申 濤，袁 峰，宋世杰，馬 麗，薛海軍，汶小剛

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710065；2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710026；3.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005；4.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

P波各向異性檢測在采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶探測中的應(yīng)用

申 濤1,4，袁 峰2,3，宋世杰4，馬 麗2，薛海軍2,3，汶小剛2,3

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710065；2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710026；3.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005；4.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

為了研究工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，在陜北某煤礦進(jìn)行了寬方位角、小面元、高覆蓋的三維地震勘探。受地震勘探精度限制，傳統(tǒng)方法很難對裂隙發(fā)育情況進(jìn)行描述。引入P波各向異性檢測技術(shù)對導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行研究。首先，將不同方位角地震數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加、偏移處理；之后在不同方位角偏移數(shù)據(jù)上進(jìn)行螞蟻追蹤，利用螞蟻追蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行各向異性檢測。經(jīng)各向異性檢測認(rèn)為裂隙發(fā)育強度與距煤層頂板距離成反比，裂隙最大發(fā)育高度為118 m。通過各向異性數(shù)據(jù)與地震振幅數(shù)據(jù)結(jié)合分析認(rèn)為研究區(qū)導(dǎo)水裂隙尚未發(fā)育到風(fēng)化基巖面，未導(dǎo)通薩拉烏蘇組含水層。應(yīng)用實踐表明，P波方位各向異性裂隙檢測方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶的裂隙分布特征及發(fā)育高度。

各向異性檢測；寬方位角；螞蟻追蹤；導(dǎo)水裂隙帶

榆神礦區(qū)煤礦高強度開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙導(dǎo)致地下水位下降，研究導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況對保水采煤具有重要意義[1-2]。對導(dǎo)水裂隙帶的探測通常采用實際探測法、理論計算、相似材料模擬和經(jīng)驗公式計算法等方法。目前，較為有效的手段是采用地質(zhì)鉆探并結(jié)合測井曲線來確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，但是鉆探費用較高，探測效果也僅為一孔之見[3]。電磁勘探根據(jù)裂隙發(fā)育程度及對水體的導(dǎo)通能力進(jìn)行探測，依據(jù)視電阻率大小判定其含水情況，但其體積效應(yīng)較大，勘查精度有限[4-5]；近年來，隨著三維地震勘探在煤礦中的應(yīng)用，利用分辨率較高的地震勘探技術(shù)在煤礦采動損害調(diào)查中取得了一定的效果[6-8]，但多限于對導(dǎo)水裂隙帶平面范圍研究，對導(dǎo)水裂隙帶的空間發(fā)育情況研究較少。傳統(tǒng)的解釋方法如相干、曲率、頻譜分解等僅能檢測斷層，對于裂隙的刻畫精度較低。

目前利用地震資料進(jìn)行裂隙探測的有效方法有彈性波阻抗反演和P波各向異性檢測技術(shù)。彈性波阻抗反演擺脫了常規(guī)疊后波阻抗反演基于地震波垂直入射的前提，保留了反射波振幅隨偏移距或入射角的變化特征，考慮了AVO效應(yīng)，與常規(guī)疊后波阻抗反演相比其反演結(jié)果包含了更多的裂隙信息，一般利用彈性波阻抗反演和常規(guī)疊后波阻抗反演的差異對裂隙進(jìn)行判斷[9-11]。但是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育埋深相對于煤層較淺，反射波入射角較小，AVO效應(yīng)不明顯，彈性波阻抗反演效果欠佳。P波各向異性檢測技術(shù)是近幾年裂隙預(yù)測的熱點方法，它是利用P波通過裂隙介質(zhì)所表現(xiàn)出的方位各向異性特征來進(jìn)行裂隙檢測[12-14]。目前在煤田上主要用來檢測煤層裂隙，如秦軻、崔若飛等利用P波的方位各向異性屬性來進(jìn)行煤層裂隙檢測[15]；張亞兵、陳同俊等利用各向異性檢測研究佛洼區(qū)煤層裂隙發(fā)育帶[16]；但對開采煤層上覆巖土層裂隙發(fā)育空間特征的研究較少。

本文嘗試引入P波各向異性檢測技術(shù)對采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行研究。首先，將不同方位角地震數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加、偏移處理；之后在不同方位角偏移數(shù)據(jù)上進(jìn)行螞蟻追蹤；然后利用螞蟻追蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行各向異性檢測，并對導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行劃分；最后結(jié)合各向異性檢測數(shù)據(jù)研究裂隙發(fā)育對地下水的影響。

1 P波各向異性檢測原理

煤層采空之后巖石介質(zhì)產(chǎn)生一組定向垂直的裂縫，引起巖石各向異性。根據(jù)地震波的傳播理論,當(dāng)P波在各向異性介質(zhì)中平行或垂直于裂縫方向傳播時具有不同的旅行速度，從而導(dǎo)致P波振幅響應(yīng)的變化和旅行時的差異。這種P波通過裂縫介質(zhì)所表現(xiàn)出的方位各向異性特征是進(jìn)行裂縫檢測的直接參數(shù)。P波檢測定向垂直裂縫技術(shù)是利用寬方位地震觀測數(shù)據(jù)來研究P波屬性隨方位角的周期變化，估算裂縫方位和密度[17]。

P波反射波在通過裂隙性介質(zhì)時，在固定炮檢距的情況下，反射波的振幅、速度、頻率等屬性可表示為

式中，α為炮檢方向相對于裂隙走向的取向角；A為與偏移距有關(guān)的偏置因子；B為與偏移距和裂隙特征有關(guān)的調(diào)制因子；F(α)為P波地震屬性(振幅、速度、頻率等)的方位各向異性特征。

當(dāng)炮檢方向平行于裂隙走向時，F(xiàn)(α)=A+B最大；當(dāng)炮檢方向垂直于裂隙走向時，F(xiàn)(α)=A-B最小。理論上只要知道3個方位上的F(α)變化就可求解裂隙方位角α及與裂隙密度相關(guān)的綜合因子B/A[18]。

2 導(dǎo)水裂隙帶探測應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北某煤礦30101工作面中段，工作面寬300 m，與其西面相鄰的30102工作面已開采完畢，研究區(qū)橫向長1 000 m，縱向?qū)?00 m，勘探面積0.50 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)相對位置

目前開采3號煤層，平均厚度8.36 m，煤層埋深250.90～268.05 m，分層開采厚度為5 m。煤層由東南向西北緩傾，傾角約0.5°。30101工作面煤層采掘距本次數(shù)據(jù)采集時間超過1.5 a，30102工作面采掘距本次野外數(shù)據(jù)采集時間僅4個月。

2.2 P波各向異性檢測應(yīng)用分析

研究區(qū)采用寬方位采集，縱橫炮檢距比接近1，數(shù)據(jù)采集的主要參數(shù)為：道距10 m，炮距60 m，16線32炮，CDP面元5 m×5 m，覆蓋次數(shù)64次覆蓋(圖2)。地震激發(fā)選擇在潛水面以下3～5 m激發(fā)，獲得了高品質(zhì)的原始數(shù)據(jù)。

(2) 紅土鎳礦-硫酸銨焙燒熟料鐵溶出過程受外擴散控制，動力學(xué)方程為：1-(1-α)2/3=0.208 5 exp(-7 234/RT)t，表觀活化能E=7.23 kJ·mol-1。

圖2 研究區(qū)觀測系統(tǒng)

按照0°～60°,60°～120°,120°～180°抽取了3個方位角道集(雙向方位角)，各方位道集的偏移距和覆蓋次數(shù)均勻，為了保證一定的信噪比，將5個小面元合并為一個超級面元，覆蓋次數(shù)達(dá)到100次。圖3為3個偏移數(shù)據(jù)體的3號煤層順層切片，由圖3可以看出,振幅切片雖然能很好的區(qū)分裂隙發(fā)育地層和正常地層(裂隙發(fā)育段振幅較為雜亂，而正常地層振幅較為穩(wěn)定)，但其對裂隙反映模糊，不能很好的刻畫裂隙。螞蟻追蹤技術(shù)能自動追蹤和識別地震數(shù)據(jù)中的裂隙、斷裂系統(tǒng)[19-22]。

圖3 3個不同方位角3號煤層順層振幅切片

圖4為3個偏移數(shù)據(jù)體的3號煤層螞蟻體順層切片，從螞蟻體切片不但能很好的區(qū)分裂隙發(fā)育地層和正常地層，也能很好的刻畫裂隙。由圖4可以看出，采空區(qū)范圍內(nèi)不同方位角數(shù)據(jù)的螞蟻體切片存在一定的差異，由此可見受裂隙各向異性的影響不同方位角觀測裂隙是不同的。為使螞蟻追蹤結(jié)果可定量表征裂隙發(fā)育帶，采用式(1)進(jìn)行各向異性檢測。預(yù)測結(jié)果如圖5所示。

圖4 3個不同方位角3號煤層順層螞蟻體切片

圖5 Inline 306線各向異性檢測密度剖面

在地震剖面中(圖6)，裂隙發(fā)育較強段，反射波消失并伴有繞射波和各種散射波，裂隙帶識別較易；裂隙發(fā)育較弱段，反射波波組頻率向低頻方向移動，但反射波頻率還受巖性變化影響，因此通過地震波形特征來識別裂隙發(fā)育較弱段較為困難。在相干體剖面中(圖7)可以看到相干體只能識別導(dǎo)水裂隙帶下部裂隙發(fā)育較強段(應(yīng)對的各向異性密度為1.8～3)；導(dǎo)水裂隙帶上部裂隙發(fā)育較弱地段，相干體無法識別，而在各向異性檢測剖面上側(cè)可以清晰的識別(對應(yīng)各向異性密度為0.4～1.8)。

圖6 Inline 306線地震剖面

圖7 Inline 306線相干體剖面

在瞬變電磁剖面中(圖8)，根據(jù)電阻率異?？梢院芎玫淖R別裂隙較大區(qū)域，尤其是覆巖垮落之后形成的空洞區(qū)域，但對以垂直裂隙發(fā)育為主的裂隙帶的反映不明顯。

圖8 Inline306線瞬變電磁剖面

將各向異性檢測得到的過孔數(shù)據(jù)(H4孔)與漏矢量曲線進(jìn)行比較，如圖9所示。從過井資料來看各向異性檢測結(jié)果與漏矢量曲線吻合度較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了81%，而相干體的相關(guān)系數(shù)只有67%。因此認(rèn)為，用各向異性檢測結(jié)果來對導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行預(yù)測是可行的。和鉆探結(jié)果(如漏矢量)進(jìn)行比對，認(rèn)為各向異性密度數(shù)值在0.4～2.4為導(dǎo)水裂隙帶，<0.4為裂隙不發(fā)育區(qū)域，>2.4為垮落帶。

圖9 H4鉆孔漏矢量、地震道、各向異性數(shù)據(jù)

2.3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征

將各向異性檢測得到的裂隙密度數(shù)據(jù)和裂隙方位角數(shù)據(jù)疊加形成矢量數(shù)據(jù)，線段的長度代表了裂隙密度數(shù)值的大小，方向代表了裂隙的方位角。圖10為裂隙密度與裂隙方位疊加的矢量平面圖(轉(zhuǎn)化到深度域)，裂隙矢量的數(shù)量雖然不能反映裂隙的數(shù)量，但從客觀上反映裂隙的強度(數(shù)量、大小的綜合反映)。由圖10可以看出，裂隙發(fā)育強度與距煤層頂板距離成反比。

圖10 裂隙密度與裂隙方位疊加的矢量

圖11 裂隙矢量數(shù)量與距煤層頂板距離關(guān)系

經(jīng)以上分析采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶呈“馬鞍型”發(fā)育，馬鞍中心最大高度62 m，裂隙帶最大高度為118 m，單側(cè)平面寬度相對采空區(qū)范圍縮小5 m。

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育對地下水影響

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南，毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱。裂隙帶發(fā)育至松散含水層，會引起水沙混合物的涌入，導(dǎo)致突水潰沙災(zāi)害[1-2]。掌握導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育特征對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)有重要意義。

本文結(jié)合各向異性檢測數(shù)據(jù)研究導(dǎo)水裂隙帶對地下水的影響。

研究區(qū)含水層主要為直羅組頂部風(fēng)化基巖裂隙承壓水和新生界的薩拉烏組含水層，以及位于新生界的薩拉烏蘇組的含水層[23-25]。將各向異性數(shù)據(jù)與地震振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合顯示，如圖12所示。

圖12 各向異性數(shù)據(jù)與地震剖面疊合成果

由圖12可以看出，導(dǎo)水裂隙發(fā)育至直羅組沒有切穿基巖，但導(dǎo)水裂隙尚未發(fā)育到風(fēng)化基巖面，經(jīng)計算其最大發(fā)育高度距離基巖面有35 m。導(dǎo)水裂隙帶對地下水影響分以下3個方面：

(1)對第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組含水層的影響：導(dǎo)水裂隙帶不會貫通第四系更新統(tǒng)相對隔水層，而薩拉烏蘇組含水層在第四系離石組(Q2l)、午城組(Q1w)之上故導(dǎo)水裂隙不會波及薩拉烏蘇組含水層。

(2)對第四系更新統(tǒng)相對隔水層的影響：第四系離石組(Q2l)、午城組(Q1w)是潛水和承壓水之間的隔水層，厚度一般是40～80 m，而本區(qū)基巖面標(biāo)高大于裂隙帶最大發(fā)育高度35 m，故導(dǎo)水裂隙不會溝通第四系更新統(tǒng)相對隔水層。

(3)對延安組(J2y)含水層和直羅組(J2z)碎屑巖類含水層的影響：導(dǎo)水裂隙已經(jīng)貫穿延安組含水層和直羅組碎屑巖含水層。而延安組含水層和直羅組含水層的富水性較弱，因此可以判斷導(dǎo)水裂隙帶基本不充水。

4 結(jié) 論

(1)通過P波各向異性檢測技術(shù)能夠很好的探測出導(dǎo)水裂隙帶裂隙發(fā)育情況。從過井資料來看各向異性檢測結(jié)果與漏矢量曲線吻合度較高，相似系數(shù)達(dá)到了81%。

(2)導(dǎo)水裂隙帶地震波場復(fù)雜，在采集過程中任何差異均會對各向異性檢測產(chǎn)生影響。宜采用寬方位、高覆蓋次數(shù)的觀測系統(tǒng)，盡可能地采集“全息”三維地震數(shù)據(jù)；同時要保證地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，減少外界干擾的影響。

(3)通過各向異性檢測技術(shù)結(jié)合鉆孔資料認(rèn)為各向異性密度數(shù)值在0.4～2.4為導(dǎo)水裂隙帶，<0.4為裂隙不發(fā)育區(qū)域，>2.4為垮落帶。認(rèn)為研究區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為118 m。

(4)通過各向異性數(shù)據(jù)與地震振幅數(shù)據(jù)結(jié)合分析認(rèn)為導(dǎo)水裂隙尚未發(fā)育到風(fēng)化基巖面，未導(dǎo)通薩拉烏蘇組含水層。

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Application of P-wave anisotropy detection in detecting the conducting fracture zone

SHEN Tao1，4，YUAN Feng2,3，SONG Shi-jie4，MA Li2，XUE Hai-jun2,3,WEN Xiao-gang2,3

(1.ShaanxiProvincialGeologicalSurveyInstitute,Xi’an710065,China;2.KeyLaboratoryofCoalResourcesExplorationandComprehensiveUtilization,MinistryofLandandResources,Xi’an710026,China;3.ShaanxiProvincialCoalGeophysicalProspecting,SurveyingandMappingCo.,Ltd.,Xi’an710005,China;4.Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

In order to study the development of water flowing fractured zone in working face,a 3D seismic exploration with wide azimuth,small facet and high coverage was carried out in a coal mine in northern Shaanxi.Limited by the accuracy of seismic exploration,it is difficult to describe the development of fractures in traditional way.A P-wave anisotropy detection technology was introduced to study the hydraulic fractured zone in this study.Firstly,the seismic data of different azimuth angles was stacked and offset processed.And then,an ant-tracking was conducted at different azimuthal offset data,and an anisotropic detection was performed with ant trace data.The anisotropy test which indicates that the fracture development intensity is inversely proportional to the distance from the roof,and the maximum height of fracture is 118 m.With the analysis of anisotropy data and seismic amplitude data,the authors can draw a conclusion that the water flowing fractures in the study area have not yet developed to the weathered bedrock surface,and not connected to the aquifer of the Sarawusu Formation.In practice,it shows that the P-wave azimuth anisotropic fracture detection method can accurately predict the distribution characteristics and development height of fractures in hydraulic fractured zone.

anisotropic detection;wide azimuth;ant tracking;water conducting fractured zone

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5010

2016-09-23

2016-11-11責(zé)任編輯:許書閣

國家自然科學(xué)基金資助項目(41402308);陜西省教育廳科研計劃資助項目(14JK1466)

申 濤(1979—),男,山東日照人,高級工程師。E-mail:3611697@qq.com。通訊作者:袁 峰(1984—),男,湖北十堰人,工程師。E-mail:249251661@qq.com

TD823;TD325

A

0253-9993(2017)01-0197-06

申濤，袁峰，宋世杰，等.P波各向異性檢測在采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶探測中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2017,42(1):197-202.

Shen Tao，Yuan Feng，Song Shijie,et al.Application of P-wave anisotropy detection in detecting the conducting fracture zone[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):197-202.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5010