張 昭，殷全增

不同年限采空區(qū)下地震勘探效果實(shí)例研究

張 昭，殷全增

(河北省煤田地質(zhì)局物測(cè)地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000)

隨著煤炭資源的持續(xù)開發(fā)，部分煤礦上組煤已經(jīng)開采殆盡，亟需開展下組煤的探測(cè)工作。受上組煤采空影響，下組煤地震波能量吸收和散射衰減嚴(yán)重，資料信噪比低，三維地震對(duì)采空區(qū)下組煤的探測(cè)尚屬于探索階段。以冀中能源東龐礦采空區(qū)下組煤三維地震勘探項(xiàng)目為例，采用“兩寬一高”采集、高精度資料處理和屬性體解釋等技術(shù)，對(duì)不同年限采空區(qū)下組煤的探測(cè)效果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：采用“兩寬一高”采集技術(shù)能夠獲取采空區(qū)下組煤的地震信息；振幅補(bǔ)償、地震拓頻技術(shù)使得9號(hào)煤反射波波組豐富、連續(xù)性好；采空區(qū)年限大于10年時(shí)，破碎巖層壓實(shí)，相對(duì)穩(wěn)定，下組煤反射波利于追蹤，而小于10年時(shí)，巖層破碎未壓實(shí)，導(dǎo)致下組煤反射波能量弱、雜亂無章。這一認(rèn)識(shí)對(duì)于類似煤礦采空區(qū)下組煤探測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。

三維地震勘探；采空區(qū)；下組煤；不同年限；冀中能源東龐礦

目前，利用三維地震勘探技術(shù)探測(cè)煤礦采空區(qū)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦井開采力度的加大，大部分礦井的淺部煤炭資源已采掘殆盡，其開采目標(biāo)已轉(zhuǎn)向已采煤層的下組煤層[1-6]。部分礦井雖進(jìn)行過三維地震勘探，但受當(dāng)時(shí)地震勘探技術(shù)和地震地質(zhì)條件的限制，探查目標(biāo)主要為上組煤，而下組煤整體的探測(cè)效果不太理想，原有的探測(cè)成果不能滿足礦井開采的技術(shù)要求。下組煤的賦存地質(zhì)條件及煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)優(yōu)先開采的上組煤來說更加復(fù)雜，因此，在下組煤開采前進(jìn)行補(bǔ)充勘探工作尤為重要。

由于上組煤層被開采后形成采空區(qū)，應(yīng)力場(chǎng)的變化使得地球物理場(chǎng)的傳播特性發(fā)生變化，采空區(qū)引起的上覆巖層破壞對(duì)地震波有很強(qiáng)的吸收衰減和散射作用，高頻衰減強(qiáng)烈，同時(shí)破碎圍巖及裂隙使地震波波形不規(guī)則、紊亂，獲得的地震資料頻率極低，利用常規(guī)地震勘探方法解釋采空區(qū)下組煤的賦存形態(tài)難度加大[3,7-11]。隨著“兩寬一高”三維地震與可控震源高效采集、精細(xì)化處理和屬性體解釋等技術(shù)趨于成熟，獲取的高精度三維地震數(shù)據(jù)體，對(duì)小斷層、陷落柱、采空區(qū)等探測(cè)精度明顯提升。

筆者以冀中能源東龐礦采空區(qū)下組煤三維地震探測(cè)為例，對(duì)采空區(qū)下組煤的賦存形態(tài)進(jìn)行了研究，并著重對(duì)不同年限采空區(qū)下組煤波組特征進(jìn)行分析比較，為今后該類工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于太行山東麓華北平原西緣邢臺(tái)煤田的北部，井田內(nèi)的主要可采煤層為二疊系山西組的2號(hào)煤，石炭系太原組的6、8、9號(hào)煤(表1)。礦井采用立井–暗斜井多水平開拓方式，分三個(gè)水平開采，第一水平–300 m，第二水平–480 m和深部水平。采區(qū)巷道布置為走向長壁、采區(qū)前進(jìn)、工作面后退式采煤方法，采用高架綜采(一次采全高)，全部垮落法管理頂板。

表1 研究區(qū)煤層參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：0.64～6.25/4.40表示最小～最大值/平均值，其他數(shù)據(jù)同。

在經(jīng)歷多年的開采后，井田內(nèi)的2號(hào)煤已基本采完。本次研究區(qū)內(nèi)僅局部殘存部分2號(hào)煤，下組的6、8、9號(hào)煤為礦井下一步的主要采掘煤層，也是三維地震勘探工作探測(cè)的主要目的層[12]。

從不同時(shí)期采空區(qū)分布圖(圖1)中可以看出：本次研究區(qū)內(nèi)分布著不同年限形成的采空區(qū)，其中，最老的采空區(qū)形成于1988年，最新的采空區(qū)形成于2018年，因采空的年代跨度長達(dá)30年，致使上覆巖層隨著年份的推移沉降情況不盡相同，為下組煤的地震勘探工作帶來極大的挑戰(zhàn)。

1.1 礦井地質(zhì)概況

研究區(qū)被第四系松散沉積物所掩蓋，地層由老到新發(fā)育有太古界贊皇群、古生界奧陶系、石炭系、二疊系和新生界第四系，其中新生界直接覆蓋在基巖面上，地層厚度130.00～199.10 m，平均154.90 m，由南往北逐漸變厚。太原組與山西組為區(qū)內(nèi)的主要含煤地層。上覆基巖厚度130～400 m。區(qū)內(nèi)地層整體為一走向北東傾向南東的單斜構(gòu)造形態(tài)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育。

圖1 不同時(shí)期采空區(qū)分布

1.2 地震地質(zhì)條件

表、淺層地表較平坦，淺層大范圍內(nèi)廣布卵礫石、流沙層，其對(duì)地震波產(chǎn)生較強(qiáng)散射，在能量衰減的同時(shí)也降低了有效波的主頻。

中、深層煤層賦存條件較好，煤層與圍巖的波阻抗差異較大，地震反射波較為發(fā)育，但因本區(qū)內(nèi)2號(hào)煤大部分都已采掘，形成大面積的采空區(qū)，使得上覆地層出現(xiàn)“三帶”，即垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶，采空區(qū)對(duì)地震波的散射、吸收作用強(qiáng)烈，不利于地震波的傳播。

2 三維地震勘探數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

依據(jù)“兩寬一高”的技術(shù)要求，參考東龐礦及鄰區(qū)地震勘探經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定適合本區(qū)的采集參數(shù)(表2)。采集滿足“寬方位”、“寬頻率”和“高密度”的采集要求，達(dá)到了壓制干擾、增加目的層的反射能量、提高資料的信噪比的目的[13-18]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

針對(duì)研究區(qū)特點(diǎn)，地震資料處理階段除常規(guī)處理外采用振幅補(bǔ)償和頻譜拓展等技術(shù)提高資料處理質(zhì)量。

其中應(yīng)用P. Newman公式計(jì)算球面擴(kuò)散效應(yīng)，利用合理的均方根速度在縱向上進(jìn)行炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)和偏移距方向上進(jìn)行球面擴(kuò)散補(bǔ)償，使淺、中、深層能量得到均衡。地表一致性振幅補(bǔ)償，對(duì)每個(gè)記錄道利用高斯–塞德爾分解計(jì)算三維校正量，補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄔ趥鞑ミ^程中由激發(fā)條件和接收參數(shù)的不一致性導(dǎo)致的振幅能量衰減，消除風(fēng)化層厚度、速度、激發(fā)巖性等地表因素橫向變化造成的能量差異[19-21]。

表2 研究區(qū)采集參數(shù)

由于偏移的混疊效應(yīng)，偏移后資料頻率會(huì)有所降低。利用Butterworth子波拓寬地震記錄優(yōu)勢(shì)頻率的帶寬，拓展并保留低頻，突出高頻弱反射信息，提高地震記錄分辨率(圖2)。

3 采空區(qū)下組煤地震解釋

從2號(hào)煤和9號(hào)煤的沿層切片(圖3)可以看出，研究區(qū)內(nèi)2號(hào)煤大部已被采空(圖3a)，僅北部和零星區(qū)塊存留煤層；圖3b中9號(hào)煤反射波波組豐富、能量強(qiáng)、連續(xù)性好，成功獲取了采空區(qū)下組煤的地震信息，充分說明本次采集參數(shù)和處理技術(shù)的科學(xué)性及合理性。

圖3 三維數(shù)據(jù)體煤層沿層切片

煤層采空后，其地震反射波一般表現(xiàn)為反射波消失，錯(cuò)斷、雜亂無章，信噪比低，連續(xù)性變差等特征，同時(shí)造成下組煤煤層反射波時(shí)間延時(shí)、振幅減弱、頻率降低等現(xiàn)象[11,21-23]。本次研究通過對(duì)20世紀(jì)80年代初以來上組煤(2號(hào)煤)采空區(qū)域的三維地震時(shí)間剖面分組，以每間隔10年左右對(duì)比(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)不同間隔時(shí)段的采空區(qū)下伏煤層及奧灰頂面的地震反射波的能量、連續(xù)性、頻率變化較大。

1) 30 a及以上

圖4a中，2號(hào)煤采空區(qū)形成時(shí)間分別為1988年、1989年和1990年，反射波同相軸能量強(qiáng)、連續(xù)性好、頻率較高；表明上覆地層經(jīng)過30多年自然作用，沉降趨穩(wěn)、巖層在二次壓實(shí)作用下已較為密實(shí)，對(duì)地震波的影響較小。

2) 20～30 a

圖4b中，2號(hào)煤采空區(qū)形成時(shí)間分別為1997年、1999年和2000年左右，分析得出采空區(qū)上部地層沉降穩(wěn)定，對(duì)下組煤影響較小。

3) 10～15 a

圖4c中，2號(hào)煤采空區(qū)形成時(shí)間為2004年，分析得出采掘時(shí)間為2004年的采空區(qū)，上部地層沉降較穩(wěn)定，下組煤反射波較連續(xù)。

4) 10 a內(nèi)

圖4c、圖4d中，2號(hào)煤采空區(qū)時(shí)間分別為2010年、2014年和2018年，分析得出該區(qū)域采空區(qū)形成時(shí)間短，采空區(qū)內(nèi)地層破碎、松散，未壓實(shí)，極不穩(wěn)定，下組煤反射波能量弱、連續(xù)性差、頻率低，波形延時(shí)彎曲、雜亂。特別是采掘時(shí)間為2018年的采空區(qū)，下組煤反射波雜亂無序，難于追蹤。

圖4 不同年限采空區(qū)下組煤反射波特征

從上述分析可知，隨著采空時(shí)間越久地層塌陷和沉降趨于穩(wěn)定，破碎巖層經(jīng)多年二次壓實(shí)作用后，相對(duì)更加密實(shí)，有利于地震反射波的形成，這一現(xiàn)象從不同年限采空區(qū)下地震時(shí)間剖面得到了印證。在對(duì)采空區(qū)下組煤進(jìn)行勘探時(shí)，采空時(shí)間要在10年以上，此時(shí)上覆巖層沉降基本穩(wěn)定，采空區(qū)下組煤反射波能量強(qiáng)、連續(xù)性好、頻率較高，易于解釋。

4 結(jié)論

a.為解決采空區(qū)的散射和高頻衰減，采用較寬方位角觀測(cè)系統(tǒng)、較高的采集密度和疊加次數(shù)，可以獲得較高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。

b.采用振幅補(bǔ)償消除地震波能量衰減、Butterworth子波“載波調(diào)制”技術(shù)拓寬地震記錄保留低頻、突出高頻弱反射信息，可以獲得較高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)體。

c.采空區(qū)形成時(shí)間需達(dá)到10年以上，巖層沉降穩(wěn)定，壓實(shí)作用使得破碎巖層相對(duì)密實(shí)，對(duì)下組煤勘探影響相對(duì)減小，有利于地震反射波形成。

致謝：張燈亮正高級(jí)工程師提供了研究區(qū)不同時(shí)期采空區(qū)分布圖，程建遠(yuǎn)研究員和陳尚斌教授審閱了初稿，為本文提出了寶貴的修改建議，編輯和審稿老師進(jìn)行了多次細(xì)致的潤色和修改，在此一并致以衷心的感謝！

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Case study on the effects of seismic exploration beneath the goafs of different ages

ZHANG Zhao,YIN Quanzeng

(Coal Geology Geological Team of Hebei Province Bureau, Xingtai 054000, China)

With the continuous development of coal resources, the upper group of coal in some coal mines has been mined out, and it is urgent to solve the detection problem of the lower group of coal. Affected by the goaf formed by the upper group of coal, the seismic energy absorption and scattering attenuation of the lower group of coal are significant, and the signal-to-noise ratio of the data is low.The detection of the lower group of coal under the goaf by 3D seismic exploration is still in the exploration stage. In this paper, the 3D seismic exploration project of the lower group coal in the goaf of Dongpang Coal Mine of Jizhong Energy Group is discussed. The detection effect of lower group coal beneath goafs of different ages is compared and analyzed by using the technologies of “2W1H”(Wide-band, Wide azimuth and High-density) acquisition, high-precision data processing and attribute body interpretation. The results show that the seismic information on the lower group of coal can be obtained by using the “2W1H” acquisition technology. The technologies of amplitude compensation and seismic frequency extension make the reflection wave group of No.9 coal seam plenty and continuous. When the goafs’age is more than 10 years, the broken strata are compacted and relatively stable, and the reflection wave of the lower group of coal is easy to track. When the goafs’age is less than 10 years, the broken strata are not compacted, leading to weak and disordered reflected wave energy of the lower group of coal. This knowledge has a certain guiding significance for the detection of the lower group of coal in similar coal mines.

3D seismics exploration; goaf; lower group of coal; different age; Dongpang Coal Mine of Jizhong Energy Group

語音講解

P631

A

1001-1986(2021)06-0237-06

2021-04-21；

2021-07-12

河北省煤田地質(zhì)局物測(cè)地質(zhì)隊(duì)科研項(xiàng)目(HBWCD-W-2019-9)

張昭，1983年生，男，河北平山人，高級(jí)工程師，從事煤田地震勘探工作. E-mail：41563199@qq.com

殷全增，1965年生，河北邢臺(tái)人，正高級(jí)工程師，從事煤田地質(zhì)、物探等工作. E-mail：13931909280@126.com

張昭，殷全增. 不同年限采空區(qū)下地震勘探效果實(shí)例研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：237–242. doi: 10.3969/j.issn. 1001-1986.2021.06.028

ZHANG Zhao，YIN Quanzeng. Case study on the effects of seismic exploration beneath the goafs of different ages[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：237–242. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.028

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(責(zé)任編輯 聶愛蘭)