里必煤礦三維地震勘探陷落柱的識別及應用

白濤

（中國煤炭地質總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

陷落柱是煤礦開采常見的地質構造，不僅破壞煤層的產狀，增加煤礦的開采難度，而且極其容易發生導水事故，造成人員傷亡和礦產流失。陷落柱的準確識別對煤礦開采十分重要。

此次研究的基礎是里必煤礦在巷道掘進過程中對三維地震勘探解釋的DX5陷落柱驗證后的總結。DX5陷落柱在3號煤層下20 m處，開采巷道3號煤層里沒有發現，在15號煤層中發現，其在15號煤層中長軸長度63 m，短柱長度26 m，在三維地震解釋中3號煤層和15號煤層都解釋了DX5陷落柱。通過DX5陷落柱在里必煤炭開采揭露情況對比研究三維地震勘探中的陷落柱發育情況。

1 研究區概況

1.1 位置與范圍

里必礦位于沁水煤田南部，中條山東北，沁河中游。中條、太岳、太行三大山系銜接處，溝谷發育，地形切割強烈。屬于中山區。

研究區內除部分山丘、梁垣為黃土梯田外，多為基巖裸露或半裸露區，部分地段植被覆蓋。溝谷發育，多為“V”形，切割較深，呈樹枝狀分布。研究區主采煤層為3號和15號煤層。其中3號煤層厚2.50~6.80 m，平均5.19 m，含夾矸0~3層，結構簡單—復雜；15號煤層厚1.05~6.11 m，平均3.28 m，含夾矸0~4層，煤層結構簡單—復雜，上距3號煤層78.10 m左右，距K2灰巖0~0.60 m。

研究區總體構造形態為向北傾斜的單斜，陷落柱和斷層發育較少，構造復雜程度屬簡單類型。

1.2 參 數

研究區選擇的觀測系統為10線8炮單線144道（南部）和128道（北部）接收，橫向滾動5條接收線，覆蓋次數32次線束狀觀測系統，三維地震勘探觀測系統參數如下：

處理的數據體有疊后90%偏移、疊后提頻90%偏移、疊前偏移和疊加，對比最終所用疊后提頻90%偏移三維地震數據體。

陷落柱解釋的方法有時間剖面對比解釋陷落柱和屬性識別陷落柱。

2 陷落柱特征

2.1 里必煤礦陷落柱形成機理及表現特征

15號煤層至奧灰峰峰組地層巖性依次為炭質泥巖、泥巖、粘土巖、泥灰巖、石灰巖，這都為易侵蝕性巖石。

（1）15號煤層下的石灰巖被地下水溶蝕形成溶隙、溶孔、溶洞，并且隨著地下水的不斷活動溶蝕空間逐步擴大至煤層形成陷落柱。

（2）勘探區內，發育有良好的地下水通道（根據實地踏勘知道勘探區內有裸露的地下泉水噴涌至地面），溝通地面水系、地下含水層段與石灰巖、煤層之間的水力聯系，形成陷落柱。

（3）勘探區地下水資源非常豐富，具有溶蝕性較強的碳酸根和較大的侵蝕“掏空”能力，地下水的機械作用把泥灰巖、粘土巖透鏡體、斷層泥堆積體等松軟巖體沖刷帶走造成陷落柱。

里必礦陷落柱在煤系地層中的發育特征，平面上多表現圓形、橢圓形，少量呈不規則形態；在地震時間剖面上呈下大上小的圓錐狀、斜塔狀、筒狀、不規則形狀，直徑大小從幾十米至數百米不等，陷落柱從奧灰頂面到柱體頂端的高度一般從幾十米到數百米不等，陷落柱下部插入奧灰內數十米左右。

DX5陷落柱塌陷規模相對較小，主要是巖溶方式發育，上覆巖層沒有大規模的塌陷，地下水逐漸帶走溶洞周圍松動的巖體。DX5陷落柱的陷落引起其周圍原巖應力重新分布，巖溶塌陷部位的巖壁及上覆巖層的破壞與變形，地下水流動帶走15號煤層及充填物（主要為上覆煤層碎塊和泥砂物質，膠結度較差）。

DX5陷落柱的頂界面在3號煤層底板下方20 m處，由于3號煤層的頂底界面產生的反射波帶走了大量的地震能量，3號煤層下方陷落柱頂界面產生的反射波和陷落柱柱外繞射波能量變弱，頻率變低；陷落柱未穿透3號煤層且與沉積的3號煤層的底界面的距離小于地震波的垂向分辨率，3號煤層頂底板反射波與DX5陷落柱頂界面反射波復合，同時在DX5陷落柱兩側存在較為明顯的柱外繞射波，3號煤層底板反射波波組不連續，與DX5陷落柱產生的柱內干涉波連在一起，造成3號煤層底板反射波未錯斷的現象。

2.2 陷落柱在地震時間剖面上的特征

（1）煤層反射波發生錯斷。陷落柱兩側同相軸發生錯斷，但反射波特征清楚、波組或波系之間關系穩定。

（2）反射波同相軸數目突然增加、減少或消失。

（3）反射波同相軸形狀突變，反射零亂并出現空白反射。

（4）反射波同相軸發生分叉、合并、扭曲和強相位與強振幅轉換等。

（5）異常波的出現。時間剖面上反射波錯斷處伴隨有異常波，最常見的是斷面波、繞射波。

2.3 陷落柱在地震屬性上的特征

煤礦陷落柱在平面上是一個封閉的、形態各異的擬圓形、橢圓形等，在空間上呈漏斗狀、桶狀、柱狀、串珠狀等。其陷落柱內部塌陷物又呈無序、雜亂無章的分布，膠結程度不一，密度差異變化較大，其內部物性的差異與圍巖及煤層間必然產生較大的波阻抗差異。這種波阻抗差異屬于一個體的差異變化，這是地震層間屬性研究煤礦陷落柱的平面及空間形態變化的物理基礎。

方差體是求取整個三維數據體所有樣點的方差值,通過每個樣點與周圍相鄰地震道的時窗內所有樣點計算平均主值之間的方差,然后再加權歸一化得到要求取的方差值。求取的三維地震數據體所有樣點振幅均方根差值越大，各道差異越大，則存在陷落柱的可能性越大。

相干數據體是對三維地震數據體所有樣點進行互相關計算的相干值，其值越小，各道相似性越差，則存在陷落柱的可能性越大。

針對里必煤礦的陷落柱分析，采用了沿3號、15號煤層反射波上下5 ms分別在地震數據體中提取了地震屬性，從中優化出了5種屬性進行分析，分別為最大振幅屬性、波峰瞬時頻率屬性、帶寬屬性、方差體屬性、均方根振幅屬性。

3 解釋成果及分析

根據三維地震勘探所獲得的數據體分析，勘探區內共解釋了5個陷落柱，分別命名為DX3、DX4、DX5、DX6及DX7。整個勘探區陷落柱的特點是，在煤層反射波上的輔助波凌亂，煤層反射波可連續追蹤，陷落點有一定的異常反應，但不清楚（圖1~圖2）。陷落柱在屬性上反應也不是很明顯，只有在最大振幅屬性（圖3）、帶寬屬性（圖4）、均方根振幅屬性（圖5）上有一定的片狀異常。

圖1 DX3、DX4陷落柱在時間剖面Fig.1 Time profile of No.DX3,No.DX4 collapse column

圖2 DX5陷落柱在時間剖面Fig.2 Time profile of No.DX5 collapse column

圖3 3號、15號煤層的最大振幅屬性Fig.3 Maximum amplitude attribute of No.3 and No.15 coal seams

圖5 3號、15號煤層均方根振幅Fig.5 Root mean square amplitude of No.3 and No.15 coal seams

此次研究的重點是DX5陷落柱。根據屬性顯示只有帶寬屬性（圖4）體現的比較明顯。因此DX5陷落柱是根據屬性解釋出來的。

圖4 3號、15號煤層帶寬屬性Fig.4 Bandwidth attribute of No.3 and No.15 coal seams

4 結 語

通過對里必煤礦三維數據體的屬性解釋和時間剖面分析，利用Geoframe解釋軟件，提取了多種地震層間屬性，最后經優化選擇了反映較好的3種地震層間屬性，即帶寬屬性、最大振幅屬性、均方根振幅屬性，這3種屬性用于解釋和檢查構造成果非常有效。而且DX5陷落柱得到了驗證，準確率非常高。

在構造不是很發育的里必井田，采用地震時間剖面對比解釋陷落柱比較困難時，應用屬性解釋構造可靠。尤其使用帶寬屬性、最大振幅屬性、均方根振幅屬性。