葉紅軍，李運(yùn)肖，劉潤(rùn)勝，皮 偉

(1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州 450016)

煤礦陷落柱是指煤層下覆碳酸鹽巖等可溶性巖石被地下水溶蝕后產(chǎn)生空洞，引起上覆巖層冒落而成的柱狀塌陷體[1-5]。陷落柱是一種災(zāi)害地質(zhì)異常體，是巖溶水的導(dǎo)水通道，常常對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)重大影響。因此，查明陷落柱的位置、地質(zhì)特征至關(guān)重要。在地震勘探中，較大的陷落柱在時(shí)間剖面上反映明顯，具體表現(xiàn)為反射波的突然中斷、消失、扭曲及繞射等，易于識(shí)別[6-8]；小陷落柱則在時(shí)間剖面上呈現(xiàn)反射波能量弱、中斷不明顯甚至無(wú)中斷，不易識(shí)別解釋。本文通過(guò)對(duì)陷落柱的正演模擬及地震屬性分析研究，對(duì)在常規(guī)時(shí)間剖面上沒(méi)有識(shí)別出來(lái)的小陷落柱進(jìn)行了精細(xì)解釋?zhuān)⒌玫焦こ虒?shí)例驗(yàn)證，效果明顯。

1 陷落柱地震響應(yīng)特征

1.1 陷落柱模型地震模擬

(1)模型1。組建一個(gè)由5層地層組成的地質(zhì)模型(圖1)，設(shè)定陷落柱在煤層中的發(fā)育直徑為80 m，煤層厚度為3 m，各圍巖速度層、煤層及陷落柱的速度、密度參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 陷落柱在煤層中的發(fā)育直徑為80 m模型Fig.1 Development diameter of the collapse column in coal seam is 80 m model

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

該模型基于克?；舴虿▌?dòng)方程理論建模未偏移疊加地震剖面如圖2(a)所示。地震子波主頻為75 Hz，煤層反射波在偏移之前同相軸發(fā)生扭曲，在2個(gè)斷陷外側(cè)，反射波的同相軸有不同程度的彎曲或向陷落中心傾斜的現(xiàn)象，常伴有小斷層。經(jīng)過(guò)F—K偏移后的地震時(shí)間剖面如圖2(b)所示。偏移后，繞射波得到收斂，煤層反射波在陷落柱處突然中斷或消失，陷落柱反應(yīng)特征明顯，便于識(shí)別。

圖2 疊加地震剖面(模型1)Fig.2 An immigrated overlay seismic section(model Ⅰ)

(2)模型2。將模型1中的陷落柱直徑由80 m調(diào)整為20 m，煤層厚度為3 m，其他各圍巖速度層、煤層及陷落柱的速度、密度參數(shù)與模型1一致。該模型基于克?；舴虿▌?dòng)方程理論建模未偏移疊加地震剖面如圖3所示，陷落柱地震響應(yīng)特征同模型1類(lèi)似，但強(qiáng)度有所減弱。

圖3 陷落柱在煤層中的發(fā)育直徑為20 m模型Fig.3 Development diameter of the collapse column in the coal seam is 20 m model

模型2未偏移疊加地震剖面如圖4(a)所示，經(jīng)過(guò)F—K偏移后的地震時(shí)間剖面如圖4(b)所示。偏移后，繞射波基本上收斂消失，在陷落柱發(fā)育部位煤層反射波有細(xì)微變化，呈現(xiàn)出反射波同相軸連續(xù)性變差及弱能量弱震幅特征，這主要是由于煤礦采區(qū)CDP網(wǎng)格的限制，在10 m×10 m的網(wǎng)格中，僅有2～3道能對(duì)大小為20 m的煤層中陷落柱部位進(jìn)行控制，再加上受采集處理因素影響，有效道較少，分辨率較低，致使界面繞射三維空間偏移不理想[9-12]。因此，小于20 m的陷落柱在煤層處的反射特征，僅能表現(xiàn)為一弱振幅特征。

圖4 疊加地震剖面(模型2)Fig.4 An immigrated overlay seismic section(model Ⅱ)

從上述的陷落柱的地質(zhì)模型正演結(jié)果可知，陷落柱的形成，是由于巖溶的發(fā)育和不斷擴(kuò)大，其周?chē)貙佑晌g變逐漸發(fā)展到受重力作用而塌落下沉[13-14]。隨后陷落柱內(nèi)被松散物所充填，由于填充物成分復(fù)雜且比較松散，并與煤層的接觸邊界兩側(cè)存在著明顯的密度及速度差異，這是利用地震勘探技術(shù)探測(cè)陷落柱的基礎(chǔ)[15-16]。同時(shí)，通過(guò)正演可知，較大陷落柱的地震響應(yīng)在時(shí)間剖面上特征表現(xiàn)為：煤層反射波突然中斷或消失，在剖面上反射波突然中斷，在兩斷陷外側(cè)，反射波的同相軸有不同程度的彎曲或向陷落中心傾斜的現(xiàn)象[17-18]；而較小陷落柱的地震響應(yīng)在時(shí)間剖面上特征表現(xiàn)為：在偏移之前，異常波主要有繞射波；在偏移之后，繞射波不明顯，但反射波的振幅比正常標(biāo)準(zhǔn)反射能量弱。

上述陷落柱的地震、地質(zhì)特征，為進(jìn)行煤礦陷落柱的分析、識(shí)別提供了理論基礎(chǔ)。

1.2 陷落柱在時(shí)間剖面上的特征

較大陷落柱在時(shí)間剖面上的顯示特征如圖5所示。由圖5可知，有些中間常有部分反射波，兩側(cè)像斷點(diǎn)(圖5(a))，單從一個(gè)剖面上看，像一個(gè)小型的地塹，但連續(xù)追蹤解釋后，發(fā)現(xiàn)會(huì)形成一個(gè)圓形的圈閉；有些則中間空白，反射波突然中斷(圖5(b))。

圖5 較大陷落柱在時(shí)間剖面上的顯示特征Fig.5 Large collapse column shows the characteristics on time section

2 地震屬性在解釋陷落柱中的應(yīng)用分析

較大的陷落柱(直徑大于50 m)在時(shí)間剖面上有明顯有特征，容易解釋?zhuān)∠萋渲跁r(shí)間剖面上特征不明顯，極易漏掉。根據(jù)前面的正演可看出，它在屬性上有一定的反映，如反射波能量變?nèi)鯐?huì)在振幅屬性上造成異常，特別在沿層屬性中顯示為圓形的圈閉。因此，可用屬性技術(shù)對(duì)小陷落柱進(jìn)行解釋。

此次利用VVA和Geoframe提取出所有的屬性，結(jié)合已知工區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行研究，比較、篩選出最有利于小陷落柱解釋的屬性，然后，利用其他一些工區(qū)，對(duì)這些屬性識(shí)別陷落柱的能力進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)屬性技術(shù)解釋小陷落柱的方法。

研究區(qū)屬山西某煤礦區(qū)，陷落柱較為發(fā)育。該區(qū)域淺深層地震地質(zhì)條件較好，開(kāi)展過(guò)三維地震勘探工作，主要勘探對(duì)象為3號(hào)煤，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度穩(wěn)定，獲得的地震資料能量強(qiáng)、信噪比高，利于進(jìn)行構(gòu)造解釋。

2.1 體屬性

常用的體屬性有相干體、方差體、曲率體屬性。各種體屬性的利用，主要利用其沿煤層的層位屬性。其處理過(guò)程如下：先生成各種體，然后在體上沿3號(hào)煤層做層拉平，生成3號(hào)煤層的各種屬性圖。每種軟件的各種算法不一致，同一種屬性結(jié)果也不盡相同(圖6)。

由圖6可知，Geoframe軟件的方差屬性、VVA軟件的方差屬性和相干屬性效果都較好，陷落柱異常反映清楚，無(wú)論是較大的，還是較小都有顯示，在煤層順層切片上表現(xiàn)為圓形或半圓形圈閉。VVA軟件的曲率屬性效果較差，雖然陷落柱在其上都有顯示，但干擾較大，沒(méi)有其他幾種屬性反映得明顯、直觀。

2.2 層面屬性

本次利用Geoframe軟件和VVA軟件，生成3號(hào)煤層的各種屬性。通過(guò)對(duì)這些屬性效果的逐個(gè)分析，發(fā)現(xiàn)VVA軟件的彎曲度屬性、傾角屬性、局部變化率屬性、正值曲率屬性，Geoframe軟件的平均波峰數(shù)(Average Peak Value)、最大振幅(Maximum Amplitude)、正極性振幅和(Sum of Pos. Amplitudes)、均方根振幅(Rms Amplitude)、弧長(zhǎng)(Arc Length)和平均能量(Average Energy)屬性對(duì)陷落柱微小變化具有放大作用，易于對(duì)微小陷落柱的識(shí)別，其他屬性效果不如這些屬性。

圖6 某研究區(qū)3號(hào)煤層屬性Fig.6 Attribute map of No.3 Coal Seam in a research area

2.3 屬性的選擇與利用

體屬性、層位屬性都對(duì)小陷落柱有一定的反映。結(jié)合時(shí)間剖面和部分已知資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，體屬性中，反映較好的屬性為方差體、相干體；層面屬性中，反映較好的屬性為平均波峰數(shù)、最大振幅、弧長(zhǎng)和平均能量。這4種效果基本一致，沒(méi)有明顯的差異。

屬性利用時(shí)，如用一種屬性，會(huì)因單一造成遺漏陷落柱或因噪聲造成假像，引起假陷落柱；如利用多種屬性，會(huì)造成解釋工作量的增加[19-20]。最后，優(yōu)先選擇了3種屬性，分別為：方差體屬性、均方根振幅層間屬性和弧長(zhǎng)屬性。在這3種屬性都有反映的陷落柱，確定為可靠陷落柱；在一種屬性中有反映、其他上面沒(méi)反映的陷落柱，再返回到時(shí)間剖面上，認(rèn)真分析[21-22]。

3 應(yīng)用實(shí)例

山西某煤礦區(qū)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)三維地震勘探工作，對(duì)陷落柱的解釋主要依靠地震時(shí)間剖面及層拉平切片，經(jīng)礦方采掘驗(yàn)證，部分陷落柱未被識(shí)別解釋。對(duì)此，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)此地震資料進(jìn)行了二次處理解釋?zhuān)⑶懊嫣岬降牡卣饘傩约夹g(shù)應(yīng)用到解釋工作中，以充分挖掘地震數(shù)據(jù)體中的屬性特征。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，構(gòu)造變化較大，主要體現(xiàn)為小斷層與小陷落柱的解釋方面，將原來(lái)解釋為小斷層構(gòu)造修改為了陷落柱，并新發(fā)現(xiàn)解釋了多個(gè)陷落柱，部分成果已經(jīng)礦方揭露證實(shí)，解釋精度明顯提高。

以前的技術(shù)對(duì)陷落柱的解釋主要依靠時(shí)間剖面和層拉平切片，在層拉平切片上，只有較大的陷落柱有反映，較小的反映不出來(lái)，如X2、X3、X9、X10陷落柱，而在方差體順層切片上大小陷落柱都有較好的反映(圖7)。如X3陷落柱在時(shí)間剖面上表示為一邊斷開(kāi)，另一邊連續(xù)；X10陷落柱在時(shí)間剖面上層位沒(méi)有中斷，僅向下有點(diǎn)彎曲，同時(shí)下面的輔助相位斷開(kāi)(圖8)。由于這個(gè)特征細(xì)微，以前的技術(shù)沒(méi)能或都沒(méi)敢解釋成陷落柱。

圖7 常規(guī)順層切片與方差體順層切片對(duì)比Fig.7 Comparison between the normal paramagnetic section and the variance body CIS slice

4 結(jié)論

通過(guò)上述的陷落柱地震正演模擬及屬性分析研究顯示，方差體、均方根振幅和弧長(zhǎng)等屬性可作為識(shí)別解釋陷落柱的一種重要技術(shù)手段，該方法不僅快捷、直觀，而且不受人為因素的影響，突破了煤礦采區(qū)發(fā)育于煤層中長(zhǎng)軸小于20 m的陷落柱的地震資料手工解釋有可能被漏掉的局面，是一種有效的小陷落柱精細(xì)解釋方法。

圖8 X3、X4及 X10陷落柱在時(shí)間剖面上特征Fig.8 Characteristics of X3，X4 and X10 collapse columns in time profile