蘇曉云

復(fù)合煤層中夾矸對(duì)槽波探測解釋斷層落差的影響

蘇曉云

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

槽波地震勘探技術(shù)在探測工作面內(nèi)部斷層、陷落柱發(fā)育情況、煤厚變化等方面已經(jīng)取得較好的應(yīng)用效果，現(xiàn)已成為井下地質(zhì)構(gòu)造探測的首選方法。但對(duì)于含夾矸的復(fù)合煤層地質(zhì)構(gòu)造的探測，槽波方法還存在一定的問題，為研究復(fù)合煤層中夾矸對(duì)槽波地震探測中斷層落差解釋的影響，通過建立不同的數(shù)值模型進(jìn)行正演分析，并選取山西某礦復(fù)合煤層進(jìn)行槽波探測試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：復(fù)合煤層中的夾矸對(duì)槽波探測解釋斷層落差有較大影響，夾矸的厚度與煤層差異較小時(shí)，槽波探測解釋斷層落差時(shí)的單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為復(fù)合煤層的總厚度；差異較大時(shí)，單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為激發(fā)接收層的單一煤層厚度。研究結(jié)果可為槽波實(shí)際資料的解釋、分析提供參考依據(jù)。

復(fù)合煤層；夾矸；槽波探測；斷層落差；單位煤厚

礦井物探在工作面采前精確查明隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素以保證安全生產(chǎn)方面具有重要作用，其中，槽波地震探測技術(shù)因不受煤礦井下鐵磁物質(zhì)的影響，具有探測距離大、精度高等特點(diǎn)[1-5]。目前，透射槽波法、反射槽波法及多波多分量等方法在探查煤層中地質(zhì)構(gòu)造方面，已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，槽波方法也已成為超長超寬大型工作面內(nèi)地質(zhì)條件探測的首選方法[6-9]。

復(fù)合煤層一般是指因沉積或后期構(gòu)造活動(dòng)造成的層間距較小的兩層或多層煤層組，具有煤層間距離較近的地質(zhì)特殊性，復(fù)合煤層開采時(shí)會(huì)造成一系列頂板、瓦斯等安全問題[10-13]。復(fù)合煤層含地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，更需對(duì)其進(jìn)行提前探測，但復(fù)合煤層中上下組煤之間的夾矸(上下組煤之間的薄頂、底板)對(duì)槽波等物探探測效果有一定影響。宋玉平等[14]利用數(shù)學(xué)模型方法對(duì)大同侏羅紀(jì)煤田所有的15個(gè)煤層進(jìn)行槽波頻散和振幅分布的研究，發(fā)現(xiàn)煤層夾矸厚度對(duì)槽波頻散曲線和振幅分布有一定影響；榮曉偉[15]對(duì)含夾矸煤層槽波頻散特性及影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)槽波頻散特性受夾矸厚度、位置以及速度變化的影響較大；匡偉等[16]通過對(duì)夾矸厚度、速度、位置等變量的模擬，研究了等厚情況下“巖–煤–巖–煤–巖”構(gòu)成的復(fù)合煤層的Love型槽波頻散特征。目前，前人對(duì)復(fù)合煤層中槽波發(fā)育規(guī)律的研究已取得一定進(jìn)展，但都尚處于理論研究階段。

根據(jù)槽波地震探測原理，煤層中激發(fā)的地震波，被制約在頂?shù)装宓亩S空間中傳播，P波、S波經(jīng)煤層頂?shù)装宥啻稳瓷?，互相疊加干涉形成槽波，因此，煤厚對(duì)槽波的傳播性質(zhì)具有決定作用。而根據(jù)槽波成像結(jié)果解釋斷層落差時(shí)，一般采取單位煤厚(目標(biāo)層煤層厚度)的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行半定量的判定，通常將斷層落差表示方法分為3類：≤1/2煤厚、1/2煤厚＜≤煤厚、＞煤厚。當(dāng)探測區(qū)域的煤層厚度不同時(shí)，所能探測的斷層落差也相應(yīng)變化。復(fù)合煤層中由于夾矸的存在，槽波是僅被制約在復(fù)合煤層中的激發(fā)接收這一煤層內(nèi)，還是在總的復(fù)合煤層之內(nèi)尚不確定，故單位煤厚(目標(biāo)煤層厚度)的標(biāo)準(zhǔn)無法確定，斷層落差的解釋也就無法確定。因此，研究復(fù)合煤層中夾矸對(duì)槽波探測解釋的影響對(duì)斷層落差的精準(zhǔn)判斷具有重要意義。為此，本文擬通過對(duì)復(fù)合煤層中夾矸厚度、巖性不同的模型進(jìn)行正演模擬和對(duì)比分析，得出復(fù)合煤層中槽波的發(fā)育特點(diǎn)；并選取適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)點(diǎn)，采集井下地震波數(shù)據(jù)研究復(fù)合煤層中夾矸對(duì)槽波探測地質(zhì)構(gòu)造精度的影響，從而為槽波實(shí)際資料的解釋、分析提供參考。

1 不同厚度夾矸的模型正演

槽波地震數(shù)值模擬方面目前已有較充分的研究，姬廣忠等[17]和程建遠(yuǎn)等[18]采用高階交錯(cuò)網(wǎng)格法模擬了Love型槽波的波場發(fā)育特征，并對(duì)煤礦井下槽波進(jìn)行三維數(shù)值的模擬研究；皮蛟龍等[19-20]采用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法對(duì)煤層中的地震槽波進(jìn)行三分量全波場模擬，研究不同模型中的波場特征和各種波型的傳播規(guī)律。復(fù)合煤層中夾矸對(duì)槽波傳播規(guī)律的影響也需要首先通過建立復(fù)合煤層的三維數(shù)值模型進(jìn)行正演模擬，模擬方法采用高階交錯(cuò)網(wǎng)格法。圖1所示為槽波探測含斷層的復(fù)合煤層模型剖面示意圖，圖2為其平面示意圖。

圖1 含斷層的復(fù)合煤層槽波探測柱狀示意

圖2 含斷層的復(fù)合煤層數(shù)值模型平面

槽波地震探測中，與斷層落差最相關(guān)的是單位煤厚。煤層厚度不變的情況下，復(fù)合煤層的厚度會(huì)隨著夾矸厚度的變化而變化，但單位煤厚是否會(huì)隨著夾矸厚度而變化暫未確定，因此，首先建立以夾矸厚度為變量的三維數(shù)值模型進(jìn)行研究。

模型中通過設(shè)置一個(gè)落差等同于激發(fā)接收煤層厚度的正斷層，以此確定夾矸對(duì)槽波的影響。當(dāng)正演結(jié)果中槽波無法穿過斷層，夾矸被視為激發(fā)接收單一煤層的底板，單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)的選擇應(yīng)為激發(fā)接收煤層的厚度。反之，如槽波可以繞過斷層，通過夾矸及下組煤層傳播到接收點(diǎn)一側(cè)，夾矸被視為復(fù)合煤層的一部分，單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為復(fù)合煤層總厚度。

首先，建立以夾矸厚度為變量的3種復(fù)合煤層模型(model 1—model 3，圖3)：選擇砂巖作為頂?shù)装?，厚度一般遠(yuǎn)超煤層厚度，為20 m。上組煤層(目標(biāo)層)厚度一般選擇槽波發(fā)育較好的4~6 m煤層厚度，為5 m；下組煤層的厚度為2 m；夾矸選擇常見的泥巖夾矸，厚度按照上組煤層厚度的1/2進(jìn)行劃分，依次為2、3.5、5 m。模型中斜穿工作面的斷層落差與上組煤層厚度相同，為5 m，模型中上組煤層被該斷層全部斷開。模型參數(shù)見表1，相應(yīng)的單炮記錄及槽波衰減系數(shù)成像結(jié)果如圖4所示，研究表明：

圖3 不同厚度夾矸的地層柱狀

表1 不同厚度夾矸模型參數(shù)

3個(gè)模型中，經(jīng)過斷層的位置均發(fā)育有不同程度的槽波，說明槽波在上組煤激發(fā)時(shí)會(huì)繞過斷層，通過夾矸及下組煤層傳播到對(duì)面巷道的接收點(diǎn)一側(cè)，夾矸此時(shí)被視為復(fù)合煤層的一部分，單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)的選擇應(yīng)為復(fù)合煤層的總厚度；

從model 1—model 3，夾矸厚度從2 m變化到5 m時(shí)，復(fù)合煤層的總厚度從9 m變化到12 m，槽波激發(fā)接收的上組煤層(厚度5 m)，占復(fù)合煤層總厚度比值從0.56減小到0.42，槽波發(fā)育程度逐漸減弱；

槽波衰減系數(shù)成像結(jié)果顯示，夾矸厚度從2 m變化到5 m時(shí)，3個(gè)模型成像結(jié)果都能識(shí)別出斷層的位置，即復(fù)合煤層的夾矸厚度變化對(duì)槽波探測斷層影響較小。

由此可知，當(dāng)夾矸為泥巖時(shí)，夾矸被視為復(fù)合煤層的一部分，槽波可以正常穿過，且夾矸的厚度變化對(duì)槽波探測斷層的影響較小。

圖4 不同厚度夾矸的單炮及斷層成像

2 不同巖性夾矸的模型正演

除煤厚外，單位煤厚是否會(huì)隨著夾矸巖性而變化可通過不同夾矸巖性的三維數(shù)值模型進(jìn)行研究。在三維數(shù)值模型中，夾矸巖性變化需要通過其物理性質(zhì)的不同來進(jìn)行表示，與槽波最相關(guān)的物理性質(zhì)為地震波波速，即夾矸巖性不同地震波波速不同，因此，建立表2所示物性參數(shù)的3種模型。模型中同樣設(shè)置一個(gè)落差等同于激發(fā)接收煤層厚度的正斷層，來研究夾矸巖石對(duì)槽波的影響。

不同巖性3種模型(model 4—model 6)剖面圖如圖5所示：選擇砂巖作為頂?shù)装?，厚度?0 m，上組煤層厚度為5 m，下組煤層厚度為2 m，夾矸厚度為3 m，夾矸巖性選擇泥巖、砂巖和泥巖(含砂)3種，泥巖(含砂)的速度為泥巖縱波速度的上限。斜穿工作面的斷層落差為5 m，相應(yīng)的單炮記錄及槽波衰減系數(shù)成像結(jié)果如圖6所示，研究表明：

model 4和model 5中均有槽波發(fā)育，但model 5中槽波的發(fā)育明顯要弱于速度更低的泥巖夾矸模型。由此可知，當(dāng)夾矸巖性接近煤層時(shí)，夾矸被視為復(fù)合煤層的一部分，槽波可以穿透。

表2 不同巖性夾矸模型參數(shù)

圖5 不同巖性夾矸的地層柱狀

model 6中，經(jīng)過斷層的部分，槽波完全不發(fā)育，無斷層區(qū)域槽波也非常弱。由此可知，當(dāng)夾矸巖性與煤層差異較大時(shí)，夾矸被視為單一煤層的底板，槽波無法穿透。

由此可知，夾矸巖性接近煤層時(shí)(p＜3 200 m/s)，地震波在傳播時(shí)，會(huì)將上下組煤層和夾矸的復(fù)合煤層當(dāng)成一個(gè)整體，在斷層未全部斷開的部位繼續(xù)傳播。當(dāng)夾矸巖性與煤層差異較大時(shí)，槽波形成的二維空間變成了砂巖頂板和夾矸之間的空間，槽波判斷構(gòu)造的單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)也即上組煤單一煤層的厚度。

3 復(fù)合煤層槽波探測實(shí)例

為驗(yàn)證正演模型結(jié)果準(zhǔn)確性，在山西臨汾某礦3123工作面開展復(fù)合煤層槽波探測試驗(yàn)，該礦地質(zhì)特征滿足復(fù)合煤層的特點(diǎn)。3123工作面開采石炭–二疊系山西組(P1)2號(hào)煤層，煤層厚度5.7~6.8 m，平均厚度6.0 m。煤層頂板為中細(xì)粒砂巖。3123工作面2號(hào)煤層下距3號(hào)煤層較近，為0.80~2.5 m，3號(hào)煤層平均厚度1.0 m。2號(hào)煤層和3號(hào)煤層中間夾矸為泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚度平均約3 m，地層柱狀如圖7所示。工作面掘進(jìn)時(shí)切眼附近揭露一斷點(diǎn)落差為3 m的斷層。探測施工在2號(hào)煤層中進(jìn)行，檢波器及激發(fā)點(diǎn)均布置在2號(hào)煤層的巷道側(cè)幫上，道間距10 m，共200道。震源由300 g礦用乳化炸藥激發(fā)，炮孔深度2.8 m，安裝炸藥后孔口用炮泥封堵，炮間距20 m，共120炮。激發(fā)點(diǎn)和檢波點(diǎn)盡量靠近巷道中部。地震儀選用YTZ3型礦井防爆地震儀，采樣率4 kHz。該礦槽波發(fā)育較好，所采集的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，折射縱波、橫波、槽波信噪比均較高，原始單炮數(shù)據(jù)如圖8所示，單炮記錄顯示，有槽波減弱的區(qū)域，但仍然有部分槽波可以穿過。成像結(jié)果如圖9所示，探測結(jié)果顯示，工作面內(nèi)部可能存在一延展較長的斷層。

根據(jù)單炮記錄，過斷層位置處可見部分槽波可以穿透，常規(guī)成果解釋時(shí)，可能會(huì)做出斷層落差小于2號(hào)煤層厚度(6 m)的判斷，即＜6 m。但通過本研究成果，綜合分析該礦地質(zhì)情況，2號(hào)、3號(hào)煤層距離僅3 m，為典型的復(fù)合煤層，且復(fù)合煤層夾矸為泥巖，巖性與煤層接近，故槽波解釋時(shí)的單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為復(fù)合煤層的總厚度10 m，而非2號(hào)煤層厚度的6 m。因此，本次槽波解釋斷層落差為5 m＜＜10 m。經(jīng)回采驗(yàn)證，該斷層落差約6 m，最大處落差8 m(圖9中洋紅色點(diǎn)位處)。

圖6 不同巖性夾矸的單炮及斷層成像

圖7 3123工作面地層柱狀簡圖

圖8 3123工作面單炮記錄

圖9 3123工作面槽波探測成果

4 結(jié)論

a. 復(fù)合煤層中夾矸厚度對(duì)槽波探測解釋斷層落差影響較小，夾矸厚度只影響槽波的發(fā)育程度。

b.復(fù)合煤層中夾矸巖性對(duì)槽波探測解釋斷層落差影響較大。當(dāng)夾矸巖性接近煤層時(shí)，地震波在傳播過程中，會(huì)將上下組煤層和夾矸的復(fù)合煤層當(dāng)成一個(gè)整體，在無斷層部位繼續(xù)傳播。當(dāng)夾矸巖性與煤層差別較大時(shí)，此時(shí)，槽波判斷斷層落差的單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)為上組煤單一煤層的厚度。

c.依據(jù)槽波成像結(jié)果解釋斷層落差時(shí)，需結(jié)合已有的地質(zhì)資料分析夾矸與煤層及頂?shù)装鍑鷰r的巖性差異，合理選擇單位煤厚標(biāo)準(zhǔn)，參照地震記錄中槽波振幅衰減情況綜合分析斷層落差。另外，夾矸厚度大于煤厚時(shí)對(duì)復(fù)合煤層中槽波的發(fā)育造成的影響，在后續(xù)工作中還需進(jìn)一步研究。

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Influence of parting in composite coal seam on interpretation of fault throw by channel wave seismic exploration

SU Xiaoyun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The channel wave seismic exploration technology has achieved relatively reliable result in detection of faults, collapse columns and the change of coal thickness in working faces, now becomes the preferred method for detection of underground geological structures. But for detection of geological structures in partings of composite coal seams the method has still certain problems. In order to study the influence of partings in composite coal seams on detection of channel wave seismic exploration, various models were built by changing thickness, lithology of parting in composite coal seams and experimenting with channel wave seismic detection in Shanxi to study how those parameters influence the exploration precision of channel wave seismic. The results show that the partings of composite coal seams have big influence on interpretation of fault throw by channel wave seismic detection, when the difference between the parting thickness and the seam thickness is smaller, in interpretation of fault throw, the unit coal thickness standard should be the total thickness of a composite coal seam, when the difference is bigger, the unit coal thickness standard should be the thickness of a single seam for a stimulating and receiving layer. The achievements can provide a basis for seismic data interpretation and analysis.

composite coal seam; parting; channel wave seismic exploration; fault throw;the unit coal thickness

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.026

1001-1986(2020)03-0182-06

2019-10-16；

2020-01-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2018YFC0807804)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2019XAYMS29，2019XAYQN02)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS29，2019XAYQN02)

蘇曉云，1988生，男，陜西神木人，碩士，助理研究員，從事地質(zhì)及煤田地質(zhì)的研究工作. E-mail：suxiaoyun@cctegxian.com

蘇曉云. 復(fù)合煤層中夾矸對(duì)槽波探測解釋斷層落差的影響[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：182–187.

SU Xiaoyun. Influence of parting in composite coal seam on interpretation of fault throw by channel wave seismic exploration[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：182–187.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)