古城矿陷落柱构造三维地震精细识别技术应用研究_路鑫.pdf

0引言矿井水文地质评价中需要了解和掌握矿井导水通道，陷落柱作为重要的导水通道，一直是矿井地质勘探任务的重点1，特别是矿井复杂地质条件区，陷落柱的精细识别技术尤为重要。目前，三维地震勘探以其良好的信噪比和分辨能力，在煤田构造探测中作用广泛，但针对复杂地质条件下，精确和精准识别陷落柱构造及其空间组合特征有待进一步提高2，需要结合不同地质条件变化采用相关技术组古城矿陷落柱构造三维地震精细识别技术应用研究路 鑫（山西潞安化工集团有限公司 古城煤矿，山西 长治016100）摘要：矿井陷落柱构造是矿井致灾体之一，一定规模的陷落柱可成为矿井重要的导水通道，特别是多个组合陷落柱构造影响采区布置和矿井安全开采。为准确、高效识别矿井内陷落柱特别是一些组合陷落柱构造类型及其空间分布特征，以古城煤矿北二盘区已采集的地面三维地震勘探数据体为研究对象，采用地震正演技术、分析和评价地震属性识别技术，并结合地面三维地震勘探数据进行陷落柱精细识别技术，对矿井陷落柱及其组合构造进行精细识别，解释陷落柱构造，特别针对陷落柱边界位置及解释精度问题，提出三维地震精细识别组合技术，为煤矿采区合理布置提供技术保障。关键词：陷落柱；三维地震；煤矿；精细识别技术中图分类号：TD163文献标识码：B文章编号：2095-5979（2023）05-0039-04Application research on three-dimensional seismicfine recognition technology of collapse column structurein Gucheng MineLu Xin(Gucheng Mine，Shanxi Luan Chemical Group Co.,Ltd.,Changzhi 016100，China)Abstract：Mine collapse column structure is one of the mine disaster-causing bodies.A certain scale of collapse columncan become an important water channel in the mine,especially multiple combined collapse column structures affect thelayout ofminingarea and mine safetymining.In order toaccuratelyand efficientlyidentifythe collapse column in the mine,especially the structural types and spatial distribution characteristics of some combined collapse columns,the surfacethree-dimensional seismic exploration data collected in the north second panel of Gucheng Mine was taken as the researchobject.The seismic forward modeling technology,analysis and evaluation of seismic attribute recognition technology,andthe fine identification technology of collapse column combined with the surface three-dimensional seismic exploration datawere used tofinelyidentifythe mine collapse column and its combined structure,and explain the collapse column structure.Especially,aiming at the boundary position and interpretation accuracy of the collapse column,the three-dimensionalseismic fine identification combination technology was proposed,which provided technical support for the rational layout ofcoal miningareas.Key words：collapse column;three-dimensional seism;coal mine;fine identification technology责任编辑：张彤DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.010作者简介：路鑫（1990），男，山西长治人，工程师。引用格式：路鑫.古城矿陷落柱构造三维地震精细识别技术应用研究J.煤炭与化工，2023，46（5）：39-42.Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol.46 No.5May 2023地 测 与 水 害 防 治39煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷合方法。赵庆彪3综合利用地面钻探、三维地震、瞬变电磁等多种探测方法、技术，圈定的东庞矿突水陷落柱构造的空间位置和准确度得到了提高；基于地震的正演模拟技术，李艳芳4等模拟不同空间陷落柱地震数据属性特征，分析陷落柱识别的三维地震数据体比二维数据体优越性和准确性特征5；周俊杰6等利用地面和井下多种方法技术探测陷落柱，特别是陷落柱边界的识别；彭洪涛7利用地震曲率技术在解释小断层的识别、边界界面等方面取得了成效。陷落柱构造精细识别，特别是复杂构造区形成多种组合陷落柱的方式，需要综合分析和评价单个陷落柱和组合陷落柱构造边界问题。通过古城煤矿北二盘区已采集的地面三维地震勘探数据体，结合矿井地质条件建立三维地震正演地质模型，分析和评价不同空间陷落柱模型对三维地震属性、信号等多地震传播参数的响应特征。对处理的三维地震数据体，采用地震多属性参数分析技术，精细、准确识别出陷落柱构造空间参数。1古城煤矿地质条件根据古城矿以往勘探，矿井的主要可采煤层为石炭系上统太原组上段和二叠系下统山西组，现开采山西组 3 号煤层，煤层厚 3.3510.25 m，平均厚 6.32 m。地表物质主要为第四系黄土覆盖，厚度为 80120 m，存在有一定厚姜石层，对地震数据采集有一定影响。古城煤矿北二盘区存在较为复杂地质构造（图1），井田内断层较多，落差20 m 的断层 29 条，20 m 落差5 m 的断层 46 条，落差 5 m 的断层极为发育。井田内 3 个向斜、6 个背斜，区内小的褶曲也较为发育。盘区构造以北北东北东东走向，整体上表现为单斜构造。2陷落柱构造地震响应特征2.1地震波场三维正演模拟技术三维地震波场的模拟，采用自编制的有限差分方程方法，求解波动方程的方式，进行正演模拟。考虑到计算精度、计算效率等问题，正演模拟中采用的是将所有连续偏导数用差分算子近似逼近的方法来解决波动方程问题。为消除有限差分频散现象的影响，使用高阶有限差分格式、较小步距的交错网格、可变网格和不规则网格方式，进行中心差分向高阶有限差分的转变。高阶有限差分正演中采用 4 阶 Lax WendoroffCorrection（LWC）、8 阶 LWC 计算方法，得到0.4s 多种波场快照（图 2）。对比不同阶数、不同差分算法的模拟结果，4 阶 LWC（图 2a）、8阶 LWC（图 2b）的波场快照存在数值频散，尤其是 4 阶 LWC 方法数值模拟得到的波场快照，频 散 现 象 十 分 明 显，而 4 阶 解 析 离 散 算 法（NAD）的数值模拟波场快照（图 2c）数值频散得到明显压制。2.2不同剖面形态陷落柱地震响应特征依据地质资料，建立煤层埋深为 300 m，陷落柱距地表距离为 245 m，建立地质模型（图 3），在 280 ms 左右形成煤层反射波，在煤层反射波下产生了延迟绕射波。图 4 为陷落柱正演模拟时的波场快照，图 4（a）为 170 ms 时，地震波即将到达煤层，地震波在陷落柱边界位置发生轻微绕图 1古城矿构造纲要图Fig.1 Structural outline ofGuchengMine图 2不同阶数有限差分相同粗网格的波场快照（t=0.4 s）Fig.2 Wave field snapshots ofthe finite difference same coarsegrid with different orders（t=0.4 s）38 392 00038 398 00038 404 00038 410 0004 020 0004 018 0004 016 0004 014 0004 012 0004 010 0004 008 0004 006 0004 004 00038 392 00038 398 00038 404 00038 410 0004 020 0004 018 0004 016 0004 014 0004 012 0004 010 0004 008 0004 006 0004 004 00001 0002 000 3 000 4 000 5 00001 0002 000 3 000 4 000 5 00001 0002 0003 0004 0005 000（a）4 阶 LWC（b）8 阶 LWC01 0002 000 3 000 4 000 5 00001 0002 0003 0004 0005 000（c）4 阶 NAD402023 年第 5 期射；图 4（b）为 220 ms 时，地震波到达煤层的波场快照，图中绕射现象很明显，并且在陷落柱边界位置处产生延迟绕射现象；图 4（c）中为295 ms 时地震波完全穿过煤层，到达奥灰岩层时的波场快照，由于陷落柱速度低，此时陷落柱内部出现明显延迟绕射波。3陷落柱三维地震精细识别技术陷落柱构造存在于华北矿井主要可采煤层的矿井中，主要由下伏奥灰岩溶洞垮落塌陷形成的，在陷落柱边界位置常形成碎块物质，内部为较为均一的岩体。由于陷落柱体的下陷作用，在陷落柱的边界处地层的连续性、产状、岩性方面均产生不同程度的差异，这些差异在地震波传播中产生异常地震波，也是解释陷落柱的物理前提。在对陷落柱的精细识别中，充分利用偏移三维地震数据体，并结合叠加三维地震数据体，运用垂直时间剖面、水平时间切片、顺层振幅、综合显示等多种手段进行全方位的解释。（1）断陷点的解释。断陷点的解释是陷落柱解释的基础环节。在地震垂直时间剖面和水平时间切片上表现为反射波终断，连续性变差，视频率降低，极性反转，有时还伴有产状突变等现象，陷落柱顶部位置，可见地震反射波或绕射波（图 5）。（2）陷落柱的组合。在进行资料解释时，先从一个方向（横向或纵向）剖面进行解释，并与另一方向剖面进行闭合。把相邻测线上性质相同、大小变化有规律的断陷点组合起来，通过水平时间切片与顺层切片进行平面形态的圈闭，并通过屏幕动态监视陷落柱的空间形态，最终确定陷落柱的整体形态。针对古城煤矿陷落柱构造的三维地震数据体，综合运用三维地震属性识别技术进行陷落柱构造平面分布边界的识别。利用三维地震瞬时振幅属性（图 6a 和图 6b），可知陷落柱构造的边界基本表现为“环形构造”或者是近椭圆形“圈闭构造”特征；基本上以三维地震梯度级别属性为环状分布特征（图 6c），表现为陷落柱构造的边界处为地震数据梯度异常变化地段，通过地震属性梯度计算可精细识别出陷落柱构造圈定的边界位置；利用三维地震数据方差体进行陷落柱的识别表现为近于环状闭合的方差属性平面分布特征（图 6d