基于地震多屬性分析的井下掘進工程研究

李建宙,閆 亮

(1.山西介休義棠安益煤業有限公司,山西 晉中 032000;2.山西介休鑫峪溝左則溝煤業有限公司,山西 晉中 032000)

近年來,隨著煤炭等一次化石能源的保有儲量日益減少,煤礦逐漸轉為向深部開采,煤層賦存狀態多變性和復雜性的特點日漸顯著,對煤炭行業的勘探和開采技術提出了更高的要求。在“有掘必探、先探后掘”理念的支持下,三維地震勘探技術經歷了從傳統的常規地震解釋到屬性技術的提出,再到多屬性分析和屬性融合技術的創新,得到了突飛猛進的發展。在高分辨率和高保真度地震資料的支持下,地震屬性技術的高精度和高準度也成為近年來的研究熱點。

地震屬性是對地震資料的幾何學、運動學、動力學及統計學特征的一種計算和描述,反映了不同的地質信息,可劃分為振幅、波形、頻率、相位、能量等類別。利用提取的地震屬性有助于高效地進行地震解釋分析。但由于地震屬性參數的種類越來越多,針對不同目的層進行研究的地震屬性的敏感程度也不同,因此各種地震屬性分析技術在應用時都有一定的適用條件,所以屬性預測會產生多解性。為了減少多解性,提高地震解釋的預測精度及可靠性,多屬性綜合分析和優化組合已成為必然[1]。魏艷等[1]總結了多屬性分析的技術流程,并將其應用于實際數據分析,在儲層預測上有效減少了預測目標的多解性,取得了較為理想的效果。彭凡等[2]利用多屬性融合技術成功查明了巷道的平面位置及邊界范圍,表明利用多屬性融合技術來識別巷道是有效的。莊益明[3]、白瑜等[4]對規模較小的小斷層和小陷落柱利用多屬性和針對性屬性分析,大大提高了小構造的解釋精度。多位學者的研究表明,受常規地震資料分辨率的限制,利用其查明巷道及隱蔽致災因素不能滿足安全生產的要求,高信噪比、高分辨率和高保真度的地震資料是解釋巷道的基礎,而地震屬性分析技術是檢測巷道的最佳途徑[5].

本文在常規地震解釋的基礎上,重點利用多屬性分析方法,從某礦的實際情況出發,精準地識別了煤巷和巖巷以及巷道的掘進方向,分析了受假構造影響的掘進策略的誤判,解釋了特征不明顯的規模較大的陷落柱,針對局部復雜的煤層取得了較好的應用成果。

1 地震多屬性綜合分析

1.1 常規時間剖面解釋

地震勘探前,在主采煤層(或煤層上部)中有煤巷或巖巷時,由于巷道的存在,改變了附近煤層的賦存狀態,同時大量吸收和散射地震波,使得煤層反射波(波組)在時間剖面上表現出低頻強振幅的現象,部分反射波有扭曲、突變,沿煤巷與巖巷交叉部位產生反射波錯斷的假象,在巖巷部位產生巷道反射波特殊同向軸,在煤巷與巖巷交叉部位出現假的斷裂構造。圖1是某礦勘探區沿2號煤層巷道中軸線所切的時間剖面異常圖。通過圖中已知巷道的對比分析發現,巷道的開拓長度、寬度清晰可見,分辨率高，由此產生的假的、復雜的構造現象也能得到厘清。

圖1 某礦勘探區沿2號煤層巷道中軸線時間剖面異常圖Fig.1 Anomaly time profile along the central axis of No.2 coal seam in the exploration area

1.2 多屬性分析原理和流程

多屬性分析是通過不同種類地震屬性的提取和分析,結合煤礦的實際采掘結果,尋找和篩選敏感參數,然后進行屬性參數優化組合,應用綜合分析技術進行預測的一種方法。

Hart(2002)建議的屬性分析流程為:建立正確的時深關系，正確的地震解釋成果(層位、斷裂等)，地震屬性與預測的巖石物理屬性應具有一定的關聯。常規地震屬性分析主要包括目標層位的解釋、屬性提取和目標層位的分析評價。而地震多屬性分析預測的基本流程增加了屬性預處理、屬性敏感性分析和屬性優化分析階段，見圖2。

首先對采集的地震資料及處理后的數據體進行評估,對比后,選取三維疊前偏移數據體。在此基礎上,結合地質和鉆測井資料在時間剖面上展開層位解釋工作。

以三維疊前偏移數據體為基礎,通過加載解釋的煤層時間域層位成果,分別提取沿層屬性、層間屬性和體屬性。屬性計算中時窗長度是重要的參數,大時窗可以有效消除噪音的影響,用于區域研究但往往會掩蓋細節；而小時窗可以很好地揭示地質細節信息,用于局部層面的細節描述,但往往伴隨有較大的噪音干擾。在此，針對地震資料品質和研究的地質現象規模,設置了不同的時窗,分別進行對比分析,選擇各類屬性最合適的時窗數值。

圖2 地震多屬性分析的基本流程Fig.2 Main flow of seismic multi-attribute analysis

為了提高定量分析的效果和可靠性,必須對屬性數據進行預處理。其中最主要的是對屬性進行平滑(濾波)處理。濾波處理主要是通過不同的計算方

式降低地震數據中隨機噪聲的影響和消除背景干擾,達到強化數據值,增強構造特征的目的。

參數敏感性分析主要是從目的層參數與屬性之間的有效性以及符合率等方面考慮,選擇一些相關性大的屬性,然后結合沉積特征、正演模型研究成果剔除一些相關性低的屬性,從而最終確定優選的屬性[1]。本次通過敏感性分析,篩選出適合于該區地質特征及與采掘前后煤層賦存狀態改變相關的敏感屬性,如振幅、能量、頻譜、相干及多種融合后的屬性。由此對地質目標進行綜合預測與評價,降低多解性,提高解釋精度[6]。

2 實例分析

2.1 研究區概況

山西某礦勘探區位于沁水煤田西北緣,霍山隆起東翼。受霍山徑向構造帶影響,總體為走向北東傾向南東的單斜構造,伴有小型寬緩波狀起伏,陷落柱、斷層等構造較發育。出露地層有上石盒子組下段、下石盒子組、山西組地層及太原組上段,北部第四系松散沉積物以不整合大面積覆蓋于各時代地層之上。本區主要含煤地層為上統太原組和二疊系下統山西組地層,主要可采煤層為山西組的1、2號和太原組的6、9+10、10下和11號共6層煤，具體的煤層特征如表1所示。本次研究對象主要為山西組的1號煤層。

表1 可采煤層特征一覽表Table 1 Features of mineable coal seams

山西組1號煤層位于山西組頂部,下距2號煤層19.98～32.60 m,平均26.42 m。煤層厚度0.60～1.27 m,平均0.92 m,南部厚北部薄,最厚處在東南角附近,西北部不可采。該煤層不含夾矸,煤層結構復雜程度為簡單。頂、底板一般為泥巖或細粒砂巖。根據區域詳查地質填圖可知,1號煤層在井田西北角和北中部出露,為賦煤區大部可采的穩定煤層。

勘探前,開采位置在勘探區南部1號煤層101采區,掘進巷道為1號煤層從西向東的3條下山巷道。截至勘探前,3條巷道掘進中均未見1號煤,且軌道下山巷道無煤區長度約175 m,礦方掘進工作停滯且無法制定出合適的掘進對策,僅推測此處應是受構造影響所致。礦方1號煤層掘進現狀如圖3所示。

圖3 1號煤層掘進現狀Fig.3 Excavation status of No.1 coal seam

2.2 多屬性分析成果的可靠性

通過以上流程,得到了多種相關的屬性成果,但

是地震解釋數據的可靠性及多屬性分析成果的可靠性尚未得到驗證。在此通過礦方生產中揭露的其他問題與成果進行相互驗證。

2.2.1煤層沖刷變薄區的驗證

礦方在101采區回風順槽和運輸順槽向北掘進的過程中遇到煤層變薄及無煤的情況。本次解釋1號煤層沖刷變薄區與巷道揭露情況基本相符,煤層沖刷變薄區在屬性平面上表現為河道沖刷的條帶狀特征,從勘探區西北部延伸到東部,見圖3;在地震時間剖面上表現為同相軸的缺失和變弱,如圖4所示。古河道沖刷帶與頂板巖性相似,波阻抗差異小,反射波能量變弱,連續性變差,不易追蹤[7]。

2.2.2采動區反射波異常區的驗證

礦方在勘探區西部邊界附近及南北向1號煤層回風順槽巷道的同時進行了2號煤層的開采,導致此處反射波在時間剖面上較為雜亂、缺失。本次解釋1號煤層異常區與礦方采掘情況基本相符,由此導致此處1號煤層巷道在屬性平面上反映不明顯,如圖3所示。

圖4 沖刷變薄區在時間剖面上的反映(inline207)Fig.4 Reflection of scour thinning areas on time profile (inline207)

通過上述分析可知,本次三維地震數據及屬性成果可靠,由此開展對巷道處煤層賦存狀態的改變及巷道掘進策略的應用研究是可行的。

2.3 應用效果分析

圖5-圖10為勘探區內沿由西向東在1號煤層上部開拓的3條下山巷道及沿10102工作面運輸順槽巷道所切時間剖面。圖5、圖6分別從時間和能量剖面展示了煤巷和巖巷的顯示特征,以及從開始掘進巖巷后偏離煤層走向,無煤掘進175 m后巷道停止的位置,剖面上各段位置與采掘工程平面圖巷道位置和走向契合良好。圖7、圖8分別從時間和能量剖面展示了垂直3條大巷的顯示特征,大巷全段表現為低頻強振幅,反射波突出明顯,大斷層位置與推斷位置吻合,已知資料與地震資料準確度高。圖9、圖10分別從時間和能量剖面展示了運輸順槽全煤巷段的顯示特征,從側面對上述資料的準確度及認識進行了驗證,由此可以開展研究。

通過分析可知,附近煤層因巷道對地震波的吸收和散射,使得煤層反射波(波組)在時間剖面上表現出低頻強振幅的特點,部分反射波產生扭曲、突變等現象,沿煤巷與巖巷交叉部位產生反射波錯斷的假象,在巖巷部位產生巷道反射波特殊同向軸;通過已知巷道對比,在時間剖面上,該巷道開拓長度清晰可見、分辨率高,因此產生的假的構造現象也得到厘清。

圖5 沿1號煤層軌道下山巷道時間剖面異常Fig.5 Abnormal time profile of downhill roadway along track of No.1 coal seam

圖6 沿1號煤層軌道下山巷道能量剖面異常Fig.6 Abnormal energy profile of down-hill roadway along track of No.1 coal seam

圖7 垂直1號煤層3條下山巷道時間剖面異常Fig.7 Abnormal time profile of three downhill roadways in vertical No.1 coal seam

圖8 垂直1號煤層3條下山巷道所切能量剖面異常Fig.8 Abnormal energy profile cut by three downhill roadways of vertical No.1 coal seam

圖9 沿1號煤層運輸順槽巷道所切時間剖面異常Fig.9 Abnormal time profile of roadway along No.1 coal seam

圖10 沿1號煤層運輸順槽巷道能量剖面異常Fig.10 Abnormal energy profile of transportation gateway along No. 1 coal seam

時間剖面上的異常特征解釋存在多解性,需要結合平面展布特征進行綜合解釋。通過提取地震數據體的多種屬性并與實際巷道對比發現,屬性解釋的異常位置與實際巷道位置高度吻合,驗證了其在巷道識別中的可靠性[5]。

圖11-圖15為勘探區1號煤層巷道在沿層及層間屬性上的反映,屬性解釋中剔除了一些相關性低的屬性,優選了一些與煤層賦存狀態相關性好、符合率高的屬性,如沿層瞬時振幅屬性、層間能量屬性、層間均方根振幅屬性、譜分解屬性等,巷道在屬性平面上表現為異常的高能量帶特征。圖11為巷道在沿層瞬時振幅屬性上的顯示,巷道段顏色較深,明顯區別于正常段背景色,呈條帶狀,振幅值高。圖12為巷道在層間能量屬性上的顯示,巷道段顏色明亮,區別于背景的暗色和不連續碎片狀特征,能量值高。圖13為巷道在層間均方根振幅屬性上的顯示,不同于沿層屬性,層間屬性以沿煤層向上向下各8 ms形成地層段進行研究,表現為與沿層屬性相似的特征,但清晰度降低,說明融入了相鄰小層的部分信息。圖14為巷道在相干與瞬時振幅融合屬性上的顯示,相干突出了構造的特征,由此結合振幅屬性可排除因巷道異常而引起構造的可能性。圖15則利用譜分解技術,從單一頻段(45 Hz)進行研究,發現巷道在屬性上仍有一定的顯示,說明巷道段的信息頻帶較寬。

通過已知巷道對比可知,在屬性平面上,該巷道開拓長度清晰可見、分辨率高,屬性解釋巷道寬度比實際寬度大,分析巷道處的煤層賦存狀態受影響范圍較大。

圖11 1號煤層巷道在沿層瞬時振幅屬性上的反映Fig.11 Reflection of No.1 coal seam roadway on instantaneous amplitude attribute along layers

圖12 1號煤層巷道在層間能量屬性上的反映Fig.12 Reflection of No.1 coal seam roadway on energy attribute between layers

圖13 1號煤層巷道在層間均方根振幅屬性上的反映Fig.13 Reflection of No.1 coal seam roadway on root-mean-square amplitude attribute between layers

圖14 1號煤層巷道在相干與瞬時振幅融合屬性上的反映Fig.14 Reflection of No.1 coal seam roadway on coherence and instantaneous amplitude attribute

圖15 1號煤層巷道在譜分解(45 Hz)屬性上的反映Fig.15 Reflection of No.1 coal seam roadway on spectral decomposition (45 Hz) attribute

2.4 井下掘進工程問題的解決

通過上述三維地震精細解釋,綜合時間剖面和屬性平面,掘進巷道得到了準確的識別和驗證。結合礦井地質特征及區域構造特征,該處時間剖面反射波同相軸在小范圍內消失或錯斷;屬性平面上,由于受巷道影響,1號煤呈現出比較特殊的不規則能量帶,下組煤則表現為異常的圓環狀或橢圓狀,均為陷落柱的典型特征。陷落柱形成過程破壞了正常沉積的老巖層,其柱體和周邊巖層孔隙和裂隙發育,復雜的填充物與破碎帶和正常沉積的巖層產生波阻抗差異,改變了目的層反射波的波形[3],結合礦井陷落柱發育的情況,認為該處異常是陷落柱反映,并解釋為DX01。

DX01陷落柱在煤層底板平面圖上近似橢圓形,時間剖面上為斜躺柱狀形或閉合圓環狀。長軸方向為N20°W,該陷落柱發育至1、2、6、9+10、10下和11號煤層中,在1號煤層中長軸長度約238 m,短軸長度約193 m,在9+10號煤層中長軸長度約227 m,短軸長度約142 m。在40 m×80 m網度抽取的時間剖面上,反射波有18個斷陷點,其中A級斷陷點10個,B級斷陷點7個,C級斷陷點1個,為可靠陷落柱,見圖16和圖17。

圖17 DX01陷落柱在xline時間剖面及相干屬性剖面上的反映Fig.17 Reflection of DX01 collapse columns on xline time profile and coherent attribute profile

在當前構造得以厘清之后,礦方東西向3條巷道均掘進至陷落柱中,但在掘進已出陷落柱范圍后,由于其掘進方向及角度上的錯誤,巷道進入1號煤層上的K8砂巖,一直以巖巷掘進。對此,基于最終的1號煤層底板等高線圖及地層綜合柱狀圖,分析陷落柱處煤層傾角約為24°,礦方又在軌道下山巷道掘進終止處沿下山方向不同角度進行鉆探找煤,經過煤層對比與分析,最終解決了掘進角度的問題,對本次勘探成果及多屬性分析的方法得到了很好的驗證。1號煤層底板等高線圖及地層綜合柱狀圖見圖18和圖19。由此,在對陷落柱進行探測時,應采用綜合勘探技術,通過優化勘探技術組合,分析出陷落柱的具體位置和詳細參數,為礦井安全開采提供技術支撐[8]。

圖18 巷道掘進處底板等高線示意圖Fig.18 Floor contours at roadway excavation

圖19 1號煤及其頂底板巖性柱狀圖Fig.19 The roof and floor lithology histogram of the No.1 coal seam

3 結論

多屬性分析技術有效避免了單一屬性技術在三維地震資料解釋時的不確定性和多解性,通過多種屬性的相互驗證,對復雜地質構造情況下的煤礦掘進工程有重要的指導意義。但是要充分保證資料的保真度,有效提高資料的分辨率,避免假構造的誤判,使復雜的構造現象能夠厘清。