轉(zhuǎn)龍灣煤礦煤層沖刷帶的解釋方法研究

曹秀森

（河北省煤田地質(zhì)局 環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050091）

1 概 況

煤層沖刷帶一般是指水流對(duì)泥炭層或煤層的沖蝕，并通常由砂質(zhì)沉積物充填而成的地質(zhì)綜合體，是一種常見(jiàn)的礦井地質(zhì)現(xiàn)象[1]。煤層沖刷帶的存在對(duì)煤炭的正常采掘和安全生產(chǎn)造成了不利影響[2-3]。目前常用的煤層沖刷帶預(yù)測(cè)方法有沉積分析法、礦井物探法以及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法等[4]，其中礦井物探法可分為井下電法勘探和地震勘探，而三維地震勘探是識(shí)別煤層沖刷帶最常用的技術(shù)手段[5-6]。

轉(zhuǎn)龍灣煤礦位于鄂爾多斯盆地的東北緣，主要可采煤層為侏羅系中下統(tǒng)的II-3 號(hào)煤層。根據(jù)煤層采掘及鉆孔的揭露情況，發(fā)現(xiàn)井田中存在古河流沖刷帶。因此，本文使用全波場(chǎng)地震模擬軟件建立了煤層沖刷帶的地質(zhì)模型，通過(guò)正演模擬分析總結(jié)了沖刷帶在地震時(shí)間剖面上的判別標(biāo)志，以期為煤礦的采掘和安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

2 地質(zhì)模型的建立

建立的地質(zhì)模型長(zhǎng)度1 000 m，深度400 m，包括煤層沖刷缺失區(qū)（250～350 m）、煤層沖刷變薄區(qū)1（450～550 m） 和煤層沖刷變薄區(qū)2（650～750 m），如圖1 所示。正常煤層的厚度為4 m，沖刷缺失區(qū)煤層厚度為0，沖刷變薄區(qū)1 煤層厚度為2 m，沖刷變薄區(qū)2 煤層厚度為3 m。煤層沖刷的區(qū)域?yàn)樯皫r所填充。

圖1 煤層沖刷帶模型Fig.1 Model of coal seam erosion zone

模型具體的幾何與物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤層沖刷帶模型的幾何與物性參數(shù)Table 1 Geometric and geophysical prameters of coal seam erosion zone model

3 沖刷帶正演模擬

本文采用Tesseral-2D 軟件對(duì)建立的地質(zhì)模型進(jìn)行正演模擬，該軟件是一種基于有限差分方法的波動(dòng)方程模擬軟件，相對(duì)于射線追蹤方法能更好的反映地震波的動(dòng)力學(xué)特征。

3.1 有限差分法

有限差分法首先利用網(wǎng)格將求解的區(qū)域進(jìn)行劃分（空間離散），一般用二維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格將空間劃分為一個(gè)個(gè)大小相等的網(wǎng)格，x 和y 方向上的增量相等。然后利用差分方程對(duì)偏微分方程進(jìn)行替換，計(jì)算區(qū)域每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在不同時(shí)刻的波場(chǎng)值。此次正演模擬采用的計(jì)算模型為聲波方程。

對(duì)于二維速度-深度模型，地震波在地下介質(zhì)中的傳播可近似地用聲波方程描述：式中：v(x,z)為點(diǎn)（x,z） 處的縱波速度；u 為速度波場(chǎng)；t 為時(shí)間；s(t)為震源函數(shù)。

空間模型的網(wǎng)格化如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格化Fig.2 The gridding

將上面2 個(gè)公式相加，省略掉高階小量，得到（i，j） 點(diǎn)在時(shí)刻k 的二階時(shí)間微商為：

同理可得（i，j） 點(diǎn)在時(shí)刻k 的二階空間微商分別為：

這便用網(wǎng)格點(diǎn)波場(chǎng)值的差商替換了偏微分方程的微商，最后將以上3 個(gè)公式代入（1） 式中得：

此即二階聲波方程的有限差分公式。

3.2 地震正演模擬

此次正演模擬采用的觀測(cè)系統(tǒng)為240-10-10-10-240。炮距30 m，共布設(shè)30 炮，覆蓋次數(shù)為8。選用55 Hz 的零相位雷克子波。通過(guò)模擬放炮，并進(jìn)行切初至、抽道集、動(dòng)校正、疊加和偏移等處理，得到了最終的疊加和偏移時(shí)間剖面，如圖3所示。

圖3 正演剖面及振幅屬性顯示Fig.3 The forward section and display of amplitude property

從正演疊加時(shí)間剖面來(lái)看，因煤層與圍巖間有明顯的波阻抗差異，煤層正常賦存區(qū)形成了穩(wěn)定可連續(xù)追蹤的反射波；煤層沖刷缺失區(qū)及變薄區(qū)處反射波頻率降低，繞射波發(fā)育。從偏移時(shí)間剖面及振幅屬性圖來(lái)看，煤層沖刷缺失區(qū)及變薄區(qū)處的繞射波得到了很好的收斂，正常煤層處的反射波振幅穩(wěn)定，能量較強(qiáng)；在250～350 m 處的煤層沖刷缺失區(qū)，出現(xiàn)了煤層反射波的中斷；在450～550 m 和650～750 m 處的煤層沖刷變薄區(qū)處，可清楚看到煤層反射波振幅變?nèi)醯奶卣鳎颐簩記_刷變薄區(qū)1（煤厚2 m） 的反射波振幅相對(duì)煤層沖刷變薄區(qū)2（煤厚3 m） 的反射波振幅要更弱些。由此可總結(jié)出煤層沖刷帶在地震時(shí)間剖面上會(huì)反映為反射波同相軸的中斷或振幅變?nèi)酰幻簩臃瓷洳ㄕ穹膹?qiáng)弱可作為煤厚定性解釋的依據(jù)。

4 實(shí)例分析

此次三維地震勘探區(qū)位于鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣井田西部勘探區(qū)。主要地質(zhì)任務(wù)為查明主要煤層的賦存、斷層發(fā)育及沖刷帶的分布情況。

4.1 勘探區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

勘探區(qū)范圍內(nèi)大面積被第四系風(fēng)成沙覆蓋，基巖出露甚少。沉積的主要地層有三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組；侏羅系中、下統(tǒng)延安組、中統(tǒng)直羅組和安定組；白堊系下統(tǒng)伊金霍洛組；第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組和全新統(tǒng)地層。

井田內(nèi)含煤地層為侏羅系延安組，共含煤10層。主要可采煤層為Ⅱ-3、Ⅲ-2 煤層。Ⅱ-3 煤層位于延安組第五巖段，Ⅱ煤組中下部，煤層平均厚度4.30 m，局部有沖刷現(xiàn)象。頂板主要為粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，也有砂巖、細(xì)砂巖；底板以泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，局部也有細(xì)砂巖。煤層在大部分區(qū)域厚且穩(wěn)定，該特征也是井田內(nèi)煤層對(duì)比的主要標(biāo)志之一。

4.2 資料的采集、處理

針對(duì)勘探區(qū)的地震地質(zhì)條件，經(jīng)過(guò)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的定量、定性分析和線束實(shí)驗(yàn)的情況，確定了合理的施工參數(shù)。三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)為14L×4S×60T×7R×24 次線束狀，CDP 網(wǎng)格5 m×10 m。

資料處理中經(jīng)過(guò)面波衰減、靜校正、反褶積、速度分析、疊加、噪音衰減及偏移等處理，使數(shù)據(jù)體的品質(zhì)有了明顯改進(jìn)。

4.3 煤層沖刷帶的解釋

通過(guò)時(shí)間剖面上煤層反射波同相軸的中斷或振幅變?nèi)醯奶卣骷懊簩拥难貙诱穹衅系娘@示，結(jié)合鉆孔等地質(zhì)資料，解釋了Ⅱ-3 煤沖刷區(qū)8 個(gè)（CS1、CS2、CS3、CS4、CS5、CS6、CS7、CS8），如圖4、圖5 所示。

圖4 CS5 煤層沖刷區(qū)在時(shí)間剖面上的顯示Fig.4 Display of CS5 coal seam erosion zone on time section

圖5 Ⅱ-3 煤層的沿層振幅切片F(xiàn)ig.5 Amplitude slices along the No.Ⅱ-3 coal seam

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)Tesseral-2D 全波場(chǎng)地震模擬軟件對(duì)煤層沖刷帶模型的正演模擬可知，根據(jù)受到?jīng)_刷作用的強(qiáng)弱，煤層沖刷帶處的反射波會(huì)出現(xiàn)同相軸的中斷或振幅變?nèi)醯奶卣鳌＝Y(jié)合鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣井田西部勘探區(qū)實(shí)例解釋了沖刷帶的分布，從礦方后續(xù)的的實(shí)際揭露情況來(lái)看吻合度較高，對(duì)礦方的正常采掘及安全生產(chǎn)具有積極的指導(dǎo)意義。