基于頻率差異技術識別澄合礦區奧陶系灰巖溶洞

馬 麗 許德才 馮西會 唐文榜

(1. 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西省西安市，710026；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西省西安市，710005；3.北京軟島科技有限公司，北京市海淀區，100083)

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★ 煤炭科技·地質與勘探★

基于頻率差異技術識別澄合礦區奧陶系灰巖溶洞

馬 麗1,2許德才1,2馮西會1,2唐文榜3

(1. 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西省西安市，710026；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西省西安市，710005；3.北京軟島科技有限公司，北京市海淀區，100083)

澄合礦區的煤炭資源開采面臨奧陶系灰巖巖溶水突出的威脅，以三維地震勘探數據為基礎，對比了不同頻率、不同厚度的煤層與不同頻率、不同規模的溶洞的復合反射系數，分別采用相位剖面和大于80 Hz的高頻諧波振幅屬性解釋了奧陶系灰巖風化界面和奧陶系灰巖溶洞，得到了西卓煤礦三維地震勘探區內溶洞的平面分布，為煤礦安全生產提供了一定的地質依據。

三維地震勘探 頻率差異技術 振幅屬性 奧陶系灰巖溶洞 澄合礦區

渭北煤田澄合礦區位于鄂爾多斯盆地的東南緣，礦區含煤地層為上石炭統太原組和下二疊統山西組，主要可采煤層為5#煤層，厚度為4～5 m，賦存于山西組底部。局部可采煤層4層，分別為山西組的3#、4#煤層和太原組的6#、10#煤層，煤系基底為中下奧陶統灰巖。礦區主要含水層有第四系松散巖類孔隙含水層組，石炭、二疊系砂巖層裂隙承壓含水層組和灰巖巖溶裂隙水含水巖組3類。前兩類含水層受礦區地理位置與地層沉積條件的影響，含水性、透水性均不良，水力聯系較差，為次要影響因素；第三類含水層為目前礦區煤炭資源開采面臨的主要含水層。澄合礦區奧陶系灰巖(以下簡稱奧灰巖)頂面到5#煤層底板間距為16～27 m，礦區奧灰巖靜止水位標高為+370～+380 m，目前主要可采煤層均位于+372 m以下，因此奧陶系灰巖巖溶裂隙水對5#煤層及下伏10#煤層的開采具有較大的威脅。盡管開展了奧灰水綜合防治技術研究、底板加固注漿等防治措施，但受奧陶系灰巖溶洞發育不均、對底板破壞深度影響較大、鉆探工程點狀分布等綜合因素影響，從20世紀90年代至今，礦區內煤礦發生淹井及局部淹井死亡事故4起，共造成41人死亡、2人失蹤，各煤礦開采標高低于奧灰巖靜止水位時均不同程度出現過涌水現象，揭露的奧灰巖溶水主要賦存于中奧陶系峰峰組二段O2f2。

從20世紀末開始，澄合礦區陸續開展了面積超過80 km2的三維地震勘探，三維地震勘探為優化礦井設計、合理布局采區、保障礦井安全生產方面發揮了重要作用，在地震解釋技術迅速發展的情況下，本文以西卓煤礦的三維地震數據為基礎，采用地震分頻技術對奧陶系灰巖溶洞進行解釋。

1 技術原理

奧陶系灰巖(白云質灰巖、灰質白支巖、石灰巖等的統稱)的骨架巖石可視為準均勻介質，但在其內部形成的溶洞及其填充介質使其局部成為非均勻體，從礦井及鉆探揭示，有的溶洞為空洞，有的溶洞被鋁土質泥巖、半膠結的砂泥巖、方解石晶簇等填充，造成奧陶系灰巖整體為弱反射、局部為強反射的反射特征，澄合礦區鉆探揭示的溶洞填充物如圖1所示。

圖1 鉆孔揭示溶洞填充物

唐文榜等人提出采用薄層反射波的振幅用薄層復合反射系數R來衡量。

(1)

式中：r——薄層頂底面反射系數；

h——薄層厚度，m；

λ——薄層介質中傳播的地震波波長，m；

v——地層的波速，m/s；

f——反射諧波頻率，Hz。

溶洞繞射波振幅則用薄層復合反射系數與溶洞的寬度因子Kl來估算。溶洞寬度與振幅因子的關系如圖2所示。

圖2 溶洞寬度與振幅因子的關系曲線

(2)

式中：Kl——溶洞寬度振幅因子。

表1 不同頻率、不同厚度煤層的復合反射系數

設地震波在溶洞發育的奧灰巖地層的傳播速度為6000 m/s，灰巖密度為2.6 g/cm3；地震波在溶洞內水體的傳播速度為1500 m/s，水體密度為1.1 g/cm3。分別計算頻率f為20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz、100 Hz，溶洞高度分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、15 m，溶洞寬度分別為20 m、40 m、60 m、80 m的溶洞復合反射系數RL。頻率分別為20Hz、60Hz、100Hz，界面反射系數為0.8時不同參數溶洞的復合反射系數分別見表2～表4。

表2 頻率20 Hz時不同高度、不同寬度溶洞復合反射系數RL

表3 頻率60 Hz時不同高度、不同寬度溶洞復合反射系數RL

表4 頻率100 Hz時不同高度、不同寬度溶洞復合反射系數RL

圖3 不同頻率、不同規模的溶洞的復合反射系數RL

2 應用效果

(1)風化面識別。對研究區內鉆孔統計可知，5#煤層與風化面之間的底砂巖厚度約20～50m，兩個界面的反射時差約30～45ms。當頻率為60Hz時，二組地震波相鄰同相極性時差為17ms，可以避免兩個層位的相互干涉。不同頻率的過井瞬時諧波相位剖面如圖4所示，由圖4可以看出，20Hz的剖面上煤層與風化面Tg完全不能分開，40Hz的剖面上二者正在分離，60Hz相位剖面上風化面特征可以獨立顯現，故采用60Hz頻率的相位剖面解釋風化面Tg。

(2)溶洞解釋。當頻率從20Hz至40Hz變化時，相位剖面上煤層反射波—T5波振幅能量帶逐漸變窄，風化面振幅能量帶逐漸從中分離；60Hz時，風化帶界面明顯顯現； 80～100Hz時，T5波振幅能量減弱、連續性變差，風化面之下的串珠狀溶洞逐漸顯現，非規則振幅異常形態相似，可以進行地震地質解釋；120Hz時，風化面之下非規則異常的形態和振幅有所降低，但形態保持不變。圖4中鉆孔41-2右側以及J5-4、J4-3兩個鉆孔之間的垂向異常反映清晰、穩定，判斷為溶洞反映。

圖4 過井剖面不同頻率瞬時諧波相位剖面

選擇100Hz諧波振幅體，以奧灰巖風化面Tg為起始層位，向下以8ms的時間深度間隔切取沿層切片5張，Tg、Tg+8ms、……Tg+32ms，獲得風化面向下近100m范圍的地層振幅沿層切片圖。Tg+24ms沿層切片對灰巖溶洞的反應如圖5所示。

圖5 Tg+24 ms沿層切片對灰巖溶洞的反應

由切片圖可以看到Tg及其下8ms時差的沿層切片上，非規則振幅異常形態相似，是風化面的特征；Tg下16ms到32ms的沿層切片上，非規則異常發生變化，新的非規則異常顯現，說明風化面特征對非規則振幅異常的影響減弱，溶洞的非規則振幅異常出現，并有規律變化。由此，根據不同時間的諧波振幅沿層切片對非規則振幅異常的分布特征進行解釋，可以得到溶洞平面分布。

3 結論

澄合礦區奧陶系灰巖厚、巖溶裂隙發育、富水性強，灰巖與煤層間距近，煤炭開采受到巖溶水的危脅，現有探測手段對奧陶系灰巖水的探測效果并不理想，使礦井水害的預防和治理針對性不強。本文分析了奧灰巖風化面和溶洞的反射特征，確定了以諧波相位剖面進行奧灰風化面的解釋、以高頻諧波振幅屬性識別奧灰溶洞的解釋方法，解釋長軸大于20m的溶洞26個。

基于頻率差異技術識別奧灰巖溶洞為溶洞勘查提出了一種新的思路，解釋成果有待進一步驗證與改進。

[1] 葉東生,杜飛虎.煤層底板承壓含水體上帶壓開采研究[J].中國煤炭地質,2010(11)

[2] 馬雄德,杜飛虎,齊蓬勃等.底板承壓水保水采煤技術與工程實踐[J].煤炭科學技術,2016 (8)

[3] 李濤,王蘇健,陳通等. 渭北煤田底板破壞深度規律研究[A]. 煤礦綠色高效開采技術研究——陜西省煤炭學會學術年會論文集[C]. 陜西省煤炭學會，2016(4)

[4] 楊德義.煤礦三維地震勘探技術發展趨勢[J].中國煤炭,2011 (6)

[5] 唐文榜,劉來祥,樊佳芳等.頻率差異分析(FDA)在塔河油田溶洞型油藏預測中的應用效果[A]. 2001年中國地球物理學會年刊——中國地球物理學會第十七屆年會論文集[C]. 中國地球物理學會，2001(1)

[6] 王者順,王尚旭,唐文榜等.塔河碳酸鹽巖溶洞油藏的地震響應及頻率差分析[J].石油與天然氣地質,2004(1)

[7] 李七明,翟立娟,傅耀軍等.華北型煤田煤層開采對含水層的破壞模式研究[J].中國煤炭,2012 (7)

(責任編輯 郭東芝)

Interpretation of the Ordovician limestone cave based on frequency difference technology in Chenghe mining area

Ma Li1,2, Xu Decai1,2, Feng Xihui1,2, Tang Wenbang3

(1. Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources, Xi'an, Shaanxi 710026, China;2.Shaanxi Provincial Coal Field Geophysical Prospecting, Surveying and Mapping Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710005, China;3. Beijing Softland Scientific & Technology Co., Ltd., Haidian, Beijing 100083, China)

Coal resources exploitation in Chenghe mining area was faced with the threat of the Ordovician limestone karstic water. Based on 3D seismic exploration data, the authors compared the recombination reflection coefficients of coal seam with different frequency and thickness and karst cave with different frequency and scale, explained the Ordovician limestone weathering interface with phase section and explained the Ordovician limestone cave with high-frequency harmonic amplitude attribute which was over 80 Hz, and finally got the plane distribution of limestone cave in the 3D seismic exploration area in Xizhuo Coal Mine, this research provided certain geological basis for coal mine safety production.

3D seismic exploration, frequency difference technology, amplitude attribute, Ordovician limestone cave, Chenghe mining area

陜西省科技統籌項目(2016FWPT-16)，國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室項目(ZZ2014-2，ZZ2016-2)

馬麗，許德才，馮西會等. 基于頻率差異技術識別澄合礦區奧陶系灰巖溶洞[J]. 中國煤炭，2017,43(7)：40-43. Ma Li,Xu Decai, Feng Xihui, et al. Interpretation of the Ordovician limestone cave based on frequency difference technology in Chenghe mining area[J]. China Coal, 2017, 43(7):40-43.

P631.4

A

馬麗(1975-)，女，陜西三原人，高級工程師，碩士，從事煤田地震勘探技術工作。