螞蟻追蹤技術在煤層上部裂隙預測中的應用

喬 會，黃鶴飛，王鐵松

(1．陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005；2.陜西正通煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713699；3.山東能源淄博礦業集團有限責任公司，山東 淄博 255000)

0 引言

基于螞蟻算法的螞蟻追蹤技術是近年發展起來的一項新型三維地震解釋技術[12]。該技術在油田斷裂系統[36]、儲層裂縫識別[79]、致密砂巖儲層[10]中得到廣泛的應用，并取得一定的應用效果。在煤層及巖層裂縫預測、斷層預測等方面，螞蟻追蹤技術也有廣泛應用[1115]。該技術具有快速、高效、高精度和受人為因素影響小等優點，被廣泛應用于油氣、煤炭勘探等領域。

以高家堡煤礦為例，針對高家堡煤礦工作面回采過程中，出水量較大，礦井的排水負擔較重的現狀，采取了注漿措施，但由于煤層埋深較深，洛河組距煤層較近，采動過程中隔水層裂隙比較發育導通洛河含水層的水進入礦井，導致水量增大。加之前期注漿沒有將原生裂隙堵住，導致采動區原生裂隙更加發育，注漿效果不明顯。

為解決高家堡4號煤層開采過程中的水害問題，查明煤層至洛河組含水層之間地層中的裂隙發育情況，應用螞蟻追蹤技術對隔水層裂隙發育的空間展布預測，為下一步注漿堵水提供可靠的地質依據。

1 高家堡煤礦地質概況

高家堡井田位于彬長礦區西北部，其主要煤層為侏羅系延安組第1段4號煤層，煤層平均厚6.97 m。白堊系洛河組含水層為礦井的間接充水含水，巖性主要為細粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖和泥質巖類地層。煤層至洛河組的主要隔水層主要有侏羅系中統直羅組、安定組以及白堊系下統宜君組地層。由生產實踐證實，高家堡4號煤層至洛河組含水層中間的安定組等隔水層中的裂隙較發育，給煤礦安全生產帶來隱患。

2 工作原理及工作流程

2.1 基本原理

螞蟻追蹤技術是受到自然界蟻群在覓食過程中釋放信息素，通過對路徑上信息素強度的感知來選擇所要進行的方向并傳遞信息的集體行為的啟發而研發的新型優化算法。基本原理：在地震數據體中播撒大量電子“螞蟻”，若在地震屬性體中發現滿足預設裂隙的痕跡，電子螞蟻就會在這些地方“釋放”某種信號，召集其他螞蟻在這些裂隙痕跡上進行追蹤，直到完成裂隙的追蹤和識別。其他不滿足裂隙發育的區域就不進行追蹤和識別。最終，獲得可以清晰反映裂隙的螞蟻屬性數據體。

2.2 工作流程

螞蟻追蹤處理技術主要工作流程：①地震數據體需要進行預處理，主要通過帶通濾波、構造平滑、高斯空間濾波等去噪方法。通過這些方法目的是將原始數據中的隨機噪聲去除，從而來增強地震反射同相軸的連續性，同時將斷層或者裂隙邊界保存下來。②通過地震屬性技術手段，檢測出地震數據在空間上的不連續位置，這種方法稱之為“邊緣”探測。③“邊緣”探測技術檢測出數據體中的不連續點，利用螞蟻追蹤算法計算螞蟻數據體，這一過程稱之為邊界增強。④對螞蟻追蹤得到的螞蟻數據體進行斷面追蹤，并自動提取。螞蟻追蹤預測裂縫流程如圖1所示。

圖1 螞蟻追蹤預測裂縫流程Fig.1 Ant tracking and interpretation of the fissure process

2.3 參數測試分析

“螞蟻追蹤”算法在煤礦勘探中主要針對目標層煤層中斷層的預測，對于煤層以上主要目標集中在微小斷層及裂隙發育情況上。螞蟻追蹤處理技術中，初始螞蟻分布邊界和搜索步長對于預測結果起到重要的作用。因此在處理時需要對這2個主要參數進行測試分析，分析所用的測試參數見表1。

表1 初始螞蟻分布邊界和搜索步長參數

圖2和圖3為設置不同參數追蹤出來的裂隙識別結果，隨著2種參數的改變，對裂隙的識別程度也不同，當初始螞蟻分布邊界較小時有利于微小斷裂的搜索；而搜索步長變大時，它的搜索能力也越大，對斷層及裂隙的識別能力也越強但是也可能忽視一些細節性的東西。

圖2 不同初始螞蟻分布邊界“螞蟻追蹤”分析結果Fig.2 Analysis of the results of different initial ant distribution boundaries “ant tracking”

圖3 不同搜索步長“螞蟻追蹤”分析結果Fig.3 Different search step length “ant tracking” result analysis chart

3 實例應用

高家堡井田目前在工作面回采過程中，煤層頂板出水化驗主要為洛河層水，說明在煤層頂板至洛河組底部隔水層之間有裂隙。根據工作面回采過程水量的變化分析，由于采動的影響，裂隙大小是在變化的。因此要準確地判斷出裂隙的發育特征難度是相對比較大。利用“螞蟻追蹤”處理技術，合理地處理參數，較為精細地刻畫出隔水層裂隙在空間的展布特征。螞蟻追蹤處理的各項參數見表2。

表2 螞蟻追蹤各項參數

按照圖1處理流程對高家堡礦井東區煤層至洛河組含水層之間進行“螞蟻追蹤”得到巖層裂隙預測結果。從圖4可以看出，在6-6井和6-7井的剖面上，裂隙發育在煤層上部，角度較大(白色為預測裂隙)，具有高角度裂隙特征，裂隙在平面上也有較強的展布特征，即裂隙主要發育位于背向斜的軸部。本區主要構造特征是有一條大的向斜，走向WE向，因此在6-6井上部裂隙發育主要呈東西向延展；在主向斜兩翼有次一級的背向斜方向有北東向也有北西向，因此在這些區域裂隙發育與構造有繼承性；從“螞蟻追蹤”水平切片可以反映出裂隙的發育規律性，符合勘探區的地質情況，螞蟻追蹤技術預測結果如圖5所示。

圖4 螞蟻追蹤技術剖面示意Fig.4 Plan diagram of ant tracking technology results

圖5 螞蟻追蹤技術預測結果平面示意Fig.5 Plan diagram of ant tracking technology prediction results

上述裂隙預測結果與鉆孔6-6鉆孔揭露情況具有較好的對應性。說明螞蟻追蹤技術在高家堡煤礦進行隔水層裂隙預測是可行的。根據裂隙預測結果，結合地質沉積規律為下一步煤層回采注漿起到指導性的作用。在注漿隔水時，首先確定裂隙發育的位置及高度。其次為注漿縱向位置的選取起到參考依據，即能夠將上層水堵住，也能夠提高煤層的回采率。根據上述分析，裂隙預測能夠為后期開發起到充足的地質依據，不僅能夠提高煤炭開采產量，而且能夠減輕礦井的排水壓力，使煤礦獲得更好的經濟效益。

4 結論

(1)螞蟻追蹤技術預測導水裂隙的方法是可行的。通過與測井資料、鉆孔柱狀以及回采情況對比，裂隙預測與高家堡煤礦地質構造規律比較符合，具有較高的可信度。

(2)在進行螞蟻追蹤技術處理的過程中，需要對幾種重要的參數進行反復的對比分析，才能獲得較好的預測結果。根據預測結果，結合高家堡煤礦煤層構造及沉積特征，明確了隔水層中裂隙發育情況，為下一步確定注漿堵水位置提供了可靠的依據。