單 蕊，李元杰

(中國煤炭科工集團(tuán) 西安研究院，陜西 西安 710077)

地震多屬性分析技術(shù)在小煤窯采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究

單 蕊，李元杰

(中國煤炭科工集團(tuán) 西安研究院，陜西 西安 710077)

以SSP煤礦為例，依據(jù)小煤窯采空區(qū)的地震響應(yīng)特征，分析采空區(qū)在地震時(shí)間剖面上的特征和識(shí)別標(biāo)志，提取多種屬性聚類分析和綜合解釋，確定小煤窯采空區(qū)分布范圍。結(jié)果表明：綜合利用地震勘探精細(xì)解釋與地震多屬性分析技術(shù)相結(jié)合的方法，能夠精確有效地圈定研究區(qū)的采空區(qū)范圍，取得較好探測效果。

多屬性分析；采空區(qū)；三維地震勘探

ApplicationofSeismicMulti-attributeAnalysisTechnologyinSmallCollieryGobDetection

在煤礦生產(chǎn)過程中，隨著煤層的采掘會(huì)形成越來越多的采空區(qū)[1]。由于小煤窯開采的無序性和盲目性，造成了采空區(qū)分布的不規(guī)則性和不確定性，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成巨大隱患，查明采空區(qū)范圍對(duì)于提高煤炭產(chǎn)量和保障煤礦安全生產(chǎn)有著十分重要的意義[2]。

小煤窯一般采用房柱方式開采，其地球物理特征相對(duì)復(fù)雜[3]，使用傳統(tǒng)的探測方法不易查明。采空區(qū)探測的常規(guī)方法有地質(zhì)調(diào)查、地球物理探測和鉆探[4]，其中地球物理探測技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。眾多學(xué)者先后在采空區(qū)探測方面取得了較好的研究成果。劉增平等[5]結(jié)合地震剖面和地震波的最大振幅屬性，能有效解釋采空區(qū)分布范圍；程建遠(yuǎn)等[4]通過沿煤層提取屬性切片對(duì)礦井巷道和采空區(qū)進(jìn)行劃分，輔助以高分辨率視電阻率斷面進(jìn)行綜合解釋。本次研究擬用多屬性融合技術(shù)，優(yōu)選對(duì)采空區(qū)反映較好的地震屬性聯(lián)合對(duì)煤層進(jìn)行采空區(qū)預(yù)測，減少預(yù)測的多解性，研究的技術(shù)思路見圖1。

圖1 技術(shù)思路

本文以SSP煤礦為研究區(qū)，綜合利用三維地震勘探精細(xì)解釋技術(shù)與多屬性融合技術(shù)相結(jié)合的方法，精確地圈定目標(biāo)區(qū)域的小煤窯采空區(qū)范圍。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)呈典型的渭北黃土高原地貌景觀，地表高差的變化較大。溝底與山頂?shù)淖罡卟羁蛇_(dá)300m以上，一般在100～200m左右。測區(qū)構(gòu)造以褶曲為主，較少斷裂。研究區(qū)北部6個(gè)小煤窯(圖2)存在越界開采的可能，研究區(qū)東部為煤礦工作面。

研究區(qū)內(nèi)的含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，山西組地層含煤6層，其中3號(hào)煤為主采煤層。太原組地層含煤7層，其中11號(hào)煤層為礦井主采煤層。

圖2 工區(qū)位置

2 資料處理

本著“高信噪比、高分辨率、高保真度”的原則，優(yōu)選針對(duì)提高信噪比的處理模塊，精選參數(shù)，資料處理流程如圖3所示。處理中嚴(yán)格控制中間質(zhì)量，針對(duì)靜校正和速度分析兩個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行反復(fù)測試迭代處理，取得高質(zhì)量成果。通過覆蓋次數(shù)(圖4)可以看出，覆蓋次數(shù)有局部較高外，整體上達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說明炮點(diǎn)在復(fù)雜的地表?xiàng)l件下分布相對(duì)均勻，滿足資料要求。

圖3 資料處理流程

圖4 覆蓋次數(shù)

3 精細(xì)解釋

3.1 采空區(qū)解釋依據(jù)

煤層與其圍巖存在著明顯的波阻抗差異，當(dāng)煤層厚度大于1m 時(shí)，便可形成良好的煤層反射波。當(dāng)煤層采空及其上部地層遭受破壞后，其地球物理特征包括密度、速度等發(fā)生變化，為采用地震方法探測采空區(qū)提供了物性基礎(chǔ)。

采空區(qū)在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為反射波組的變?nèi)趸蛳?，其?nèi)部反射波同相軸時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，波形雜亂無章、無規(guī)律性，呈“蚯蚓狀”排列。采空區(qū)邊界處反射波同相軸頻率和產(chǎn)狀發(fā)生突變，同時(shí)煤層頂部結(jié)構(gòu)的破壞產(chǎn)生各種低頻干擾，可作為識(shí)別采空區(qū)是否存在的標(biāo)志[6-10]。

3.2常規(guī)解釋

研究區(qū)內(nèi)主要可采煤層是3號(hào)、11號(hào)煤層，煤層平均厚度分別為4m和2.8m，層間距為25～115m。兩組煤層厚度穩(wěn)定且與頂?shù)装鍑鷰r的波阻差異大，形成反射能量強(qiáng)、連續(xù)性好的反射波組 T3 波和 T11 波作為標(biāo)準(zhǔn)波來查明煤層的起伏形態(tài)及其構(gòu)造特征。

從時(shí)間剖面來分析(圖5)，本區(qū)實(shí)體煤段煤層反射波T3和 T11波能量較強(qiáng)，其下覆層位反射波很弱。而采空區(qū)的波組特征表現(xiàn)為T3波、T11波同相軸表現(xiàn)微弱，連續(xù)性變差，輔助相位排列雜亂、無規(guī)律，頻率變低，二者形成明顯反差。

圖5 采空區(qū)在地震時(shí)間剖面上的反映

3.3 地震屬性聚類分析

地震屬性是由疊前或疊后地震數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)變換而導(dǎo)出，用于表征地震波幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)特征和統(tǒng)計(jì)學(xué)特征[10]。不同的屬性揭示各種地質(zhì)體的巖性、物性變化差異。地震屬性分類繁多，不同屬性的選擇，不同時(shí)窗提取方法的選擇，實(shí)質(zhì)上是對(duì)各種屬性參數(shù)的選擇。其中地震層間屬性的提取屬統(tǒng)計(jì)學(xué)特征范疇，主要通過在給定的兩個(gè)層位間的體屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并將計(jì)算的結(jié)果在一個(gè)面上表現(xiàn)出來，可有效地突出和刻畫層間內(nèi)異常地質(zhì)體的屬性特征[11]。

聚類分析屬于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法，是研究樣本分類問題的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。分析獲得的地震屬性樣本數(shù)據(jù)，制定合理的采空區(qū)與實(shí)體煤解釋標(biāo)準(zhǔn)，通過聚類分析，確定采空區(qū)分布。

本區(qū)煤層采空區(qū)地震屬性響應(yīng)特征為：反射波振幅明顯降低，主頻下降，可以作為識(shí)別采空區(qū)的重要標(biāo)志。優(yōu)選弧長、能量半衰時(shí)、平均零交叉點(diǎn)頻率(它與瞬時(shí)頻率相似，但更穩(wěn)定)和平均反射強(qiáng)度4種對(duì)采空區(qū)反映較好的屬性。對(duì)上述4種屬性進(jìn)行簇分分析(圖6)，把這些屬性分成7簇時(shí)，其中一簇恰好與井點(diǎn)在交匯圖上的投影情況吻合，將其發(fā)射到屏幕上，顯示為采空區(qū)分布范圍呈東西方向展布，見圖7。圖7為3號(hào)煤多屬性檢測平面圖，圖中采空區(qū)和實(shí)體煤特征明顯，且邊界清晰。對(duì)采空區(qū)進(jìn)一步分析，A區(qū)判定為周邊小煤窯采空區(qū)，B區(qū)為礦井開采巷道采空區(qū)。地震多屬性融合技術(shù)圈定的采空區(qū)與未采區(qū)差異明顯，空間分辨率高，易于解釋。

圖6 采空區(qū)在交會(huì)圖上的投影

圖7 地震多屬性檢測平面

3.4 采空區(qū)探查成果驗(yàn)證

根據(jù)采空區(qū)在地震時(shí)間剖面上的反應(yīng)特征和多屬性融合技術(shù)推斷采空區(qū)邊界(圖8)，測區(qū)北部A區(qū)小煤窯開采采空區(qū)。

圖8 綜合解釋采空區(qū)成果平面

為了進(jìn)一步確認(rèn)采空區(qū)探測的準(zhǔn)確性，分別通過SSP煤礦回風(fēng)立井井筒驗(yàn)證孔1和排矸立井井筒驗(yàn)證孔2驗(yàn)證3號(hào)煤已采，證明解釋的采空區(qū)存在，驗(yàn)證了探測的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用效果表明，地震屬性包含的地質(zhì)信息豐富且表現(xiàn)直觀，針對(duì)不同的地質(zhì)體或地質(zhì)異常優(yōu)選屬性進(jìn)行聚類分析，可以有效地提高地震資料解釋的精度，挖掘三維數(shù)據(jù)體的潛力，為煤礦的安全生產(chǎn)和采空區(qū)后續(xù)治理提供可靠的地質(zhì)保障。

[1]宗志剛.地震勘探方法在探測煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2006.

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

2013-12-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.007

單 蕊(1984-)，女，山東單縣人，碩士，助理工程師，從事地震勘探方面的研究工作。

單 蕊，李元杰.地震多屬性分析技術(shù)在小煤窯采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：23-25.

TD15

B

1006-6225(2014)05-0023-03