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        煤礦中不同陷落柱地震正演研究

        2023-07-13 12:04:22高銀貴王宏偉孔皖軍
        煤炭與化工 2023年5期
        關(guān)鍵詞:柱頂同相軸剖面

        高銀貴,王宏偉,孔皖軍

        (鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

        0 引 言

        煤炭依舊是我國最主要的能源,數(shù)十年內(nèi)這種狀況都不會改變[1]。在煤炭開采中,陷落柱是一種災(zāi)害性的地質(zhì)異常,會嚴重影響煤礦安全高效生產(chǎn)。不但會影響井巷圍巖的穩(wěn)定性,還會破壞煤層的連續(xù)性,影響機械化采煤的效率,同時陷落柱還容易成為瓦斯富集區(qū)域,影響煤礦安全[2],對于承壓水礦井,陷落柱還會成為地下水通道[3-5],整個礦井都有突水危險。為了煤炭安全高效生產(chǎn),需要找到有效手段來對陷落柱進行探測分析。

        由于陷落柱地質(zhì)及地球物理特征極其復(fù)雜,且不同地區(qū)地質(zhì)條件不同,陷落柱在地震剖面上的表現(xiàn)相差甚大,陷落柱的識別十分困難。因此,需要對不同類型陷落柱進行數(shù)值模擬分析,總結(jié)得到一般特征。國內(nèi)外已有很多學(xué)者在該方向上進行了研究,如林建東等通過數(shù)值模擬總結(jié)出了大小陷落柱的一般特征[6];張玉法等從進行陷落柱正演分析了地震響應(yīng)情況[7]。但是他們都是將陷落柱假設(shè)為均勻異常體,并未考慮其內(nèi)部構(gòu)造。為了進一步研究陷落柱地震響應(yīng),本文在前人基礎(chǔ)上,構(gòu)造不同內(nèi)部情況的陷落柱模型,進行地震正演分析,除此之外,由于陷落柱在地震剖面上解釋范圍與實際大小不一致,本文還探討了不同規(guī)模的陷落柱地震響應(yīng)特征。

        1 內(nèi)部構(gòu)造不同的陷落柱模型

        通過對華北型煤田陷落柱的相關(guān)資料[8-10]進行查閱,設(shè)定表1 的地質(zhì)背景參數(shù)。通過有限差分進行數(shù)值模擬,同時設(shè)立對應(yīng)的地震觀測系統(tǒng),對震源的波場進行模擬。

        表1 地質(zhì)背景參數(shù)Table 1 Geological background parameters

        陷落柱模型頂設(shè)置埋深150 m,柱底設(shè)置為700 m,其中在煤層中陷落柱直徑為100 m,柱底面寬200 m,縱波速度2 500 m/s,其他值用缺省值,煤層設(shè)置厚度為5m,埋深在400 m,陷落柱位于模型中間。

        觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下。

        道間距10 m,接收道數(shù)101 道,炮間距10 m,共11 炮(450~550 m),時間采樣間隔1 ms,采樣長度為1 000 ms,采用Ricker 子波,主頻為60 Hz。模型采用PML 吸收邊界條件,用來減少邊界效應(yīng)。

        此次模擬選用聲波方程的計算方法來描述地震波在二維介質(zhì)中的傳播,計算如式(1) 所示[11-12]。

        式中:μ 為位移波場;x,z 分別為水平方向和垂直方向;(x,z) 點在傳播介質(zhì)中速度為v(x,z);s(t)為震源函數(shù),其中s(t) =0,t<0。

        1.1 內(nèi)部均勻的陷落柱模型

        在這個模型中,陷落柱內(nèi)部從上到下為一均勻體,密度為2 200 kg/m3,縱波速度為2 500 m/s。地質(zhì)模型如圖1 所示。

        圖1 內(nèi)部均勻陷落柱模型Fig.1 Internal uniform collapse column model

        將所有單炮進行共中心點道集處理,速度譜拾取后進行動校正,并進行水平疊加和疊后偏移,水平疊加剖面和偏移剖面分別如圖2、圖3 所示。

        圖2 水平疊加時間剖面(內(nèi)部均勻)Fig.2 Horizontal stacking time profile(internal uniform)

        圖3 疊后偏移的時間剖面(內(nèi)部均勻)Fig.3 Time profile of post-stack migration(internal uniform)

        從圖2、圖3 可清楚看到,煤層反射波同相軸明顯與實際的煤層產(chǎn)狀相吻合,且由于波阻抗差異大,陷落柱模型邊界突變點的存在,在疊加剖面上發(fā)現(xiàn)了突變點繞射波,繞射波則與煤層反射波相切,切點位置在陷落柱塌陷點;又由于陷落柱柱體內(nèi)部設(shè)置為低速帶介質(zhì),繞射波進入低速介質(zhì)后,產(chǎn)生了延遲繞射波。經(jīng)偏移處理后,剖面上出現(xiàn)了與產(chǎn)狀吻合的煤層反射波,由于介質(zhì)的物性差異,煤層錯斷而產(chǎn)生的繞射波幾乎得到了很好的收斂,但延遲繞射波的時間延遲性使得它經(jīng)過偏移后不能歸位為一個點,而是在塌陷位置形成短反射波。圖2、圖3 的時間剖面均能夠有效識別出陷落柱的外部形態(tài)。

        1.2 內(nèi)部連續(xù)變化的陷落柱模型

        設(shè)置陷落柱內(nèi)部縱波速度值為連續(xù)變化,其他地質(zhì)背景參數(shù)不變,模型如圖4 所示。

        圖4 內(nèi)部連續(xù)變化的陷落柱模型Fig.4 Internal continuously changing collapse column model

        水平疊加時間剖面和疊后時間偏移剖面,分別如圖5、圖6 所示。

        圖5 水平疊加時間剖面(內(nèi)部連續(xù)變化)Fig.5 Horizontal stacking time profile(internal continuous change)

        圖6 疊后偏移的時間剖面(內(nèi)部連續(xù)變化)Fig.6 Time profile of post-stack migration(internal continuous change)

        當(dāng)柱內(nèi)為連續(xù)性介質(zhì)時,經(jīng)處理后,在疊加剖面上,柱頂繞射波出現(xiàn)在0.05 s,陷落柱塌陷點位置出現(xiàn)了突變點繞射波及延遲繞射波。偏移處理后,正常繞射波都很好收斂到突變點,遇到陷落柱時,煤層錯斷,此時反射波為突變點的延遲繞射波。

        1.3 內(nèi)部有塊體的陷落柱模型

        陷落柱柱內(nèi)物質(zhì)主要是煤系地層上覆巖層塌落形成的,具有泥礫結(jié)構(gòu)。將柱內(nèi)充滿塊體以接近陷落柱的泥礫結(jié)構(gòu),塊體的縱波速度為3 200 m/s、橫波速度為1 846 m/s、密度為2.23 g/m3,其他參數(shù)與上述模型的參數(shù)相同,地質(zhì)模型如圖7 所示。經(jīng)過處理得到水平疊加剖面及偏移剖面,如圖8、圖9 所示。

        圖7 陷落柱地震地質(zhì)模型(內(nèi)部有塊體)Fig.7 Seismic geological model of collapse column(internal block)

        圖8 陷落柱水平疊加時間剖面(內(nèi)部有塊體)Fig.8 Horizontal superposition time profile of collapse column(block inside)

        圖9 疊后偏移的時間剖面(內(nèi)部有塊體)Fig.9 Post-stack migration time profile(block inside)

        在疊加剖面上,0.05 s 出現(xiàn)了柱頂繞射波,陷落柱塌陷點位置出現(xiàn)了突變點繞射波及延遲繞射波,剖面上還夾雜著充填物雜亂的反射波、繞射波。經(jīng)過偏移處理后,正常繞射波都很好收斂到突變點,塊體反射波也很好歸位,遇到陷落柱時,煤層錯斷,錯斷的反射波為突變點的延遲繞射波,在陷落柱內(nèi)也出現(xiàn)了雜亂的反射波。

        2 尺寸大小變化的陷落柱模型

        地震地質(zhì)模型中陷落柱在煤層直徑設(shè)置為200 m、400~600 m,如圖10 所示。

        圖10 陷落柱地震地質(zhì)模型(直徑200 m、400~600 m)Fig.10 Seismic geological model of collapse column(diameter 200 m,400~600 m)

        經(jīng)處理得陷落柱水平疊加剖面和偏移剖面,如圖11、圖12 所示。

        圖11 陷落柱疊加剖面(直徑200 m、400~600 m)Fig.11 Collapse column superimposed section(diameter 200 m,400~600 m)

        圖12 疊后偏移時間剖面(直徑200 m、400~600 m)Fig.12 Post-stack migration time profile(diameter 200 m,400~600 m)

        對比陷落柱地震時間剖面,侵入煤層陷落柱直徑200 m 時,發(fā)現(xiàn)疊加剖面上反射波同相軸斷開,被校正到水平產(chǎn)狀,與實際的煤層產(chǎn)狀相吻合。在0.05 s 時出現(xiàn)柱頂繞射波,且能量很強。由于陷落柱突變點的存在,在疊加剖面上出現(xiàn)了突變點繞射波,又由于陷落柱柱體內(nèi)部被低速介質(zhì)所充填,繞射波進入陷落柱的內(nèi)部后,產(chǎn)生了時間延遲,即延遲繞射波但能量很弱。疊后偏移時間剖面上同相軸斷開,且柱頂反射波很強,繞射波收斂較好,但延遲繞射波的時間延遲性使得它經(jīng)過偏移后不能歸位為一個點,而是在塌陷位置形成能量較弱的短反射波。

        圖13 為陷落柱侵入煤層直徑150 m 的地震地質(zhì)模型,直徑在425~575 m。

        圖13 陷落柱地震地質(zhì)模型(直徑150 m、425~575 m)Fig.13 Seismic geological model of collapse column(diameter 150 m,425~575 m)

        經(jīng)處理得陷落柱水平疊加剖面和偏移剖面,如圖14、圖15 所示。

        圖14 陷落柱疊加剖面(直徑150 m、425~575 m)Fig.14 Collapse column superimposed section(diameter 150 m,425~575 m)

        圖15 疊后偏移時間剖面(直徑150 m、425~575 m)Fig.15 Post-stack migration time profile(diameter 150 m,425~575 m)

        從疊加剖面上看到反射波同相軸斷開,被校正到水平產(chǎn)狀,與實際的煤層產(chǎn)狀相吻合。在0.05 s 時出現(xiàn)柱頂繞射波,且能量很強。其水平疊加剖面和偏移剖面反射波同相軸斷開,由于柱內(nèi)速度偏低,柱頂繞射波很強,并有繞射波和延遲繞射波,偏移剖面上正常偏移速度無法使延遲繞射波歸位,形成短反射波。

        圖16 為陷落柱侵入煤層直徑50 m 的地震地質(zhì)模型,直徑在475~525 m。

        圖16 陷落柱地震地質(zhì)模型(直徑50 m、475~525 m)Fig.16 Seismic geological model of collapse column(diameter 50 m,475~525 m)

        經(jīng)處理后,得陷落柱水平疊加剖面和偏移剖面,如圖17、圖18 所示。

        圖17 陷落柱疊加剖面(直徑50 m、475~525 m)Fig.17 Collapse column superimposed section(diameter 50 m,475~525 m)

        圖18 疊后偏移時間剖面(直徑50 m、475~525 m)Fig.18 Post-stack migration time profile(diameter 50 m,475~525 m)

        圖18 疊后偏移時間剖面(直徑50 m、475~525 m)

        Fig.18 Post-stack migration time profile(diameter 50 m,475~525 m)

        當(dāng)陷落柱在煤層中的直徑為50 m 時,其水平疊加剖面和偏移剖面上反射波同相軸中斷,但柱頂繞射波減弱,并有繞射波和延遲繞射波的存在;延遲繞射波使用正常偏移速度無法正確歸位,形成短反射波。相比150 m 直徑的陷落柱,柱頂繞射波明顯減弱。

        圖19 地震地質(zhì)模型,煤層中直徑設(shè)置為30 m時,直徑485~515 m。

        圖19 陷落柱地震地質(zhì)模型(直徑30 m、485~515 m)Fig.19 Seismic geological model of collapse column(diameter 30 m,485~515 m)

        經(jīng)處理后,得陷落柱水平疊加剖面和偏移剖面,如圖20、圖21 所示。

        圖20 陷落柱疊加剖面(直徑30 m、485~515 m)Fig.20 Collapse column superimposed section(diameter 30 m,485~515 m)

        圖21 疊后偏移時間剖面(直徑30 m、485~515 m)Fig.21 Post-stack migration time profile(diameter 30 m,485~515 m)

        當(dāng)陷落柱模型直徑在煤層中30 m 時,其水平疊加剖面上反射波表現(xiàn)為同相軸連續(xù),且柱頂繞射波不明顯,存在弱的繞射波和延遲繞射波;而在偏移剖面上則表現(xiàn)為反射波同相軸偶爾中斷,柱頂繞射波減弱,幾近在剖面上顯示不出來,延遲繞射波加強現(xiàn)象。

        圖22 為陷落柱在煤層中的直徑為20 m 的地震地質(zhì)模型,直徑490~510 m。

        圖22 陷落柱地震地質(zhì)模型(直徑20 m、490~510 m)Fig.22 Seismic geological model of collapse column(diameter 20 m,490~510 m)

        經(jīng)處理后,得陷落柱水平疊加剖面和偏移剖面,如圖23、圖24 所示。

        圖23 陷落柱疊加剖面(直徑20 m、490~510 m)Fig.23 Collapse column superimposed section(diameter 20 m,490~510 m)

        圖24 疊后偏移時間剖面(直徑20 m、490~510 m)Fig.24 Post-stack migration time profile(diameter 20 m,490~510 m)

        當(dāng)陷落柱模型直徑在煤層中20 m 時,其水平疊加剖面和疊后偏移剖面在反射波同相軸上均表現(xiàn)為連續(xù),且柱頂繞射波消失,有延遲繞射波現(xiàn)象。圖25 為陷落柱侵入煤層直徑10 m 的地震地質(zhì)模型,直徑從495~505 m。

        圖25 陷落柱地震地質(zhì)模型(直徑10 m、495~505 m)Fig.25 Seismic geological model of collapse column(diameter 10 m,495~505 m)

        經(jīng)處理后,得陷落柱水平疊加剖面和偏移剖面,如圖26、圖27 所示。

        圖26 陷落柱疊加剖面(直徑10 m、495~505 m)Fig.26 Collapse column superimposed section(diameter 10 m,495~505 m)

        圖27 疊后偏移時間剖面(直徑10 m、495~505 m)Fig.27 Post-stack migration time profile(diameter 10 m,495~505 m)

        當(dāng)陷落柱模型直徑在煤層中10 m 時,其水平疊加剖面上和偏移剖面上反射波同相軸連續(xù),有延遲繞射波,陷落柱無法識別。

        圖28 為陷落柱在煤層直徑為5 m 時,范圍從497.5~502.5 m。

        圖28 陷落柱地震地質(zhì)模型(直徑5 m、497.5~502.5 m)Fig.28 Seismic geological model of collapse column(diameter 5 m,497.5~502.5 m)

        經(jīng)處理后,得陷落柱水平疊加剖面和偏移剖面,如圖29、圖30 所示。

        圖29 陷落柱疊加剖面(直徑5 m、497.5~502.5 m)Fig.29 Collapse column superimposed section(diameter 5 m,497.5~502.5 m)

        圖30 疊后偏移時間剖面(直徑5 m、497.5~502.5 m)Fig.30 Post-stack migration time profile(diameter 5 m,497.5~502.5 m)

        當(dāng)陷落柱侵入煤層直徑為5 m 時,其水平疊加剖面和偏移剖面上反射波同相軸連續(xù),無法識別出陷落柱形態(tài)。

        3 結(jié) 論

        3.1 內(nèi)部不同的陷落柱模型

        在3 個模型的水平時間剖面和疊后偏移剖面上,煤層反射波同相軸呈水平狀態(tài),與實際的煤層產(chǎn)狀相吻合,由于突變點的存在,疊加剖面上出現(xiàn)了突變點繞射波,繞射波與煤層反射波相切,切點在陷落柱塌陷點;又由于陷落柱柱體內(nèi)部被低速帶物質(zhì)所充填,繞射波進入低速介質(zhì)后,產(chǎn)生了延遲繞射波。經(jīng)偏移處理后,煤層反射波與產(chǎn)狀吻合,繞射波得到收斂,但延遲繞射波的時間延遲性使得它經(jīng)過偏移后不能歸位為一個點,而是在塌陷位置形成短反射波。水平疊加和疊后偏移剖面均可清晰識別出陷落柱的外部形態(tài)。

        但當(dāng)陷落柱為均勻地質(zhì)體時,其2 個剖面上的柱頂繞射波能量小于當(dāng)柱內(nèi)為連續(xù)性介質(zhì)時剖面上的柱頂繞射波。當(dāng)柱內(nèi)夾雜著充填物時,剖面上反射波、繞射波比前2 個模型的剖面雜亂。

        3.2 尺寸大小變化的陷落柱模型

        通過不同尺寸的陷落柱直徑對比可以看出,水平疊加剖面上的柱頂繞射波、繞射波和延遲繞射波是陷落柱存在的明顯標志,柱頂繞射波隨著陷落柱直徑逐漸縮小,變?nèi)踔钡较А6斐裳舆t繞射波無法收斂的原因是由于陷落柱速度偏低。

        當(dāng)煤層埋深為400 m,陷落柱在煤層中直徑大于50 m 時,從地震時間剖面上能夠確認其構(gòu)造形態(tài);而當(dāng)陷落柱直徑在煤層中在50 m 以下時,地震時間剖面構(gòu)造形態(tài)反映不明確,易導(dǎo)致誤解釋。陷落柱侵入煤層直徑小于10 m 范圍,在疊加剖面上未完全收斂的延遲繞射波。當(dāng)陷落柱直徑為5 m時,剖面上只有煤層反射波。

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