浅谈煤矿陷落柱地震解释技术

陈春岭，代金芝

（山西省煤炭地质115勘查院，山西大同037003）

浅谈煤矿陷落柱地震解释技术

陈春岭*，代金芝

（山西省煤炭地质115勘查院，山西大同037003）

长期以来，煤矿陷落柱一直严重威胁着我国北方一些煤矿的高产高效安全生产及综合机械化采煤机组的正常运行。近几年，高分辨三维地震正成为探测陷落柱的重要手段。基于此，简单介绍了几种陷落柱的三维地震解释方法。

陷落柱；三维地震；地震解释

煤矿陷落柱是指煤田地区下伏石灰岩中岩溶发育，在重力作用下，上覆岩层（包括煤系地层）向下塌陷所形成的锥状或柱状堆积物，陷落柱的赋、导水性也因地而异。陷落柱主要分布于我国北方石炭、二叠系煤田区。陷落柱的危害很大，会导致煤炭资源的损失，影响采掘工程的进展和回采工作面的布置，还会恶化生产环境、引发突水灾害等。因此，陷落柱的探测极有意义。

1　陷落柱的地质特征和地球物理特征

1.1陷落柱的空间形态、结构特征及构造特征

（1）陷落柱的空间形态。陷落柱的空间形态是指其在空间的表现形态，按平面形态可分为圆形、椭圆形和不规则形等，常见的多为椭圆形陷落柱，由于陷落柱空间变化的复杂性，其平面形态只反映陷落柱的切片，有可能一个平面与另一平面的形态不同，按剖面形态可分为圆锥形、漏斗形、筒状形、斜塔形和不规则形等。其规模大小不等，一般几米到数百米。

（2）陷落柱结构特征。实际陷落柱的结构非常复杂，根据有关地质研究，大体在纵向上可划分为下沉区和塌陷区；在横向上划分为柱外构造带和塌陷带等。

下沉区指陷落柱柱顶以上厚度约十几米的岩层向下凹陷区域，其水平方向分布与柱体大小有关，一般为几十米，由下沉欠压实作用，下沉区结构疏松，密度较小。

塌陷区分布于柱顶与溶洞之间，包括柱内冒落岩块的分布区段和环形断层形成的围岩陷落区段。柱内混杂堆积着破碎岩块，岩块间由泥质填充、胶结，块度差异较大，可从几厘米到几米甚至几十米。柱内岩性一般比较杂乱，有时也会保持基本层序，但产状不一，极度倾斜。

（3）陷落柱的构造特征：

①柱内岩性：由于陷落柱是从下往上逐渐坍塌的，因此，柱内岩性时代较围岩为新。据坑道揭露，柱内空间由破碎岩块堆积而起，岩块之间由泥质充填、胶结，岩块大小差异较大，可从几米至几十米。有时还可见到第四系黄土充填的陷落柱。岩块的岩性，取决于上部岩层的岩性，从柱内岩性特征可以判断岩块的陷落深度。柱内岩性一般比较杂乱，有时也会保持基本层序，产状不一，极度倾斜。

②柱面：陷落柱的柱面不是一个抽象数学面，也不是一个光滑的物理面，而是与断层面一样，含有“体”的概念。据坑道揭露，陷落柱的柱面极为粗糙，凹凸岩块参差不齐，常发育2种构造：一种为擦痕，是柱体或岩块向下陷落时与围岩相互摩擦所留的擦痕，这种擦痕一般较短，且散乱，无统一的摩擦面。另一种为挤压软泥，质地细腻，常附着于岩块表面，岩块有挤压变形特征。也有个别岩块挤入煤层中的现象。

③柱外构造带：在陷落柱附近的围岩中，常伴有节理、裂隙、挠曲、断层等派生构造。

1.2陷落柱在地震时间剖面和切片上的反映特征

1.2.1陷落柱在地震时间剖面上的反映特征

陷落柱体是由块度大小不均、排列杂乱无章的上部地层塌陷物胶结而成的。与正常赋存地层相比，在地层的连续性、产状、岩性等方面，均有很大差别。陷落柱与围岩存在的物性差异是形成异常地震波的基础，这些异常为地震方法识别和判定陷落柱提供了依据。陷落柱在时间剖面上有不同于其他地质体的反映特征，如圈闭、延迟绕射波等。在野外实测陷落柱的时间剖面上，有比模型剖面特征更为复杂的特征，如侧面波的出现等。因此，掌握陷落柱在时间剖面上的表现特征，对于陷落柱的判断及解释尤其重要。陷落柱在时间剖面上的反映特征如下：

（1）标准反射波在小范围内突然中断或消失。

（2）标准反射同相轴中断，代之以断续的弱反射同相轴。

（3）标准反射波中断，中断段仍与标准反射相似。

（4）在两断陷点外侧一定范围内，反射波同相轴有不同程度的弯曲或向陷落中心倾斜的现象，常伴有小断层出现。有时出现明显的反射强度逐渐减弱的现象，这是柱外构造带在时间剖面上的反映。

（5）反射波动力学特征突变，如振幅突然减弱，波形变化无规律，频率明显变低，出现高频干扰，相位不连续，经过一段距离后又恢复正常。

（6）同相轴的分叉与合并出现陷落柱内部充填物杂乱，反射波会出现相长或相消干涉，使得陷落柱两端的同相轴出现分叉与合并现象，也是判断陷落柱的重要标志。

（7）同相轴出现圈闭现象，同相轴先分叉又合并形成铁饼状圈闭，也是陷落柱在剖面上的特征反映。

（8）异常波出现，异常波包括绕射波、延迟绕射波、侧面波等等。当陷落柱的直径较小时，或测线通过陷落柱的边部，判断陷落柱的其他特征(如强反射消失等)没有出现，或不明显，此时异常波对判断陷落柱就显得异常重要。与陷落柱有关的异常波如下：

绕射波：绕射波产生于岩性间断点，在有陷落柱的地层中，陷落柱内的岩性与围岩不同，陷落柱的柱面就是不同岩性的接触面，按广义绕射理论，绕射是普遍存在的，沿柱面均可产生绕射波。但几何的点和线不可以有一定能量的绕射波，一个绕射体必须与地震波长相当才可产生可观察绕射波能量，绕射波强度与反射波段长度成正比。绕射波在经过偏移处理后，可回收到断陷点处，这是绕射波不同于其他波的地方。

延迟绕射波：断陷点绕射波的前半枝与正常绕射波无异，而后半枝由于绕射射线穿越低速的陷落柱体而发生时间延迟。延迟绕射波是陷落柱独有的特殊波，是陷落柱在时间剖面上表现的最重要的特征之一。

侧面波：陷落柱为一复杂的地质体，在陷落柱四周一定范围内，地层常常向柱体方向倾斜，并且柱内堆积着杂乱的尺度不一的陷落块体，因此，在二维测线上，常接收来自测线剖面旁侧的地质体的反射波，即侧面波。在二维时间剖面上，由于侧面波的无规律或规律性不强，往往干涉别的规则波，且不易识别，只有较强能量、较大长度反射段的侧面波可被分辨出来。

回转波：回转波一般产生于向斜部位，当向斜的曲率中心位于地下时，便产生回转波。当向斜轴部有陷落柱且向斜曲率较大时，同样会产生回转波现象。在水平叠加时间剖面，上出现明显回转波的地段，是否存在陷落柱往往不能完全确定。在偏移后，回转波正确成像可以识别。

1.2.2陷落柱在切片上的反映特征

陷落柱在属性切片上的形态特征多呈椭圆形、似圆形，有时可见到长条形或串珠状，这与断层、巷道以及采空区的特征可以明显区分，断层往往呈细条带状，采空区以及巷道多呈规则状。陷落柱在切片上的影响范围随着所切位置的塌陷范围的变化而变化。

2　陷落柱的解释

2.1常规解释

在地震时间剖面上识别和判定陷落柱的主要依据有：反射波或反射波组终止；反射波同相轴扭曲或产状突变；反射波同相轴产生分叉合并和圈闭现象。

反射波相位转换或反射波振幅突变：由于陷落柱内地层塌陷的牵引，陷落柱周围的地层常产生向陷落柱方向下倾，导致地震时间剖面上出现类似于“倒漏斗”的特征，这也是判断陷落柱辅助依据。解释过程中可以充分利用解释工作站的放大、彩色显示功能。

2.2属性解释

地震属性是根据地震记录测量或计算出来的一些参数，它可以表征和研究地震数据内部所包含的时间、振幅、频率、相位以及衰减特性等。

由于地质体的不均匀性，使地震波场发生变化，因此通过研究地震属性参数变化与地质异常体的关系，可以达到直接或间接地检测地质异常体的目的。地震属性技术就是提取、存储、检验、分析、确认、评估地震属性以及将地震属性转换为储层特征的一套方法。这种技术能从地震数据中提取其他方法无法提取的信息，可以帮助解释人员对地质现象加以认识，特别是对储层特征的认识。随着数学、计算机、信息科学等领域新技术的引入，从地震数据中提取的地震属性有300余种，并且新的地震属性还在不断从地震数据中提取出来，如分维属性和小波变换属性以及将传统的属性进行叠合、差值、乘积和级联运算后的复合属性等。

2.2.1利用方差属性进行解释

方差体属性是在地震多道相关技术发展基础上出现的，它能够准确识别地层不连续变化，甚至能够准确地给出断裂带的延展方向，是有效地检测地层不连续变化的解释性处理技术。

方差体技术的原理是求取三维地震数据体所有样点的方差值。首先，在一定时窗内求取每个样点与周围相邻地震道所有样点平均值之间的方差值，然后再加权归一化，获得一个表示地震数据差异性的方差数据体；在方差体计算过程中，参数有时窗长度、计算道数与算法。

现有的解释技术主要解释方差数据体产生的等时切片、方差沿层切片。

2.2.2利用层属性进行解释

目的层中构造的存在，势必造成目的层与围岩的物性差异，这种差异可能体现在地震波至时间、地震波的频率、振幅、相位差异。因此，计算、研究包含目的层在内的一定时间厚度上层属性，可能有助于发现小的构造与地质异常体。

2.3速度分析及波阻抗反演技术

一般来讲，与其围岩相比，陷落柱内部地层较新、密度较低、孔隙度较大，因而波速也较低。在拟层速度剖面上，层状连续的速度被破坏，代之以片状模糊的速度图景，代表陷落柱反映的低速镶嵌在高速背景之上。另外，由于陷落柱与其围岩相比，多具有波阻抗值较低的特点，所以，在波阻抗反演剖面上可以识别陷落柱的纵横向分布情况。在陷落柱不太发育地区，不能区分是否为陷落柱还是其他异常体时，该方法往往比较有效。

2.4综合地球物理方法与可视化显示技术

无线电坑透、槽波地震、地质雷达等井下物探方法对陷落柱进行探测的效果也较好，这些方法往往在回采工作面巷道或切眼沟通后才能实施。此外，还可以从实际地震资料出发，利用三维可视化显示技术及地震属性特征分析法等，直观地显示不同煤层中陷落柱的空间赋存情况，进一步增强资料解释的整体判断能力，提高对陷落柱判断的准确性。

3　结论

陷落柱对煤矿的安全生产威胁很大，因此有必要把三维地震多种技术方法综合应用以提高探测精度。

[1]林建东,杨振,颜中辉,赵显宗.煤矿陷落柱的地震响应特征与识别[J].地球物理学进展,2012,27(6):2631-2638.

[2]尹奇峰,潘冬明,于景邨,刘盛东.煤矿陷落柱地震识别技术研究[J].地球物理学进展,2012,27(5):2168-2174.

[3]温德华,王言剑,崔伟雄.煤矿陷落柱地震响应分析[J].能源技术与管理,2011(3):4-5,12.

[4] 师素珍,方惠明,郝海波,刘万金,何恺.煤矿岩溶陷落柱的地震资料解释[J].中国煤炭地质,2009,21(6):59-61,70.

[5]杨晓东,杨德义.煤田陷落柱特殊波对陷落柱解释的影响[J].物探与化探,2010,34(5):627-631,634.

[6] 张新红.三维地震勘探资料解释技术在识别陷落柱中的应用[J].中州煤炭,2013(7):25-27.

[7]方庆水,李献龙,鲍广富.三维地震勘探资料在解释陷落柱分布上的应用[J].西部探矿工程,2009,21(9):113-116.

[8]梁兵,孙恩泽.山区煤田三维地震勘探漏解释煤炭陷落柱原因探析[J].中国煤炭工业,2013(10):44-45.

[9]宁建宏,张广忠.陷落柱的地震识别技术及其应用[J].煤田地质与勘探,2005,33(3):64-67.

[10]曹志勇,杨德义.陷落柱的高斯射线束法模拟[J].中国煤炭地质,2008,20(6):63-65,69.

[11] 吴守华,周国兴,杨素霞,何黄生.陷落柱地震响应特征分析[J].煤田地质与勘探,2004,32(3):52-54.

[12]李文,柴志顺.运用地震属性技术解释煤矿陷落柱[J].煤炭技术,2008,27(8):121-122.

[13] 汤红伟.地震属性解释技术在探测陷落柱中的研究与应用[J].中国煤炭地质,2012,24(1):49-52,68.

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1004-5716(2015)07-0163-03

2014-09-09

陈春岭（1971-），男（汉族），河南邓州人，工程师，现从事物探技术工作。