塌陷采空区的数值模拟及属性解释

徐书恩，郭子华

（山西煤炭运销集团，山西太原030013）

塌陷采空区的数值模拟及属性解释

徐书恩，郭子华

（山西煤炭运销集团，山西太原030013）

老窑塌陷采空区严重威胁着大型矿井的生产与安全，探测出塌陷采空区已成为当前三维地震的一项重要研究课题。根据采空区的实际赋存形态建立了地质模型，并采用射线追踪理论进行数值模拟，在时间剖面上较系统地分析了塌陷采空区的形态特征，并分析了反射波的频谱特征。结合一些典型的工程实例，总结出塌陷采空区在地震资料上的地震响应特征以及地震属性特征，对煤矿安全生产具有指导意义。

塌陷采空区；数值模拟；频谱分析；地震属性

近年来，随着国家对煤矿整合、兼并力度的不断加大，塌陷采空区给国有煤矿的安全生产留下了隐患，直接影响着矿井机械化采煤工作面的布置，更是矿井透水事故的主要来源。因此，提前查明老窑采空区的位置是各大型矿井亟需解决的问题。

本文根据采空区的实际赋存形态建立了地质模型，在时间剖面上较系统地分析了塌陷采空区的形态特征，并分析了时间剖面上反射波的频谱特征。结合一些典型的工程实例，认为煤矿塌陷采空区在时间剖面上的形态特征以及地震属性特征均比较明显，可为煤矿生产与安全提供指导意义。

1 地震地质模型

1.1 模型建立

当煤层被开采或被采空时，上覆地层的原有地应力平衡遭到破坏。刘天泉院士等对我国煤矿开采覆岩破坏与导水裂隙分布作了大量的实测和理论研究[1-3]，对采场上覆岩层移动破断与采动裂隙分布规律提出了“横三区”、“竖三带”的总体认识，即沿工作面推进方向覆岩将分别经历煤壁支承影响区、离层区以及重新压实区；由下往上岩层移动分为垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带，采空区中部的离层裂隙基本被压实，而在采空区四周存在连通的离层裂隙发育区，其形状与老顶岩板破断的“O-X”型相似，称之为采动裂隙“O”形圈［4－6］。由于“竖三带”中弯曲带只产生弯曲沉降，并不产生破裂，带内的岩层仍为层状结构，因此，引起的物性差异普遍比冒落带以及裂隙带微弱的多，此带可忽略不计。为此建立如下地质模型，见图1，共建立了5层地层，分别为砂岩、冒落带、裂缝带、煤层以及灰岩。

1.2 地层物理参数

通过沉积岩的地球物理特征可知：设定砂岩、裂隙带、冒落带、煤层以及灰岩的纵波速度分别为3 600 m/s、2 450/3 270～3 600 m/s、2 310/2 640～3 270 m/s、2 200 m/s、4 500 m/s。其中，裂隙带与冒落带的地层速度采用梯度变化，且符合采动裂隙“O”形圈理论。品质因子是描述岩石弹性的重要参数，描述了介质对能量的吸收与散射，并依据经验公式Q=14VP2.2获得品质因子Q，品质因子依次为235、156、134、79以及380，其余参数见表1。

1.3 地球物理特征

三维地震探测采空区主要依据的是不同介质间的波阻抗差异。波阻抗差异越大，反射波的能量越强，勘探效果越好。煤层未开采时，呈现低密度、低频、低速度的特征，与周围围岩存在着明显的波阻抗，能形成能量较强的反射波［7-9］。当煤层被开采形成采空区时，上覆地层变得疏松，密度降低，传播于其中的地震波的能量、速度、频率均发生不同程度的变化。在时间剖面上主要表现为煤层反射波同相轴及辅助相位不连续、波形异常、无规律分布、频率较低、延时现象明显［10-13］。

图1 塌陷采空区地质模型图

表1 模型参数表

2 模型正演

本次模型是采用射线追踪理论进行正演模拟。模型宽度710 m，深度600 m，选用自激自收的放炮方式，雷克子波主频为60 Hz，道间距10 m。

依此获得模型的响应时间（图2）：煤层反射波同相轴下凹、中断，以中断为主，且同相轴变粗、频率变低，在塌陷采空区上部同相轴发生抖动、连续性变差、“蚯蚓状”排列，波形杂乱。除了分析塌陷采空区的时间剖面外，还分析了塌陷采空区时间剖面上的频谱特征。通常认为频谱分析中包括振幅、相位以及频率等地震动力学特征，而多数地震动力学特征是构造、地层、岩性与油气或煤层等综合因素的反映。对煤层以及塌陷采空区延迟反射波进行频谱分析见图3，4：煤层记录道的主频为54 Hz，平均振幅为0.001 8，塌陷采空区延迟反射波的主频变为48 Hz，平均振幅为0.000 4。对比分析发现塌陷采空区平均振幅明显减弱，主频也减小。

3 实例分析

工区位于晋西黄土高原的最南端，属强烈侵蚀的低、中山地貌，勘探区地形复杂，相对高差120 m。区内坡度较陡，黄土大面积覆盖，浅表层地球物理条件较差。2#煤位于山西组下部，埋深250～430 m，平均厚度6 m，其下50 m左右为10#煤层，厚度3.5 m，与其顶底板岩层形成明显的波阻抗，故会形成两个良好的反射界面，适合三维地震勘探。

图2 模型响应的时间剖面图

图3 煤层记录道振幅谱图

图4 塌陷采空区记录道振幅谱图

本次地震勘探新发现采空区:采空区I（CK1）、采空区II（CK2）、采空区III（CK1）、采空区IV（CK1）共4块，仅以其中某个采空区为例，从地震时间剖面上看，采空区均表现为T2波同相轴中断，对应区域煤层反射波能量变的很弱；波形异常，辅助相位排列杂乱、无规律、断断续续；频率变低，有绕射波、多次波等多种波混杂叠加，见图5。

图5 采空区在时间剖面上反映示意图

图6 平均振幅属性图

图7 优势频率属性图

根据采空区发育地区的地震属性可知，利用沿煤储层的层间地震统计特征更有利于对煤层采空区等异常地质体的识别。地震属性可划分为振幅统计类、频（能）谱统计类、相位统计类、复地震道类、层序统计类以及相关统计类6大类［14］。振幅类属性反映波阻抗差异、地层厚度、孔隙度及含流体成分变化；频谱类属性特征反映储藏岩性变化、裂缝分布范围、油气水分布变化和储藏上覆地层对地震波的衰减［15］。经过对比分析，分别选用了平均振幅以及优势频率属性。从地震属性分析：平均振幅强度在采空区内明显减弱，由175减弱到75；优势频率也明显减小，由20 000减小到5 000，见图6，7。

4 结论

综上所述，时间剖面上的塌陷采空区内会产生许多不连续的界面反射波，类似于“蚯蚓状”排列，波形杂乱，塌陷采空区的煤层底板同相轴也会出现明显的时间延迟现象，振幅减弱且频率降低；在地震属性解释上其特征也比较明显，平均振幅以及优势频率也明显地降低。上述特征为地震勘探方法在塌陷采空区上的成功运用提供了现实与指导意义。

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Numerical Simulation and Attribute Analysis of Collapse Goaf

Xu Shu-en，Guo Zi-hua

Collapse goaf in old coal mine seriously threatens the production and safety of large scale mine，detecting the collapse goaf has become an important research topic in current 3D earthquake.Geological model is established according to the actual occurrence of the goaf，using ray tracing theory carries out numerical simulation. Systematically analyzes the morphological characteristics of collapse goaf and analyzes the spectrum characteristics of reflected wave on the time section.Combines with some typical engineering examples，sums up the seismic response characteristics and seismic attributes characteristics of the collapse goaf in the seismic data，it provides a guiding significance for coal mine safety production.

Collapse goaf；Numerical simulation；Spectrum analysis；Seismic attributes

TD166

A

1672-0652（2014）12-0011-04

2014-10-28

徐书恩（1969—），男，山西五台人，1991年毕业于山东矿业学院，工程师，主要从事地测防治水技术管理工作（E-mail）xushuen109@163.com