喬 會(huì)，黃鶴飛，王鐵松

(1．陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005；2.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713699；3.山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 淄博 255000)

0 引言

基于螞蟻算法的螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型三維地震解釋技術(shù)[12]。該技術(shù)在油田斷裂系統(tǒng)[36]、儲(chǔ)層裂縫識(shí)別[79]、致密砂巖儲(chǔ)層[10]中得到廣泛的應(yīng)用，并取得一定的應(yīng)用效果。在煤層及巖層裂縫預(yù)測(cè)、斷層預(yù)測(cè)等方面，螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)也有廣泛應(yīng)用[1115]。該技術(shù)具有快速、高效、高精度和受人為因素影響小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于油氣、煤炭勘探等領(lǐng)域。

以高家堡煤礦為例，針對(duì)高家堡煤礦工作面回采過程中，出水量較大，礦井的排水負(fù)擔(dān)較重的現(xiàn)狀，采取了注漿措施，但由于煤層埋深較深，洛河組距煤層較近，采動(dòng)過程中隔水層裂隙比較發(fā)育導(dǎo)通洛河含水層的水進(jìn)入礦井，導(dǎo)致水量增大。加之前期注漿沒有將原生裂隙堵住，導(dǎo)致采動(dòng)區(qū)原生裂隙更加發(fā)育，注漿效果不明顯。

為解決高家堡4號(hào)煤層開采過程中的水害問題，查明煤層至洛河組含水層之間地層中的裂隙發(fā)育情況，應(yīng)用螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)對(duì)隔水層裂隙發(fā)育的空間展布預(yù)測(cè)，為下一步注漿堵水提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 高家堡煤礦地質(zhì)概況

高家堡井田位于彬長礦區(qū)西北部，其主要煤層為侏羅系延安組第1段4號(hào)煤層，煤層平均厚6.97 m。白堊系洛河組含水層為礦井的間接充水含水，巖性主要為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖和泥質(zhì)巖類地層。煤層至洛河組的主要隔水層主要有侏羅系中統(tǒng)直羅組、安定組以及白堊系下統(tǒng)宜君組地層。由生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，高家堡4號(hào)煤層至洛河組含水層中間的安定組等隔水層中的裂隙較發(fā)育，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患。

2 工作原理及工作流程

2.1 基本原理

螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)是受到自然界蟻群在覓食過程中釋放信息素，通過對(duì)路徑上信息素強(qiáng)度的感知來選擇所要進(jìn)行的方向并傳遞信息的集體行為的啟發(fā)而研發(fā)的新型優(yōu)化算法?；驹恚涸诘卣饠?shù)據(jù)體中播撒大量電子“螞蟻”，若在地震屬性體中發(fā)現(xiàn)滿足預(yù)設(shè)裂隙的痕跡，電子螞蟻就會(huì)在這些地方“釋放”某種信號(hào)，召集其他螞蟻在這些裂隙痕跡上進(jìn)行追蹤，直到完成裂隙的追蹤和識(shí)別。其他不滿足裂隙發(fā)育的區(qū)域就不進(jìn)行追蹤和識(shí)別。最終，獲得可以清晰反映裂隙的螞蟻屬性數(shù)據(jù)體。

2.2 工作流程

螞蟻?zhàn)粉櫶幚砑夹g(shù)主要工作流程：①地震數(shù)據(jù)體需要進(jìn)行預(yù)處理，主要通過帶通濾波、構(gòu)造平滑、高斯空間濾波等去噪方法。通過這些方法目的是將原始數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲去除，從而來增強(qiáng)地震反射同相軸的連續(xù)性，同時(shí)將斷層或者裂隙邊界保存下來。②通過地震屬性技術(shù)手段，檢測(cè)出地震數(shù)據(jù)在空間上的不連續(xù)位置，這種方法稱之為“邊緣”探測(cè)。③“邊緣”探測(cè)技術(shù)檢測(cè)出數(shù)據(jù)體中的不連續(xù)點(diǎn)，利用螞蟻?zhàn)粉櫵惴ㄓ?jì)算螞蟻數(shù)據(jù)體，這一過程稱之為邊界增強(qiáng)。④對(duì)螞蟻?zhàn)粉櫟玫降奈浵仈?shù)據(jù)體進(jìn)行斷面追蹤，并自動(dòng)提取。螞蟻?zhàn)粉欘A(yù)測(cè)裂縫流程如圖1所示。

圖1 螞蟻?zhàn)粉欘A(yù)測(cè)裂縫流程Fig.1 Ant tracking and interpretation of the fissure process

2.3 參數(shù)測(cè)試分析

“螞蟻?zhàn)粉櫋彼惴ㄔ诿旱V勘探中主要針對(duì)目標(biāo)層煤層中斷層的預(yù)測(cè)，對(duì)于煤層以上主要目標(biāo)集中在微小斷層及裂隙發(fā)育情況上。螞蟻?zhàn)粉櫶幚砑夹g(shù)中，初始螞蟻分布邊界和搜索步長對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果起到重要的作用。因此在處理時(shí)需要對(duì)這2個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析，分析所用的測(cè)試參數(shù)見表1。

表1 初始螞蟻分布邊界和搜索步長參數(shù)

圖2和圖3為設(shè)置不同參數(shù)追蹤出來的裂隙識(shí)別結(jié)果，隨著2種參數(shù)的改變，對(duì)裂隙的識(shí)別程度也不同，當(dāng)初始螞蟻分布邊界較小時(shí)有利于微小斷裂的搜索；而搜索步長變大時(shí)，它的搜索能力也越大，對(duì)斷層及裂隙的識(shí)別能力也越強(qiáng)但是也可能忽視一些細(xì)節(jié)性的東西。

圖2 不同初始螞蟻分布邊界“螞蟻?zhàn)粉櫋狈治鼋Y(jié)果Fig.2 Analysis of the results of different initial ant distribution boundaries “ant tracking”

圖3 不同搜索步長“螞蟻?zhàn)粉櫋狈治鼋Y(jié)果Fig.3 Different search step length “ant tracking” result analysis chart

3 實(shí)例應(yīng)用

高家堡井田目前在工作面回采過程中，煤層頂板出水化驗(yàn)主要為洛河層水，說明在煤層頂板至洛河組底部隔水層之間有裂隙。根據(jù)工作面回采過程水量的變化分析，由于采動(dòng)的影響，裂隙大小是在變化的。因此要準(zhǔn)確地判斷出裂隙的發(fā)育特征難度是相對(duì)比較大。利用“螞蟻?zhàn)粉櫋碧幚砑夹g(shù)，合理地處理參數(shù)，較為精細(xì)地刻畫出隔水層裂隙在空間的展布特征。螞蟻?zhàn)粉櫶幚淼母黜?xiàng)參數(shù)見表2。

表2 螞蟻?zhàn)粉櫢黜?xiàng)參數(shù)

按照?qǐng)D1處理流程對(duì)高家堡礦井東區(qū)煤層至洛河組含水層之間進(jìn)行“螞蟻?zhàn)粉櫋钡玫綆r層裂隙預(yù)測(cè)結(jié)果。從圖4可以看出，在6-6井和6-7井的剖面上，裂隙發(fā)育在煤層上部，角度較大(白色為預(yù)測(cè)裂隙)，具有高角度裂隙特征，裂隙在平面上也有較強(qiáng)的展布特征，即裂隙主要發(fā)育位于背向斜的軸部。本區(qū)主要構(gòu)造特征是有一條大的向斜，走向WE向，因此在6-6井上部裂隙發(fā)育主要呈東西向延展；在主向斜兩翼有次一級(jí)的背向斜方向有北東向也有北西向，因此在這些區(qū)域裂隙發(fā)育與構(gòu)造有繼承性；從“螞蟻?zhàn)粉櫋彼角衅梢苑从吵隽严兜陌l(fā)育規(guī)律性，符合勘探區(qū)的地質(zhì)情況，螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖4 螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)剖面示意Fig.4 Plan diagram of ant tracking technology results

圖5 螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果平面示意Fig.5 Plan diagram of ant tracking technology prediction results

上述裂隙預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆孔6-6鉆孔揭露情況具有較好的對(duì)應(yīng)性。說明螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)在高家堡煤礦進(jìn)行隔水層裂隙預(yù)測(cè)是可行的。根據(jù)裂隙預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)沉積規(guī)律為下一步煤層回采注漿起到指導(dǎo)性的作用。在注漿隔水時(shí)，首先確定裂隙發(fā)育的位置及高度。其次為注漿縱向位置的選取起到參考依據(jù)，即能夠?qū)⑸蠈铀伦?，也能夠提高煤層的回采率。根?jù)上述分析，裂隙預(yù)測(cè)能夠?yàn)楹笃陂_發(fā)起到充足的地質(zhì)依據(jù)，不僅能夠提高煤炭開采產(chǎn)量，而且能夠減輕礦井的排水壓力，使煤礦獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙的方法是可行的。通過與測(cè)井資料、鉆孔柱狀以及回采情況對(duì)比，裂隙預(yù)測(cè)與高家堡煤礦地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律比較符合，具有較高的可信度。

(2)在進(jìn)行螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)處理的過程中，需要對(duì)幾種重要的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的對(duì)比分析，才能獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合高家堡煤礦煤層構(gòu)造及沉積特征，明確了隔水層中裂隙發(fā)育情況，為下一步確定注漿堵水位置提供了可靠的依據(jù)。