為煤層厚度在0～8 m時，地震振幅和頻率屬性與煤層厚度之間為一個單調非線性關系。孟召平[4]等人通過地震屬性的分析，優選出平均峰值振幅、振幅的峰態、最大絕對振幅、瞬時頻率斜率等4種地震屬性作為煤層厚度預測模型基本參數，并利用多元多項式回歸以及BP 人工神經網絡方法，求出了各屬性與煤厚之間的多元多項式回歸模型及人工神經網絡模型，取得了良好的效果。索重輝及常鎖亮[5]等人通過對煤層厚度及兩種地震屬性進行非線性回歸分析，找出整合多種地震屬性對煤層厚度進行預測的方法，并用該方法對實際礦區的煤層厚度進行預測，取得了較好的結果。

2正演模擬

當煤層厚度變化很大(剝蝕、變薄)時，會導致地震波在傳播時間或振幅上出現明顯的異常，該異常用常規理論無法解釋，為了很好解決這一異常，首先進行正演模擬，得出振幅與煤層變薄帶的統計關系。根據相關資料，建立含有煤層變薄帶的地震地質模型(見圖1，2)，共設計了5層介質，分別為上組煤層頂板砂巖、上組煤層、上組煤層底板砂巖、下組煤層以及下組煤層底板砂巖，其中上組煤層厚度較為穩定，厚度為5 m；下組煤層575～625 m區域為煤層變薄帶，厚度為0.5～2 m，其余區域厚度較穩定，厚度為5 m.模型參數按如下設置：上組煤層頂板砂巖的縱波速度為3 600 m/s，密度為2 290 kg/m3；上組煤層的縱波速度為2 200 m/s，密度為2 086 kg/m3；上組煤層底板的縱波速度為3 800 m/s，密度為2 320 kg/m3；下組煤層的縱波速度為2 200 m/s，密度為2 086 kg/m3；下組煤層底板砂巖的縱波速度為4 200 m/s，密度為2 380 kg/m3.

圖1　地質模型圖

圖2　放大后的地質模型圖

正演模擬采用有限差分法進行正演計算，子波為雷克子波，主頻60 Hz，計算剖面長度為1 250 m，深度為720 m.采樣間隔為0.4 ms，采用中間放炮的激發方式，共19炮，炮排距為30 m，排列片為72道，道距為10 m.經模擬后的得到的單炮記錄剖面見圖3，圖3左圖為煤層厚度穩定帶的單炮記錄，圖3右圖為煤層變薄帶正上方的單炮記錄，兩個時間剖面上都出現了直達波，0.2 s與0.3 s位置也分別出現了上、下組煤層的地震反射波。兩個單炮記錄的主要區別在于下組煤層反射波同相軸：煤層穩定帶的單炮記錄近、遠道反射波振幅強弱穩定；煤層變薄帶單炮記錄的近道反射波振幅較弱，隨著炮間距的增大，遠道的振幅逐漸增強。

圖3　單炮記錄圖

經過一系列處理后得到的地震時間剖面見圖4，由圖4可以看到，上、下組煤層的反射波同相軸，由于上組煤層厚度較為穩定，煤層反射波連續性較好，波形特征明顯；在下組煤層厚度較穩定區域，煤層反射波連續性也較好，振幅較強，能量穩定，而在煤層變薄帶，反射波能量減弱，波阻抗差異性變小，同相軸變弱或消失。剖面兩端煤層反射波振幅明顯減弱是由于覆蓋次數降低引起的。

圖4　地震剖面圖

3實例分析

勘探區屬于山西省沁水煤田某礦區，區內地層自下而上依次為：古生界奧陶系中統、石炭系中上統、二疊系、中生界三疊系、新生界第三系上新統和第四系。主要可采煤層為3#、9#以及15#煤層，區內含煤地層中煤層頂、底板基本上以砂巖、粉砂巖、炭質泥巖為主，主要可采煤層與圍巖密度和速度差異較大，波阻抗差異明顯，有利于地震標準波形成，是一系列良好的反射界面，可形成品質較好的、可供全區連續追蹤的反射波(見圖5).

圖5　區內典型的時間剖面圖

由圖5可知，該區15#煤層厚度變化在1.2～3.2 m，煤層的厚度由東南角向西部逐漸變厚，15#煤層的薄煤區面積較大的地方，主要集中在測區的東部。由于15#煤層的變薄或突然漸滅，使得煤層變薄區的反射波同相軸相位及頻率發生變化，振幅明顯減弱或缺失(圖6).同時還可以利用三維解釋系統時間切片、層拉平等手段對這種現象進行分析，利用這一技術，在振幅屬性切片上可以快速、準確確定煤層變薄帶的范圍[6-8].15#煤層的薄煤區在均方根振幅屬性和振幅順層屬性見圖7,8，在煤層變薄區域能量明顯減弱(圖中箭頭所指以及線框所圈區域)。

圖6　15#煤層的變薄區在時間剖面上的反映圖

4結論

三維地震勘探資料的振幅信息與煤層厚度存在著準線性關系，通過分析，可準確圈定煤層變薄帶的范圍。煤層穩定帶在時間剖面上表現為振幅穩定，連續性較強，煤層變薄帶在時間剖面上表現為反射波的振幅變弱，甚至消失；在三維屬性切片中的振幅切片中可根據顏色深淺快速劃分出煤層變薄帶。根據以上地震響應特征為以后三維地震探測煤層變薄區提供了切實可行的方法。

圖7　15#煤層的薄煤區在均方根振幅屬性上的反映圖

圖8　15#煤層的薄煤區在振幅順層屬性上的反映圖

參考文獻

[1]唐聞榜.地震反射法中薄煤層分辨能力的研究[J].地球物理學報,1987,30(6):641-652.

[2]程增慶,吳弈峰,張書生,等.用地震反射波定量解釋煤層厚度的方法[J].地球物理學報,1991,34(5):657-662.

[3]董守華,馬彥良,周明.煤層厚度與振幅、頻率地震屬性的正演模擬[J].中國礦業大學學報,2004,33(1):32-35.

[4]孟召平,郭彥省,王赟,等.基于地震屬性的煤層厚度預測模型及其應用[J].地球物理學報,2006,49(2):512-517.

[5]索重輝,常鎖亮,彭仕宓,等.地震屬性在煤層厚度預測上的分析與應用[J].科學技術與工程,2011,13(34):8429-8433.

[6]徐亞兵,呂進英.利用三維地震技術圈定煤層變薄帶范圍[J].中州煤炭,2012(2):33-34.

[7]劉最亮,張少青.利用地震屬性劃分瓦斯富集帶[J].中國煤炭地質,2011,23(7):52-55.

[8]呂進英.煤層地震波振幅切片解釋煤層變薄帶及應用實例[J].安徽地質,2008,18(1):29-31.

Study on Seismic Response Characteristics of Coal Seam Thinning Belt

XU Shuen

AbstractCoal seam thinning belt is common geological phenomenon in coalfield and direct influence mine safety production and economic benefit, therefore coal seam thinning accurately delineated is extremely urgent and important.According to the actual data establishes geological model contained coal seam thinning belt, theoretically compare the seismic response characteristics of the resulting coal seam getting thinner zone and stability zone.the results show that the seismic response of the coal seam thinning belt has obvious features: reflected wave amplitude decreases and even disappear on the time section.Combined with examples demonstrate the application effect of the seismic response characteristics in coal seam thinning zone,thus provides a basis for seismic exploration to detect coal seam thinning zone in the future.

Key wordsSeismic exploration; Coal seam thinning belt; Forward modeling; Seismic response characteristics; Amplitude

中圖分類號：TD166

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2015)08-0049-03

作者簡介：徐書恩(1969—)，男，山西五臺人，1991年畢業于山東礦業學院，工程師，主要從事地測防治水技術管理工作(E-mail)xushuen109@163.com

收稿日期：2015-06-12