李文利，申有義，楊曉東

(山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西 晉中 030600)

利用地震波能量屬性預(yù)測礦井瓦斯富集區(qū)

李文利，申有義，楊曉東

(山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西 晉中 030600)

構(gòu)造煤的發(fā)育易形成瓦斯突出危險區(qū)，因此查明構(gòu)造煤賦存范圍可有效預(yù)防瓦斯突出。根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)條件，建立構(gòu)造煤發(fā)育地質(zhì)模型。地震屬性分析結(jié)果表明，構(gòu)造煤在主頻、低頻、振幅和相位等屬性方面具有明顯異常。以研究區(qū)3號煤層為例，在頻譜分解的基礎(chǔ)上提取不同頻率成分的地震波能量屬性，發(fā)現(xiàn)煤層氣(瓦斯)富集區(qū)的地震波能量具有在低頻范圍內(nèi)值較大、高頻范圍內(nèi)值較小的特性。根據(jù)礦方巷道抽取瓦斯得到的數(shù)據(jù)，證實縱橫波速度與瓦斯富集呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

煤層氣(瓦斯)；地震屬性；地震波能量；地震波速度；構(gòu)造煤

煤層氣(瓦斯)是成煤和煤化作用過程中生成并儲集在煤層內(nèi)的一小部分氣體，主要成分是甲烷(CH4)[1]。瓦斯突出是指由煤層、采空區(qū)及巖層釋放出的各種有害氣體富集并涌出工作面，瓦斯爆炸引起的煤礦災(zāi)害。井下瓦斯抽放每年約6億m3(146個礦井總計)，其中利用的約4億m3，其它2 200多個礦井，煤層氣(瓦斯)直接向大氣中排放，年排放量約達(dá)100億m3，既浪費(fèi)了能源，又污染了環(huán)境[1]。煤礦生產(chǎn)過程中，由于煤層氣(瓦斯)勘探開發(fā)具有能源、煤礦安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等多重意義，日益受到我國政府和有關(guān)工業(yè)部門的高度重視。通過三維地震資料的處理，獲得地震數(shù)據(jù)體，并從中提取多種與煤層和圍巖裂隙相關(guān)的地震屬性，利用其相關(guān)性，為預(yù)測瓦斯富集帶提供了一種新的途徑。

圖1 地震方法預(yù)測瓦斯流程圖Figure 1 Flow chart of gas prediction

1 理論依據(jù)

煤層裂隙的存在使煤儲層表現(xiàn)為方位各向異性和雙相介質(zhì)特征[2，6]，為利用地震技術(shù)預(yù)測煤層氣奠定了基礎(chǔ)。地震技術(shù)不僅能夠勘探煤層賦存形態(tài)、煤層厚度、斷裂展布等構(gòu)造層面的地質(zhì)情況，還可對煤層含氣性等煤儲層物性定性甚至定量預(yù)測描述。

地震波在方位各向異性介質(zhì)中傳播后，橫波將分裂為偏振方向近乎正交的快橫波和慢橫波?？v波地震屬性隨方位角變化而變化，因此通過對快、慢橫波的偏振方向與時差以及縱波屬性的分析可以確定裂隙的走向與密度，進(jìn)而預(yù)測煤層氣富集區(qū)。雙相介質(zhì)指地下介質(zhì)由固體顆粒和流體介質(zhì)兩部分組成，利用地震波在固體顆粒與流體介質(zhì)的相互作用中傳播時將產(chǎn)生快縱波和慢縱波，而慢縱波的固相位移和流相位移反相，使地震波的能量分配發(fā)生變化，出現(xiàn)低頻共振、高頻衰減的地震波場特征[2-3]。

下面利用地震屬性的提取、分析進(jìn)行目的層預(yù)測。

煤層構(gòu)造在密度、速度及其它彈性參量的差異導(dǎo)致了地震波在傳播時間、振幅、相位、頻率等方面的變化或異常。就瓦斯富集帶異常引起地震信息變化的特征，提取這些特征，作為瓦斯富集帶識別的依據(jù)。

結(jié)合晉煤地層設(shè)計介質(zhì)模型，第三層中部為構(gòu)造煤瓦斯富集區(qū),模型所用參數(shù)見表1、圖2[2]。

表1 地質(zhì)模型參數(shù)

理論地震記錄中，瓦斯富集區(qū)煤層反射波表現(xiàn)為波至?xí)r間發(fā)生延遲，反射波連續(xù)性較好的特征[2,4]。

從理論地震剖面中提取多個地震屬性，其中構(gòu)造煤響應(yīng)靈敏的地震屬性分別為反射波主頻、振幅、相位及低頻帶能量，對其進(jìn)行定量對比分析，它們可作為瓦斯富集區(qū)預(yù)測的理論依據(jù)(橫坐標(biāo)為CDP號，縱坐標(biāo)為地震屬性值)(圖2)[2,4]。

圖2 地質(zhì)模型[2]Figure 2 Geological model

在瓦斯富集區(qū)域煤層反射波的主頻明顯降低，煤儲層是典型的雙相介質(zhì)，慢縱波的存在使得煤儲層中波的能量分配發(fā)生了變化，地震波能量向低頻方向移動；煤層反射波具有高頻能量衰減而低頻帶能量增強(qiáng)的頻率特征。瓦斯富集區(qū)域煤層反射波為強(qiáng)振幅，構(gòu)造煤與煤層頂、底板的波阻抗差異較原生煤更大，故反射能量更強(qiáng)；瓦斯富集區(qū)域煤層反射波具有相位相反的相位特征[2,4]。

2 應(yīng)用實例

2.1 基本概況

本區(qū)位于沁北普查區(qū)的中北部，區(qū)內(nèi)西南部基巖出露良好。出露地層有二疊系上統(tǒng)上石盒子組上段、石千峰組地，第四系不整合上覆于不同時代的地層之上。

本次勘探的主要目的層為3號、15號煤層。山西組一般含煤1～3層，煤層總厚平均5.50m，含煤系數(shù)13%，其中位于本組下部的3號煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，其余煤層均為極不穩(wěn)定不可采煤層。3號煤層位于山西組中部，上距K8砂巖20.63～37.40m，平均29.00m，下距K7砂巖8.97～10.88m，平均10.33m，煤厚3.23～5.85m，平均5.16m，屬穩(wěn)定可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。底板為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。是本次勘探的主要目的層。15號煤層：位于太原組一段頂部，上距3號煤層84.84～107.00m，平均92.30m。下距K1砂巖7.76～21.23m，平均15.47m，煤層厚2.10～4.74m，平均3.19m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，夾矸1～2層，頂板一般為石灰?guī)r，底板為泥巖、含鋁泥巖。屬較穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，也是本次勘探的目的層之一。

2.2 地震地質(zhì)條件

本區(qū)屬侵蝕山地，地形高差大，溝谷發(fā)育，山高坡陡。淺層巖性橫向變化較大，黃土、河床堆積物、坡積物及基巖相間分布。

煤系沉積穩(wěn)定，主要標(biāo)志層及煤層特征明顯，巖、煤層地質(zhì)特征及物理特征具有一定的規(guī)律，尤其是3號煤層速度低、密度小，厚度大且穩(wěn)定，與圍巖間的波阻抗差異突出，能形成能量強(qiáng)，波形特征明顯的連續(xù)性好的地震反射波(T3波)，它是本次地震勘探的主要目的波。15號煤層與其圍巖之間也存在較大的波阻抗差異，由于本身厚度薄，而3號煤層厚度大，反射系數(shù)高，對15號煤層形成的反射波有較強(qiáng)的屏蔽作用，因此，15號煤層所形成的反射波(T15波)能量較弱。

2.3 瓦斯富集帶的地震響應(yīng)

對礦井三維地震資料處理的時間剖面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)部分地段時間剖面中煤層反射波時間發(fā)生延遲、煤層反射波的主頻明顯降低，符合煤層反射波在瓦斯富集帶的特征(圖3、圖4)。

2.4 瓦斯預(yù)測方法

提取3號煤層反射波的地震屬性，在頻譜分解的基礎(chǔ)上分別提取高頻和低頻數(shù)據(jù)的最大能量值進(jìn)行對瓦斯的解釋預(yù)測。

圖3 煤層底板反射波主頻(上左)、低頻帶能量(上右)煤層底板振幅(下左)、反射波相位(下右)Figure 3 Coal floor reflection dominant frequency (upper left), low-frequency range energy (upper right); coal floor amplitude (lower left), reflection phase (lower right)

圖4 主測線120時間剖面Figure 4 In-line 120 time section

通過求取不同頻率成分的地震波能量的屬性，可由地震資料直接圈定出瓦斯富集區(qū)。上述地震波的能量屬性主要包括：低頻范圍內(nèi)地震波能量的最大值、高頻范圍內(nèi)地震波能量的最小值、以及低頻范圍內(nèi)地震波能量最小值和高頻范圍內(nèi)地震波能量最大值的疊加結(jié)果等。通過掃描最大能量分別求取給定的低、高頻范圍內(nèi)地震波能量的最小值、最大值來圈定瓦斯富集區(qū)(如圖5、圖6)。

2.5 瓦斯預(yù)測成果

通過頻譜分析，在低頻能量圖中選取了高異常值成分，在高頻能量圖中，我們選取了低異常值成分，最后選取兩個成分的疊加結(jié)果，形成了本區(qū)瓦斯能量相對富集區(qū)(圖7)。

通過礦方巷道抽取瓦斯得到的數(shù)據(jù)(表2)，建立縱波速度、橫波速度分別與瓦斯含量線性關(guān)系。

表2 巷道瓦斯含量及地震屬性參數(shù)

圖5 聯(lián)絡(luò)測線484時間剖面Figure 5 Cross line 484 time section

圖6 3號煤層低頻范圍能量圖Figure 6 Coal No.3 low-frequency range energy

圖7 3號煤層高頻范圍能量圖Figure 7 Coal No.3 high-frequency range energy

圖8 3號煤層瓦斯含量富集趨勢圖Figure 8 Coal No.3 gas content enrichment trend

對瓦斯涌出量與縱波速度回歸分析[5]，得出兩者間存在負(fù)線性關(guān)系。

ΔP=-10.039Vp+25.226，R2=0.963.

對瓦斯涌出量與橫波速度回歸分析[5]，得出兩者間存在負(fù)線性關(guān)系。

ΔP=-6.099Vs+9.583，R2=0.925.

根據(jù)礦方抽取瓦斯所測數(shù)據(jù)得到的瓦斯富集區(qū)，與三維地震屬性解釋的瓦斯富集區(qū)吻合。

3 結(jié)論

煤體結(jié)構(gòu)破壞瓦斯富集對煤的力學(xué)性質(zhì)及彈性參數(shù)有影響，這樣利用三維地震及地震屬性技術(shù)解釋煤層構(gòu)造煤，松散破碎煤，進(jìn)一步實現(xiàn)煤層瓦斯富集區(qū)的預(yù)測，對可能的瓦斯突 出點進(jìn)行預(yù)報，為煤礦生產(chǎn)解決了這一重要課題。

[1]魏冬,王宏語.地球物理技術(shù)在煤層氣勘探中的應(yīng)用[J].潔凈煤技術(shù),2011(05)：52-55.

[2]崔若飛.煤層氣(瓦斯)地震勘探技術(shù)[R].江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，2012.

[3]常鎖亮.地震縱波技術(shù)預(yù)測煤層瓦斯富集區(qū)的探討與實踐[J].中國煤炭地質(zhì),2010,22(8):9-15.

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[5]汪志軍.煤體瓦斯與地震波屬性的相關(guān)試驗[J].煤田地質(zhì)與勘探2011,39(5):63-68.

[6]楊永波.運(yùn)用三維地震資料預(yù)測瓦斯富集區(qū)[J].煤田技術(shù),2009,28(2):140-142.

MineGasEnrichmentAreaPredictionthroughSeismicWaveEnergyAttributes

Li Wenli, Shen Youyi and Yang Xiaodong

(Shanxi Provincial Coal Geological, Geophysical Prospecting, Surveying and Mapping Institute, Jinzhong, Shanxi 030600)

The development of tectonoclastic coal can easily form gas outburst hazardous area, thus to identify tectonoclastic coal hosting range can prevent gas outburst effectively. Based on the geological conditions in the study area, have established tectonoclastic coal development geological model. The result of seismic attribute analysis has shown that tectonoclastic coal can present obvious anomalies in attributes of dominant frequency, low-frequency, amplitude and phase aspects. Taking the coal No.3 in study area as example, on the basis of spectral decomposition picking up different frequency component seismic wave energy attributes have found that seismic wave energy in the CBM (gas) enrichment area have features of larger value within low-frequency range, smaller value within high-frequency range. According to mine roadway gas drainage data have verified the negative correlation between P-, S-wave velocities and gas enrichment.

CBM (gas); seismic attribute; seismic wave energy; seismic wave velocity; tectonoclastic coal

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.12

1674-1803(2017)11-0060-05

A

山西省科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)專項項目(201604D121025)

李文利(1973—)，女，山西榆次人，物探工程師，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)函授資源勘查專業(yè)，從事地震勘探工作。

2017-08-10

孫常長