馬 麗 許德才 馮西會 唐文榜

(1. 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西省西安市，710026；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西省西安市，710005；3.北京軟島科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083)

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★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

基于頻率差異技術(shù)識別澄合礦區(qū)奧陶系灰?guī)r溶洞

馬 麗1,2許德才1,2馮西會1,2唐文榜3

(1. 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西省西安市，710026；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西省西安市，710005；3.北京軟島科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083)

澄合礦區(qū)的煤炭資源開采面臨奧陶系灰?guī)r巖溶水突出的威脅，以三維地震勘探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對比了不同頻率、不同厚度的煤層與不同頻率、不同規(guī)模的溶洞的復(fù)合反射系數(shù)，分別采用相位剖面和大于80 Hz的高頻諧波振幅屬性解釋了奧陶系灰?guī)r風(fēng)化界面和奧陶系灰?guī)r溶洞，得到了西卓煤礦三維地震勘探區(qū)內(nèi)溶洞的平面分布，為煤礦安全生產(chǎn)提供了一定的地質(zhì)依據(jù)。

三維地震勘探 頻率差異技術(shù) 振幅屬性 奧陶系灰?guī)r溶洞 澄合礦區(qū)

渭北煤田澄合礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地的東南緣，礦區(qū)含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，主要可采煤層為5#煤層，厚度為4～5 m，賦存于山西組底部。局部可采煤層4層，分別為山西組的3#、4#煤層和太原組的6#、10#煤層，煤系基底為中下奧陶統(tǒng)灰?guī)r。礦區(qū)主要含水層有第四系松散巖類孔隙含水層組，石炭、二疊系砂巖層裂隙承壓含水層組和灰?guī)r巖溶裂隙水含水巖組3類。前兩類含水層受礦區(qū)地理位置與地層沉積條件的影響，含水性、透水性均不良，水力聯(lián)系較差，為次要影響因素；第三類含水層為目前礦區(qū)煤炭資源開采面臨的主要含水層。澄合礦區(qū)奧陶系灰?guī)r(以下簡稱奧灰?guī)r)頂面到5#煤層底板間距為16～27 m，礦區(qū)奧灰?guī)r靜止水位標(biāo)高為+370～+380 m，目前主要可采煤層均位于+372 m以下，因此奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水對5#煤層及下伏10#煤層的開采具有較大的威脅。盡管開展了奧灰水綜合防治技術(shù)研究、底板加固注漿等防治措施，但受奧陶系灰?guī)r溶洞發(fā)育不均、對底板破壞深度影響較大、鉆探工程點狀分布等綜合因素影響，從20世紀(jì)90年代至今，礦區(qū)內(nèi)煤礦發(fā)生淹井及局部淹井死亡事故4起，共造成41人死亡、2人失蹤，各煤礦開采標(biāo)高低于奧灰?guī)r靜止水位時均不同程度出現(xiàn)過涌水現(xiàn)象，揭露的奧灰?guī)r溶水主要賦存于中奧陶系峰峰組二段O2f2。

從20世紀(jì)末開始，澄合礦區(qū)陸續(xù)開展了面積超過80 km2的三維地震勘探，三維地震勘探為優(yōu)化礦井設(shè)計、合理布局采區(qū)、保障礦井安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用，在地震解釋技術(shù)迅速發(fā)展的情況下，本文以西卓煤礦的三維地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用地震分頻技術(shù)對奧陶系灰?guī)r溶洞進(jìn)行解釋。

1 技術(shù)原理

奧陶系灰?guī)r(白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白支巖、石灰?guī)r等的統(tǒng)稱)的骨架巖石可視為準(zhǔn)均勻介質(zhì)，但在其內(nèi)部形成的溶洞及其填充介質(zhì)使其局部成為非均勻體，從礦井及鉆探揭示，有的溶洞為空洞，有的溶洞被鋁土質(zhì)泥巖、半膠結(jié)的砂泥巖、方解石晶簇等填充，造成奧陶系灰?guī)r整體為弱反射、局部為強反射的反射特征，澄合礦區(qū)鉆探揭示的溶洞填充物如圖1所示。

圖1 鉆孔揭示溶洞填充物

唐文榜等人提出采用薄層反射波的振幅用薄層復(fù)合反射系數(shù)R來衡量。

(1)

式中：r——薄層頂?shù)酌娣瓷湎禂?shù)；

h——薄層厚度，m；

λ——薄層介質(zhì)中傳播的地震波波長，m；

v——地層的波速，m/s；

f——反射諧波頻率，Hz。

溶洞繞射波振幅則用薄層復(fù)合反射系數(shù)與溶洞的寬度因子Kl來估算。溶洞寬度與振幅因子的關(guān)系如圖2所示。

圖2 溶洞寬度與振幅因子的關(guān)系曲線

(2)

式中：Kl——溶洞寬度振幅因子。

表1 不同頻率、不同厚度煤層的復(fù)合反射系數(shù)

設(shè)地震波在溶洞發(fā)育的奧灰?guī)r地層的傳播速度為6000 m/s，灰?guī)r密度為2.6 g/cm3；地震波在溶洞內(nèi)水體的傳播速度為1500 m/s，水體密度為1.1 g/cm3。分別計算頻率f為20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz、100 Hz，溶洞高度分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、15 m，溶洞寬度分別為20 m、40 m、60 m、80 m的溶洞復(fù)合反射系數(shù)RL。頻率分別為20Hz、60Hz、100Hz，界面反射系數(shù)為0.8時不同參數(shù)溶洞的復(fù)合反射系數(shù)分別見表2～表4。

表2 頻率20 Hz時不同高度、不同寬度溶洞復(fù)合反射系數(shù)RL

表3 頻率60 Hz時不同高度、不同寬度溶洞復(fù)合反射系數(shù)RL

表4 頻率100 Hz時不同高度、不同寬度溶洞復(fù)合反射系數(shù)RL

圖3 不同頻率、不同規(guī)模的溶洞的復(fù)合反射系數(shù)RL

2 應(yīng)用效果

(1)風(fēng)化面識別。對研究區(qū)內(nèi)鉆孔統(tǒng)計可知，5#煤層與風(fēng)化面之間的底砂巖厚度約20～50m，兩個界面的反射時差約30～45ms。當(dāng)頻率為60Hz時，二組地震波相鄰?fù)鄻O性時差為17ms，可以避免兩個層位的相互干涉。不同頻率的過井瞬時諧波相位剖面如圖4所示，由圖4可以看出，20Hz的剖面上煤層與風(fēng)化面Tg完全不能分開，40Hz的剖面上二者正在分離，60Hz相位剖面上風(fēng)化面特征可以獨立顯現(xiàn)，故采用60Hz頻率的相位剖面解釋風(fēng)化面Tg。

(2)溶洞解釋。當(dāng)頻率從20Hz至40Hz變化時，相位剖面上煤層反射波—T5波振幅能量帶逐漸變窄，風(fēng)化面振幅能量帶逐漸從中分離；60Hz時，風(fēng)化帶界面明顯顯現(xiàn)； 80～100Hz時，T5波振幅能量減弱、連續(xù)性變差，風(fēng)化面之下的串珠狀溶洞逐漸顯現(xiàn)，非規(guī)則振幅異常形態(tài)相似，可以進(jìn)行地震地質(zhì)解釋；120Hz時，風(fēng)化面之下非規(guī)則異常的形態(tài)和振幅有所降低，但形態(tài)保持不變。圖4中鉆孔41-2右側(cè)以及J5-4、J4-3兩個鉆孔之間的垂向異常反映清晰、穩(wěn)定，判斷為溶洞反映。

圖4 過井剖面不同頻率瞬時諧波相位剖面

選擇100Hz諧波振幅體，以奧灰?guī)r風(fēng)化面Tg為起始層位，向下以8ms的時間深度間隔切取沿層切片5張，Tg、Tg+8ms、……Tg+32ms，獲得風(fēng)化面向下近100m范圍的地層振幅沿層切片圖。Tg+24ms沿層切片對灰?guī)r溶洞的反應(yīng)如圖5所示。

圖5 Tg+24 ms沿層切片對灰?guī)r溶洞的反應(yīng)

由切片圖可以看到Tg及其下8ms時差的沿層切片上，非規(guī)則振幅異常形態(tài)相似，是風(fēng)化面的特征；Tg下16ms到32ms的沿層切片上，非規(guī)則異常發(fā)生變化，新的非規(guī)則異常顯現(xiàn)，說明風(fēng)化面特征對非規(guī)則振幅異常的影響減弱，溶洞的非規(guī)則振幅異常出現(xiàn)，并有規(guī)律變化。由此，根據(jù)不同時間的諧波振幅沿層切片對非規(guī)則振幅異常的分布特征進(jìn)行解釋，可以得到溶洞平面分布。

3 結(jié)論

澄合礦區(qū)奧陶系灰?guī)r厚、巖溶裂隙發(fā)育、富水性強，灰?guī)r與煤層間距近，煤炭開采受到巖溶水的危脅，現(xiàn)有探測手段對奧陶系灰?guī)r水的探測效果并不理想，使礦井水害的預(yù)防和治理針對性不強。本文分析了奧灰?guī)r風(fēng)化面和溶洞的反射特征，確定了以諧波相位剖面進(jìn)行奧灰風(fēng)化面的解釋、以高頻諧波振幅屬性識別奧灰溶洞的解釋方法，解釋長軸大于20m的溶洞26個。

基于頻率差異技術(shù)識別奧灰?guī)r溶洞為溶洞勘查提出了一種新的思路，解釋成果有待進(jìn)一步驗證與改進(jìn)。

[1] 葉東生,杜飛虎.煤層底板承壓含水體上帶壓開采研究[J].中國煤炭地質(zhì),2010(11)

[2] 馬雄德,杜飛虎,齊蓬勃等.底板承壓水保水采煤技術(shù)與工程實踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016 (8)

[3] 李濤,王蘇健,陳通等. 渭北煤田底板破壞深度規(guī)律研究[A]. 煤礦綠色高效開采技術(shù)研究——陜西省煤炭學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集[C]. 陜西省煤炭學(xué)會，2016(4)

[4] 楊德義.煤礦三維地震勘探技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國煤炭,2011 (6)

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Interpretation of the Ordovician limestone cave based on frequency difference technology in Chenghe mining area

Ma Li1,2, Xu Decai1,2, Feng Xihui1,2, Tang Wenbang3

(1. Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources, Xi'an, Shaanxi 710026, China;2.Shaanxi Provincial Coal Field Geophysical Prospecting, Surveying and Mapping Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710005, China;3. Beijing Softland Scientific & Technology Co., Ltd., Haidian, Beijing 100083, China)

Coal resources exploitation in Chenghe mining area was faced with the threat of the Ordovician limestone karstic water. Based on 3D seismic exploration data, the authors compared the recombination reflection coefficients of coal seam with different frequency and thickness and karst cave with different frequency and scale, explained the Ordovician limestone weathering interface with phase section and explained the Ordovician limestone cave with high-frequency harmonic amplitude attribute which was over 80 Hz, and finally got the plane distribution of limestone cave in the 3D seismic exploration area in Xizhuo Coal Mine, this research provided certain geological basis for coal mine safety production.

3D seismic exploration, frequency difference technology, amplitude attribute, Ordovician limestone cave, Chenghe mining area

陜西省科技統(tǒng)籌項目(2016FWPT-16)，國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室項目(ZZ2014-2，ZZ2016-2)

馬麗，許德才，馮西會等. 基于頻率差異技術(shù)識別澄合礦區(qū)奧陶系灰?guī)r溶洞[J]. 中國煤炭，2017,43(7)：40-43. Ma Li,Xu Decai, Feng Xihui, et al. Interpretation of the Ordovician limestone cave based on frequency difference technology in Chenghe mining area[J]. China Coal, 2017, 43(7):40-43.

P631.4

A

馬麗(1975-)，女，陜西三原人，高級工程師，碩士，從事煤田地震勘探技術(shù)工作。