里必煤矿三维地震勘探陷落柱的识别及应用

白涛

（中国煤炭地质总局 物测队，河北 邢台 054000）

陷落柱是煤矿开采常见的地质构造，不仅破坏煤层的产状，增加煤矿的开采难度，而且极其容易发生导水事故，造成人员伤亡和矿产流失。陷落柱的准确识别对煤矿开采十分重要。

此次研究的基础是里必煤矿在巷道掘进过程中对三维地震勘探解释的DX5陷落柱验证后的总结。DX5陷落柱在3号煤层下20 m处，开采巷道3号煤层里没有发现，在15号煤层中发现，其在15号煤层中长轴长度63 m，短柱长度26 m，在三维地震解释中3号煤层和15号煤层都解释了DX5陷落柱。通过DX5陷落柱在里必煤炭开采揭露情况对比研究三维地震勘探中的陷落柱发育情况。

1.1 位置与范围

里必矿位于沁水煤田南部，中条山东北，沁河中游。中条、太岳、太行三大山系衔接处，沟谷发育，地形切割强烈。属于中山区。

研究区内除部分山丘、梁垣为黄土梯田外，多为基岩裸露或半裸露区，部分地段植被覆盖。沟谷发育，多为“V”形，切割较深，呈树枝状分布。研究区主采煤层为3号和15号煤层。其中3号煤层厚2.50~6.80 m，平均5.19 m，含夹矸0~3层，结构简单—复杂；
15号煤层厚1.05~6.11 m，平均3.28 m，含夹矸0~4层，煤层结构简单—复杂，上距3号煤层78.10 m左右，距K2灰岩0~0.60 m。

研究区总体构造形态为向北倾斜的单斜，陷落柱和断层发育较少，构造复杂程度属简单类型。

1.2 参 数

研究区选择的观测系统为10线8炮单线144道（南部）和128道（北部）接收，横向滚动5条接收线，覆盖次数32次线束状观测系统，三维地震勘探观测系统参数如下：

处理的数据体有叠后90%偏移、叠后提频90%偏移、叠前偏移和叠加，对比最终所用叠后提频90%偏移三维地震数据体。

陷落柱解释的方法有时间剖面对比解释陷落柱和属性识别陷落柱。

2.1 里必煤矿陷落柱形成机理及表现特征

15号煤层至奥灰峰峰组地层岩性依次为炭质泥岩、泥岩、粘土岩、泥灰岩、石灰岩，这都为易侵蚀性岩石。

（1）15号煤层下的石灰岩被地下水溶蚀形成溶隙、溶孔、溶洞，并且随着地下水的不断活动溶蚀空间逐步扩大至煤层形成陷落柱。

（2）勘探区内，发育有良好的地下水通道（根据实地踏勘知道勘探区内有裸露的地下泉水喷涌至地面），沟通地面水系、地下含水层段与石灰岩、煤层之间的水力联系，形成陷落柱。

（3）勘探区地下水资源非常丰富，具有溶蚀性较强的碳酸根和较大的侵蚀“掏空”能力，地下水的机械作用把泥灰岩、粘土岩透镜体、断层泥堆积体等松软岩体冲刷带走造成陷落柱。

里必矿陷落柱在煤系地层中的发育特征，平面上多表现圆形、椭圆形，少量呈不规则形态；
在地震时间剖面上呈下大上小的圆锥状、斜塔状、筒状、不规则形状，直径大小从几十米至数百米不等，陷落柱从奥灰顶面到柱体顶端的高度一般从几十米到数百米不等，陷落柱下部插入奥灰内数十米左右。

DX5陷落柱塌陷规模相对较小，主要是岩溶方式发育，上覆岩层没有大规模的塌陷，地下水逐渐带走溶洞周围松动的岩体。DX5陷落柱的陷落引起其周围原岩应力重新分布，岩溶塌陷部位的岩壁及上覆岩层的破坏与变形，地下水流动带走15号煤层及充填物（主要为上覆煤层碎块和泥砂物质，胶结度较差）。

DX5陷落柱的顶界面在3号煤层底板下方20 m处，由于3号煤层的顶底界面产生的反射波带走了大量的地震能量，3号煤层下方陷落柱顶界面产生的反射波和陷落柱柱外绕射波能量变弱，频率变低；
陷落柱未穿透3号煤层且与沉积的3号煤层的底界面的距离小于地震波的垂向分辨率，3号煤层顶底板反射波与DX5陷落柱顶界面反射波复合，同时在DX5陷落柱两侧存在较为明显的柱外绕射波，3号煤层底板反射波波组不连续，与DX5陷落柱产生的柱内干涉波连在一起，造成3号煤层底板反射波未错断的现象。

2.2 陷落柱在地震时间剖面上的特征

（1）煤层反射波发生错断。陷落柱两侧同相轴发生错断，但反射波特征清楚、波组或波系之间关系稳定。

（2）反射波同相轴数目突然增加、减少或消失。

（3）反射波同相轴形状突变，反射零乱并出现空白反射。

（4）反射波同相轴发生分叉、合并、扭曲和强相位与强振幅转换等。

（5）异常波的出现。时间剖面上反射波错断处伴随有异常波，最常见的是断面波、绕射波。

2.3 陷落柱在地震属性上的特征

煤矿陷落柱在平面上是一个封闭的、形态各异的拟圆形、椭圆形等，在空间上呈漏斗状、桶状、柱状、串珠状等。其陷落柱内部塌陷物又呈无序、杂乱无章的分布，胶结程度不一，密度差异变化较大，其内部物性的差异与围岩及煤层间必然产生较大的波阻抗差异。这种波阻抗差异属于一个体的差异变化，这是地震层间属性研究煤矿陷落柱的平面及空间形态变化的物理基础。

方差体是求取整个三维数据体所有样点的方差值,通过每个样点与周围相邻地震道的时窗内所有样点计算平均主值之间的方差,然后再加权归一化得到要求取的方差值。求取的三维地震数据体所有样点振幅均方根差值越大，各道差异越大，则存在陷落柱的可能性越大。

相干数据体是对三维地震数据体所有样点进行互相关计算的相干值，其值越小，各道相似性越差，则存在陷落柱的可能性越大。

针对里必煤矿的陷落柱分析，采用了沿3号、15号煤层反射波上下5 ms分别在地震数据体中提取了地震属性，从中优化出了5种属性进行分析，分别为最大振幅属性、波峰瞬时频率属性、带宽属性、方差体属性、均方根振幅属性。

根据三维地震勘探所获得的数据体分析，勘探区内共解释了5个陷落柱，分别命名为DX3、DX4、DX5、DX6及DX7。整个勘探区陷落柱的特点是，在煤层反射波上的辅助波凌乱，煤层反射波可连续追踪，陷落点有一定的异常反应，但不清楚（图1~图2）。陷落柱在属性上反应也不是很明显，只有在最大振幅属性（图3）、带宽属性（图4）、均方根振幅属性（图5）上有一定的片状异常。

图1 DX3、DX4陷落柱在时间剖面Fig.1 Time profile of No.DX3,No.DX4 collapse column

图2 DX5陷落柱在时间剖面Fig.2 Time profile of No.DX5 collapse column

图3 3号、15号煤层的最大振幅属性Fig.3 Maximum amplitude attribute of No.3 and No.15 coal seams

图5 3号、15号煤层均方根振幅Fig.5 Root mean square amplitude of No.3 and No.15 coal seams

此次研究的重点是DX5陷落柱。根据属性显示只有带宽属性（图4）体现的比较明显。因此DX5陷落柱是根据属性解释出来的。

图4 3号、15号煤层带宽属性Fig.4 Bandwidth attribute of No.3 and No.15 coal seams

通过对里必煤矿三维数据体的属性解释和时间剖面分析，利用Geoframe解释软件，提取了多种地震层间属性，最后经优化选择了反映较好的3种地震层间属性，即带宽属性、最大振幅属性、均方根振幅属性，这3种属性用于解释和检查构造成果非常有效。而且DX5陷落柱得到了验证，准确率非常高。

在构造不是很发育的里必井田，采用地震时间剖面对比解释陷落柱比较困难时，应用属性解释构造可靠。尤其使用带宽属性、最大振幅属性、均方根振幅属性。