基于地震勘探的巖石物理分析預測采動裂隙

羅任植，王 輝，喬 會，武 浩

（陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005）

0 引言

在煤礦采掘生產過程中，突水始終是安全生產的最大隱患之一。煤層與含水層之間是否存在導通通道，決定著煤礦是否可能發生突水事故。除天然的隔水層缺失外，以導水裂隙為主要導水通道，裂隙又分為自然裂隙和采動裂隙。采動裂隙是煤層采空后巖層失去支撐，在重力和地應力作用下形成的裂隙，絕大多數的導水裂隙屬于該類裂隙。因此預測采動裂隙對煤礦水害治理和安全生產有著非常重要的意義。采動裂隙是否會形成、形成之后與含水層的貫穿程度直接影響其導水能力，而煤層上覆巖層的巖石礦物成分、厚度、結構及力學特征等因素決定著采動裂隙的形成。地震勘探是以地層或巖層力學性質特征為研究對象的物探技術，地震資料中包含了豐富的地下力學信息，通過對這些信息的挖掘探索，可以獲取目的地層一定的巖石物理學性質。再通過這些性質的變化來判斷在煤層采掘過程中是否會形成采動裂隙，預測裂隙帶可能發生的范圍和程度，為煤礦的安全生產提供參考依據。

1 地震對地層含、富水性的判斷

要預測導水通道，首先需了解煤系地層的含水情況。地震勘探中地震波在地層中傳播的體波分為縱波和橫波2 種，縱波在介質中傳播速度公式可近似為，橫波則為，式中μ 為傳播介質剪切模量；E 為傳播介質的彈性模量；v為傳播介質的泊松比；ρ 為介質密度。由于流體的剪切模量μ 為0，流體不能傳播剪切力，所以橫波波不能穿過地下流體而縱波可以，水作為典型的流體，地震波的這一特點，是通過地震找水的理論依據。

在地震波的傳播中，橫波不能穿過流體，但是能夠穿過巖石骨架，因此橫波在從干巖層進入層含水時，橫波在含水層中的骨架傳播對其速度影響不大，但透射能量會隨著含水大小受到一定的衰減。由于縱波可以穿過流體，所以縱波在從干巖層進入含水層時是在水和巖石骨架中交替傳播的，速度必然會受到一定的減弱（如圖1 所示）。

圖1 縱波和橫波在含水巖層中傳播時速度變化Fig.1 Velocity variation of primary wave and secondary wave propagating in aquifer

要尋找地層的含水性的因素，對橫波信息的研究是十分必要的，但是現今的煤田地震勘探基本上都屬于縱波勘探，因此需要利用P 波資料來估算S波資料。由于和有共同的一項泊松比ν，因此通過泊松比的研究對地層含水性判斷具有重要意義。

脆性材料的泊松較小，塑性材料的泊松比大。空氣的泊松比是0，水的泊松比是0.5，其它材料介于二者之間。泊松比的變化是不同巖性和不同孔隙流體介質之間存在差異的客觀反映，大量的試驗和實踐表明，沉積巖的泊松比值具有如下特點：①未固結的淺層鹽水飽和沉積巖往往具有非常高的泊松比值（0.4 以上），一灘泥水；②泊松比往往隨孔隙度的減小及沉積固結程度減小而減少；③高孔隙度的鹽水飽和砂巖往往具有較高的泊松比值（0.3～0.4）；④氣飽和高孔隙度砂巖往往具有極低的泊松比值（如低到0.1），含氣砂巖。

流體不能傳播橫向剪切力這一特性決定了泊松比對流體的識別能力，不同巖石以及同一巖石含流體和不含流體時，相對于速度、密度、波阻抗等量來說泊松比具有更明顯的差別。由于在煤系地層及其圍巖埋藏較淺，基本不涉及深層的含氣層和含油層，因此在較淺目的層區域如果地層的泊松比發生變大的情況，則可以作為判斷巖層含水性大小的一個重要標準。通過三維地震勘探所得的泊松比反演剖面（圖2），圈定泊松比異常區域，再結合礦井水文地質規律及鉆孔資料，判斷該區域巖層含、富水性高低。

圖2 泊松比反演剖面Fig.2 Poisson′s ratio inversion profile

2 三維地震巖石物理學特征預測采動裂隙

2.1 巖石應力與應變變化關系

通過泊松比反演分析了煤系及附近巖層含富水性之后，只要弄清楚這些含富水區哪些位置更容易在應力作用下出現裂縫或破損，這類容易出現破損稱為脆性帶，能夠承受較大應力而不產生裂縫或破損的巖性區域稱為韌性帶。因此，對采動導水裂隙可能發生的區域基于三維地震的解釋即對巖石脆性帶的圈定。

在彈塑性條件下，當應力場強度增大到某一臨界值時，裂紋便失穩擴展而導致材料斷裂。通過試驗，巖石的變形把應力- 應變曲線分為6 個階段，各階段的特征和形變情況如圖3 所示。第一段，應力逐漸增大，應力緩慢增大，曲線形成一定的上凹延伸，巖石內裂隙逐漸被壓縮閉合而產生非線性變形；第二段，曲線接近直線，屬于線彈性變形階段；第三段，曲線偏離線性，出現塑性變形，材料內部開始出現平行于最大主應力方向的微裂隙。隨應力增大而微裂隙數量增多，表示巖石的破壞已經開始；第四段，巖石內部的裂紋形成速度增快，微裂隙密度加大，應力達到峰值，為巖石的極限抗壓強度，此時巖石達到最大承載能力；第五段，應力繼續增大，巖石承載力降低，表現出應變軟化特征，此階段內巖石的微裂隙逐漸貫通，微裂縫連通達到最大；第六段，微裂縫連通達到最大之后裂縫開始發生滑動，巖石被破壞，僅剩下殘余的強度，最后殘余強度保持不變，在應力作用下變形繼續增大。

圖3 巖石全應力- 應變曲線Fig.3 Rock total stress-strain curve

在煤礦的生產過程中，隨著巷道的掘進，采空區上部失去支撐，應力發生變化，應力的變化會伴隨微裂隙數量的不斷增多,第二段到第三段，此時雖然形成了微裂縫但其之間并沒有連通，直到D點才開始實現了微裂縫之間的連通，對應的含水層中的水已經可以通過這些裂隙導入其他地層；D 點到E 點微裂縫不斷連通，直至巖石失穩破壞，到E點的連通程度達到最大，如果是在采掘過程已經可能造成大水量的導入；對地層而言，在D 點雖然有微裂縫開始連通，但并沒有達到最大連通程度，達到最大連通程度（E） 點時，不僅有可能形成明顯的導水通道，而且還可能形成頂板冒落。

2.2 地層巖石物理特征及地震解釋

通常用楊氏模量和泊松比表示巖石在外界應力作用下的反映，楊氏模量是表征在彈性限度內巖石抗拉或抗壓的物理量，它是沿縱向的彈性模量，是縱向應力與應變的比值，楊氏模量的大小標志著巖石的剛性，楊氏模量越大，說明巖石越不容易發生形變；泊松比的大小標志著巖石的橫向變形系數，泊松比越大，說明巖石在壓力下越容易膨脹。不同的楊氏模量和泊松比的組合表示巖石具有不同的脆性，楊氏模量越大，泊松比越低，巖石脆性越高。

巖石礦物組分也是影響巖石脆性的主要因素之一。其中，石英礦物可作為脆性礦物，其含量越高巖石脆性越好；黏土礦物為塑性礦物，其含量越高，巖石塑性越好，且隨著黏土礦物含量的升高，楊氏模量和泊松比減小。巖石孔隙也會在一定程度上影響脆性，孔隙度增加，楊氏模量和泊松比均會減小。且在目的層脆性礦物差異較小時，孔隙度可能對巖石脆性產生較大的影響。因此結合目的區已知地質資料及鉆探揭露情況，分析巖石樣本的孔隙度和礦物組成，利用泊松比反演和楊氏模量反演（圖4），建立適合用于目標區的脆性巖石物理模板；最后結合地震、測井資料及目標區以往揭露導水裂隙分布情況，對其層地震脆性帶分布進行預測，得到了脆性帶的分布情況，對礦井的采動裂隙可能發生的位置進行預測。

圖4 楊氏模量地震反演剖面Fig.4 Yang’s modulus seismic inversion profile

3 結語

地震縱波能夠通過流體而橫波不能，是地震預測地層含水性的理論基礎，而目前煤田地震勘探屬于縱波勘探，泊松比作為連接縱波、橫波速度的一個橋梁，通過地震資料獲取地下傳播介質的泊松比信息，為地震勘探預測煤層及其圍巖含水層提供了一個可行的路徑。地震波在地層中傳播過程中會隨著地層巖石彈性性質變化而變化，這在一定程度上反映了煤層巖石物理特征，地層的巖石物理特征又決定著其在應力作用下能否形成裂隙，及形成多大規模的裂隙，基于這一點最終通過地震勘探技術預測導水通道容易形成的區域,為煤礦的安全生產提供參考依據。