P波各向异性检测在采空区导水裂隙带探测中的应用

申 涛，袁 峰，宋世杰，马 丽，薛海军，汶小刚

(1.陕西省地质调查院，陕西 西安 710065；2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710026；3.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005；4.西安科技大学，陕西 西安 710054)

P波各向异性检测在采空区导水裂隙带探测中的应用

申 涛1,4，袁 峰2,3，宋世杰4，马 丽2，薛海军2,3，汶小刚2,3

(1.陕西省地质调查院，陕西 西安 710065；2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710026；3.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005；4.西安科技大学，陕西 西安 710054)

为了研究工作面导水裂隙带发育情况，在陕北某煤矿进行了宽方位角、小面元、高覆盖的三维地震勘探。受地震勘探精度限制，传统方法很难对裂隙发育情况进行描述。引入P波各向异性检测技术对导水裂隙带进行研究。首先，将不同方位角地震数据进行叠加、偏移处理；之后在不同方位角偏移数据上进行蚂蚁追踪，利用蚂蚁追踪数据进行各向异性检测。经各向异性检测认为裂隙发育强度与距煤层顶板距离成反比，裂隙最大发育高度为118 m。通过各向异性数据与地震振幅数据结合分析认为研究区导水裂隙尚未发育到风化基岩面，未导通萨拉乌苏组含水层。应用实践表明，P波方位各向异性裂隙检测方法能够准确预测导水裂隙带的裂隙分布特征及发育高度。

各向异性检测；宽方位角；蚂蚁追踪；导水裂隙带

榆神矿区煤矿高强度开采产生的导水裂隙导致地下水位下降，研究导水裂隙发育情况对保水采煤具有重要意义[1-2]。对导水裂隙带的探测通常采用实际探测法、理论计算、相似材料模拟和经验公式计算法等方法。目前，较为有效的手段是采用地质钻探并结合测井曲线来确定导水裂隙带发育高度，但是钻探费用较高，探测效果也仅为一孔之见[3]。电磁勘探根据裂隙发育程度及对水体的导通能力进行探测，依据视电阻率大小判定其含水情况，但其体积效应较大，勘查精度有限[4-5]；近年来，随着三维地震勘探在煤矿中的应用，利用分辨率较高的地震勘探技术在煤矿采动损害调查中取得了一定的效果[6-8]，但多限于对导水裂隙带平面范围研究，对导水裂隙带的空间发育情况研究较少。传统的解释方法如相干、曲率、频谱分解等仅能检测断层，对于裂隙的刻画精度较低。

目前利用地震资料进行裂隙探测的有效方法有弹性波阻抗反演和P波各向异性检测技术。弹性波阻抗反演摆脱了常规叠后波阻抗反演基于地震波垂直入射的前提，保留了反射波振幅随偏移距或入射角的变化特征，考虑了AVO效应，与常规叠后波阻抗反演相比其反演结果包含了更多的裂隙信息，一般利用弹性波阻抗反演和常规叠后波阻抗反演的差异对裂隙进行判断[9-11]。但是导水裂隙带发育埋深相对于煤层较浅，反射波入射角较小，AVO效应不明显，弹性波阻抗反演效果欠佳。P波各向异性检测技术是近几年裂隙预测的热点方法，它是利用P波通过裂隙介质所表现出的方位各向异性特征来进行裂隙检测[12-14]。目前在煤田上主要用来检测煤层裂隙，如秦轲、崔若飞等利用P波的方位各向异性属性来进行煤层裂隙检测[15]；张亚兵、陈同俊等利用各向异性检测研究佛洼区煤层裂隙发育带[16]；但对开采煤层上覆岩土层裂隙发育空间特征的研究较少。

本文尝试引入P波各向异性检测技术对采空区导水裂隙带进行研究。首先，将不同方位角地震数据进行叠加、偏移处理；之后在不同方位角偏移数据上进行蚂蚁追踪；然后利用蚂蚁追踪数据进行各向异性检测，并对导水裂隙带进行划分；最后结合各向异性检测数据研究裂隙发育对地下水的影响。

1 P波各向异性检测原理

煤层采空之后岩石介质产生一组定向垂直的裂缝，引起岩石各向异性。根据地震波的传播理论,当P波在各向异性介质中平行或垂直于裂缝方向传播时具有不同的旅行速度，从而导致P波振幅响应的变化和旅行时的差异。这种P波通过裂缝介质所表现出的方位各向异性特征是进行裂缝检测的直接参数。P波检测定向垂直裂缝技术是利用宽方位地震观测数据来研究P波属性随方位角的周期变化，估算裂缝方位和密度[17]。

P波反射波在通过裂隙性介质时，在固定炮检距的情况下，反射波的振幅、速度、频率等属性可表示为

式中，α为炮检方向相对于裂隙走向的取向角；A为与偏移距有关的偏置因子；B为与偏移距和裂隙特征有关的调制因子；F(α)为P波地震属性(振幅、速度、频率等)的方位各向异性特征。

当炮检方向平行于裂隙走向时，F(α)=A+B最大；当炮检方向垂直于裂隙走向时，F(α)=A-B最小。理论上只要知道3个方位上的F(α)变化就可求解裂隙方位角α及与裂隙密度相关的综合因子B/A[18]。

2 导水裂隙带探测应用实例

2.1 研究区概况

研究区位于陕北某煤矿30101工作面中段，工作面宽300 m，与其西面相邻的30102工作面已开采完毕，研究区横向长1 000 m，纵向宽500 m，勘探面积0.50 km2(图1)。

图1 研究区相对位置

目前开采3号煤层，平均厚度8.36 m，煤层埋深250.90～268.05 m，分层开采厚度为5 m。煤层由东南向西北缓倾，倾角约0.5°。30101工作面煤层采掘距本次数据采集时间超过1.5 a，30102工作面采掘距本次野外数据采集时间仅4个月。

2.2 P波各向异性检测应用分析

研究区采用宽方位采集，纵横炮检距比接近1，数据采集的主要参数为：道距10 m，炮距60 m，16线32炮，CDP面元5 m×5 m，覆盖次数64次覆盖(图2)。地震激发选择在潜水面以下3～5 m激发，获得了高品质的原始数据。

(2) 红土镍矿-硫酸铵焙烧熟料铁溶出过程受外扩散控制，动力学方程为：1-(1-α)2/3=0.208 5 exp(-7 234/RT)t，表观活化能E=7.23 kJ·mol-1。

图2 研究区观测系统

按照0°～60°,60°～120°,120°～180°抽取了3个方位角道集(双向方位角)，各方位道集的偏移距和覆盖次数均匀，为了保证一定的信噪比，将5个小面元合并为一个超级面元，覆盖次数达到100次。图3为3个偏移数据体的3号煤层顺层切片，由图3可以看出,振幅切片虽然能很好的区分裂隙发育地层和正常地层(裂隙发育段振幅较为杂乱，而正常地层振幅较为稳定)，但其对裂隙反映模糊，不能很好的刻画裂隙。蚂蚁追踪技术能自动追踪和识别地震数据中的裂隙、断裂系统[19-22]。

图3 3个不同方位角3号煤层顺层振幅切片

图4为3个偏移数据体的3号煤层蚂蚁体顺层切片，从蚂蚁体切片不但能很好的区分裂隙发育地层和正常地层，也能很好的刻画裂隙。由图4可以看出，采空区范围内不同方位角数据的蚂蚁体切片存在一定的差异，由此可见受裂隙各向异性的影响不同方位角观测裂隙是不同的。为使蚂蚁追踪结果可定量表征裂隙发育带，采用式(1)进行各向异性检测。预测结果如图5所示。

图4 3个不同方位角3号煤层顺层蚂蚁体切片

图5 Inline 306线各向异性检测密度剖面

在地震剖面中(图6)，裂隙发育较强段，反射波消失并伴有绕射波和各种散射波，裂隙带识别较易；裂隙发育较弱段，反射波波组频率向低频方向移动，但反射波频率还受岩性变化影响，因此通过地震波形特征来识别裂隙发育较弱段较为困难。在相干体剖面中(图7)可以看到相干体只能识别导水裂隙带下部裂隙发育较强段(应对的各向异性密度为1.8～3)；导水裂隙带上部裂隙发育较弱地段，相干体无法识别，而在各向异性检测剖面上侧可以清晰的识别(对应各向异性密度为0.4～1.8)。

图6 Inline 306线地震剖面

图7 Inline 306线相干体剖面

在瞬变电磁剖面中(图8)，根据电阻率异常可以很好的识别裂隙较大区域，尤其是覆岩垮落之后形成的空洞区域，但对以垂直裂隙发育为主的裂隙带的反映不明显。

图8 Inline306线瞬变电磁剖面

将各向异性检测得到的过孔数据(H4孔)与漏矢量曲线进行比较，如图9所示。从过井资料来看各向异性检测结果与漏矢量曲线吻合度较高，相关系数达到了81%，而相干体的相关系数只有67%。因此认为，用各向异性检测结果来对导水裂隙带进行预测是可行的。和钻探结果(如漏矢量)进行比对，认为各向异性密度数值在0.4～2.4为导水裂隙带，<0.4为裂隙不发育区域，>2.4为垮落带。

图9 H4钻孔漏矢量、地震道、各向异性数据

2.3 导水裂隙带发育特征

将各向异性检测得到的裂隙密度数据和裂隙方位角数据叠加形成矢量数据，线段的长度代表了裂隙密度数值的大小，方向代表了裂隙的方位角。图10为裂隙密度与裂隙方位叠加的矢量平面图(转化到深度域)，裂隙矢量的数量虽然不能反映裂隙的数量，但从客观上反映裂隙的强度(数量、大小的综合反映)。由图10可以看出，裂隙发育强度与距煤层顶板距离成反比。

图10 裂隙密度与裂隙方位叠加的矢量

图11 裂隙矢量数量与距煤层顶板距离关系

经以上分析采空区导水裂隙带呈“马鞍型”发育，马鞍中心最大高度62 m，裂隙带最大高度为118 m，单侧平面宽度相对采空区范围缩小5 m。

3 导水裂隙带发育对地下水影响

研究区位于鄂尔多斯盆地东南，毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带，生态环境脆弱。裂隙带发育至松散含水层，会引起水沙混合物的涌入，导致突水溃沙灾害[1-2]。掌握导水裂隙带的发育特征对研究区生态环境保护有重要意义。

本文结合各向异性检测数据研究导水裂隙带对地下水的影响。

研究区含水层主要为直罗组顶部风化基岩裂隙承压水和新生界的萨拉乌组含水层，以及位于新生界的萨拉乌苏组的含水层[23-25]。将各向异性数据与地震振幅数据进行叠合显示，如图12所示。

图12 各向异性数据与地震剖面叠合成果

由图12可以看出，导水裂隙发育至直罗组没有切穿基岩，但导水裂隙尚未发育到风化基岩面，经计算其最大发育高度距离基岩面有35 m。导水裂隙带对地下水影响分以下3个方面：

(1)对第四系上更新统萨拉乌苏组含水层的影响：导水裂隙带不会贯通第四系更新统相对隔水层，而萨拉乌苏组含水层在第四系离石组(Q2l)、午城组(Q1w)之上故导水裂隙不会波及萨拉乌苏组含水层。

(2)对第四系更新统相对隔水层的影响：第四系离石组(Q2l)、午城组(Q1w)是潜水和承压水之间的隔水层，厚度一般是40～80 m，而本区基岩面标高大于裂隙带最大发育高度35 m，故导水裂隙不会沟通第四系更新统相对隔水层。

(3)对延安组(J2y)含水层和直罗组(J2z)碎屑岩类含水层的影响：导水裂隙已经贯穿延安组含水层和直罗组碎屑岩含水层。而延安组含水层和直罗组含水层的富水性较弱，因此可以判断导水裂隙带基本不充水。

4 结 论

(1)通过P波各向异性检测技术能够很好的探测出导水裂隙带裂隙发育情况。从过井资料来看各向异性检测结果与漏矢量曲线吻合度较高，相似系数达到了81%。

(2)导水裂隙带地震波场复杂，在采集过程中任何差异均会对各向异性检测产生影响。宜采用宽方位、高覆盖次数的观测系统，尽可能地采集“全息”三维地震数据；同时要保证地震数据采集质量，减少外界干扰的影响。

(3)通过各向异性检测技术结合钻孔资料认为各向异性密度数值在0.4～2.4为导水裂隙带，<0.4为裂隙不发育区域，>2.4为垮落带。认为研究区导水裂隙带最大发育高度为118 m。

(4)通过各向异性数据与地震振幅数据结合分析认为导水裂隙尚未发育到风化基岩面，未导通萨拉乌苏组含水层。

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Application of P-wave anisotropy detection in detecting the conducting fracture zone

SHEN Tao1，4，YUAN Feng2,3，SONG Shi-jie4，MA Li2，XUE Hai-jun2,3,WEN Xiao-gang2,3

(1.ShaanxiProvincialGeologicalSurveyInstitute,Xi’an710065,China;2.KeyLaboratoryofCoalResourcesExplorationandComprehensiveUtilization,MinistryofLandandResources,Xi’an710026,China;3.ShaanxiProvincialCoalGeophysicalProspecting,SurveyingandMappingCo.,Ltd.,Xi’an710005,China;4.Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

In order to study the development of water flowing fractured zone in working face,a 3D seismic exploration with wide azimuth,small facet and high coverage was carried out in a coal mine in northern Shaanxi.Limited by the accuracy of seismic exploration,it is difficult to describe the development of fractures in traditional way.A P-wave anisotropy detection technology was introduced to study the hydraulic fractured zone in this study.Firstly,the seismic data of different azimuth angles was stacked and offset processed.And then,an ant-tracking was conducted at different azimuthal offset data,and an anisotropic detection was performed with ant trace data.The anisotropy test which indicates that the fracture development intensity is inversely proportional to the distance from the roof,and the maximum height of fracture is 118 m.With the analysis of anisotropy data and seismic amplitude data,the authors can draw a conclusion that the water flowing fractures in the study area have not yet developed to the weathered bedrock surface,and not connected to the aquifer of the Sarawusu Formation.In practice,it shows that the P-wave azimuth anisotropic fracture detection method can accurately predict the distribution characteristics and development height of fractures in hydraulic fractured zone.

anisotropic detection;wide azimuth;ant tracking;water conducting fractured zone

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5010

2016-09-23

2016-11-11责任编辑:许书阁

国家自然科学基金资助项目(41402308);陕西省教育厅科研计划资助项目(14JK1466)

申 涛(1979—),男,山东日照人,高级工程师。E-mail:3611697@qq.com。通讯作者:袁 峰(1984—),男,湖北十堰人,工程师。E-mail:249251661@qq.com

TD823;TD325

A

0253-9993(2017)01-0197-06

申涛，袁峰，宋世杰，等.P波各向异性检测在采空区导水裂隙带探测中的应用[J].煤炭学报,2017,42(1):197-202.

Shen Tao，Yuan Feng，Song Shijie,et al.Application of P-wave anisotropy detection in detecting the conducting fracture zone[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):197-202.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5010