利用地震波能量属性预测矿井瓦斯富集区

李文利，申有义，杨晓东

(山西省煤炭地质物探测绘院，山西 晋中 030600)

利用地震波能量属性预测矿井瓦斯富集区

李文利，申有义，杨晓东

(山西省煤炭地质物探测绘院，山西 晋中 030600)

构造煤的发育易形成瓦斯突出危险区，因此查明构造煤赋存范围可有效预防瓦斯突出。根据研究区的地质条件，建立构造煤发育地质模型。地震属性分析结果表明，构造煤在主频、低频、振幅和相位等属性方面具有明显异常。以研究区3号煤层为例，在频谱分解的基础上提取不同频率成分的地震波能量属性，发现煤层气(瓦斯)富集区的地震波能量具有在低频范围内值较大、高频范围内值较小的特性。根据矿方巷道抽取瓦斯得到的数据，证实纵横波速度与瓦斯富集呈负相关关系。

煤层气(瓦斯)；地震属性；地震波能量；地震波速度；构造煤

煤层气(瓦斯)是成煤和煤化作用过程中生成并储集在煤层内的一小部分气体，主要成分是甲烷(CH4)[1]。瓦斯突出是指由煤层、采空区及岩层释放出的各种有害气体富集并涌出工作面，瓦斯爆炸引起的煤矿灾害。井下瓦斯抽放每年约6亿m3(146个矿井总计)，其中利用的约4亿m3，其它2 200多个矿井，煤层气(瓦斯)直接向大气中排放，年排放量约达100亿m3，既浪费了能源，又污染了环境[1]。煤矿生产过程中，由于煤层气(瓦斯)勘探开发具有能源、煤矿安全生产、环境保护等多重意义，日益受到我国政府和有关工业部门的高度重视。通过三维地震资料的处理，获得地震数据体，并从中提取多种与煤层和围岩裂隙相关的地震属性，利用其相关性，为预测瓦斯富集带提供了一种新的途径。

图1 地震方法预测瓦斯流程图Figure 1 Flow chart of gas prediction

1 理论依据

煤层裂隙的存在使煤储层表现为方位各向异性和双相介质特征[2，6]，为利用地震技术预测煤层气奠定了基础。地震技术不仅能够勘探煤层赋存形态、煤层厚度、断裂展布等构造层面的地质情况，还可对煤层含气性等煤储层物性定性甚至定量预测描述。

地震波在方位各向异性介质中传播后，横波将分裂为偏振方向近乎正交的快横波和慢横波。纵波地震属性随方位角变化而变化，因此通过对快、慢横波的偏振方向与时差以及纵波属性的分析可以确定裂隙的走向与密度，进而预测煤层气富集区。双相介质指地下介质由固体颗粒和流体介质两部分组成，利用地震波在固体颗粒与流体介质的相互作用中传播时将产生快纵波和慢纵波，而慢纵波的固相位移和流相位移反相，使地震波的能量分配发生变化，出现低频共振、高频衰减的地震波场特征[2-3]。

下面利用地震属性的提取、分析进行目的层预测。

煤层构造在密度、速度及其它弹性参量的差异导致了地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面的变化或异常。就瓦斯富集带异常引起地震信息变化的特征，提取这些特征，作为瓦斯富集带识别的依据。

结合晋煤地层设计介质模型，第三层中部为构造煤瓦斯富集区,模型所用参数见表1、图2[2]。

表1 地质模型参数

理论地震记录中，瓦斯富集区煤层反射波表现为波至时间发生延迟，反射波连续性较好的特征[2,4]。

从理论地震剖面中提取多个地震属性，其中构造煤响应灵敏的地震属性分别为反射波主频、振幅、相位及低频带能量，对其进行定量对比分析，它们可作为瓦斯富集区预测的理论依据(横坐标为CDP号，纵坐标为地震属性值)(图2)[2,4]。

图2 地质模型[2]Figure 2 Geological model

在瓦斯富集区域煤层反射波的主频明显降低，煤储层是典型的双相介质，慢纵波的存在使得煤储层中波的能量分配发生了变化，地震波能量向低频方向移动；煤层反射波具有高频能量衰减而低频带能量增强的频率特征。瓦斯富集区域煤层反射波为强振幅，构造煤与煤层顶、底板的波阻抗差异较原生煤更大，故反射能量更强；瓦斯富集区域煤层反射波具有相位相反的相位特征[2,4]。

2 应用实例

2.1 基本概况

本区位于沁北普查区的中北部，区内西南部基岩出露良好。出露地层有二叠系上统上石盒子组上段、石千峰组地，第四系不整合上覆于不同时代的地层之上。

本次勘探的主要目的层为3号、15号煤层。山西组一般含煤1～3层，煤层总厚平均5.50m，含煤系数13%，其中位于本组下部的3号煤层全区稳定可采，其余煤层均为极不稳定不可采煤层。3号煤层位于山西组中部，上距K8砂岩20.63～37.40m，平均29.00m，下距K7砂岩8.97～10.88m，平均10.33m，煤厚3.23～5.85m，平均5.16m，属稳定可采煤层，煤层结构简单。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩。底板为粉砂质泥岩、粉砂岩。是本次勘探的主要目的层。15号煤层：位于太原组一段顶部，上距3号煤层84.84～107.00m，平均92.30m。下距K1砂岩7.76～21.23m，平均15.47m，煤层厚2.10～4.74m，平均3.19m，煤层结构简单，夹矸1～2层，顶板一般为石灰岩，底板为泥岩、含铝泥岩。属较稳定全区可采煤层，也是本次勘探的目的层之一。

2.2 地震地质条件

本区属侵蚀山地，地形高差大，沟谷发育，山高坡陡。浅层岩性横向变化较大，黄土、河床堆积物、坡积物及基岩相间分布。

煤系沉积稳定，主要标志层及煤层特征明显，岩、煤层地质特征及物理特征具有一定的规律，尤其是3号煤层速度低、密度小，厚度大且稳定，与围岩间的波阻抗差异突出，能形成能量强，波形特征明显的连续性好的地震反射波(T3波)，它是本次地震勘探的主要目的波。15号煤层与其围岩之间也存在较大的波阻抗差异，由于本身厚度薄，而3号煤层厚度大，反射系数高，对15号煤层形成的反射波有较强的屏蔽作用，因此，15号煤层所形成的反射波(T15波)能量较弱。

2.3 瓦斯富集带的地震响应

对矿井三维地震资料处理的时间剖面进行分析，发现部分地段时间剖面中煤层反射波时间发生延迟、煤层反射波的主频明显降低，符合煤层反射波在瓦斯富集带的特征(图3、图4)。

2.4 瓦斯预测方法

提取3号煤层反射波的地震属性，在频谱分解的基础上分别提取高频和低频数据的最大能量值进行对瓦斯的解释预测。

图3 煤层底板反射波主频(上左)、低频带能量(上右)煤层底板振幅(下左)、反射波相位(下右)Figure 3 Coal floor reflection dominant frequency (upper left), low-frequency range energy (upper right); coal floor amplitude (lower left), reflection phase (lower right)

图4 主测线120时间剖面Figure 4 In-line 120 time section

通过求取不同频率成分的地震波能量的属性，可由地震资料直接圈定出瓦斯富集区。上述地震波的能量属性主要包括：低频范围内地震波能量的最大值、高频范围内地震波能量的最小值、以及低频范围内地震波能量最小值和高频范围内地震波能量最大值的叠加结果等。通过扫描最大能量分别求取给定的低、高频范围内地震波能量的最小值、最大值来圈定瓦斯富集区(如图5、图6)。

2.5 瓦斯预测成果

通过频谱分析，在低频能量图中选取了高异常值成分，在高频能量图中，我们选取了低异常值成分，最后选取两个成分的叠加结果，形成了本区瓦斯能量相对富集区(图7)。

通过矿方巷道抽取瓦斯得到的数据(表2)，建立纵波速度、横波速度分别与瓦斯含量线性关系。

表2 巷道瓦斯含量及地震属性参数

图5 联络测线484时间剖面Figure 5 Cross line 484 time section

图6 3号煤层低频范围能量图Figure 6 Coal No.3 low-frequency range energy

图7 3号煤层高频范围能量图Figure 7 Coal No.3 high-frequency range energy

图8 3号煤层瓦斯含量富集趋势图Figure 8 Coal No.3 gas content enrichment trend

对瓦斯涌出量与纵波速度回归分析[5]，得出两者间存在负线性关系。

ΔP=-10.039Vp+25.226，R2=0.963.

对瓦斯涌出量与横波速度回归分析[5]，得出两者间存在负线性关系。

ΔP=-6.099Vs+9.583，R2=0.925.

根据矿方抽取瓦斯所测数据得到的瓦斯富集区，与三维地震属性解释的瓦斯富集区吻合。

3 结论

煤体结构破坏瓦斯富集对煤的力学性质及弹性参数有影响，这样利用三维地震及地震属性技术解释煤层构造煤，松散破碎煤，进一步实现煤层瓦斯富集区的预测，对可能的瓦斯突 出点进行预报，为煤矿生产解决了这一重要课题。

[1]魏冬,王宏语.地球物理技术在煤层气勘探中的应用[J].洁净煤技术,2011(05)：52-55.

[2]崔若飞.煤层气(瓦斯)地震勘探技术[R].江苏徐州：中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，2012.

[3]常锁亮.地震纵波技术预测煤层瓦斯富集区的探讨与实践[J].中国煤炭地质,2010,22(8):9-15.

[4]刘最亮.利用地震属性划分瓦斯富集带[J]，中国煤炭地质,2011,23(7):52-55.

[5]汪志军.煤体瓦斯与地震波属性的相关试验[J].煤田地质与勘探2011,39(5):63-68.

[6]杨永波.运用三维地震资料预测瓦斯富集区[J].煤田技术,2009,28(2):140-142.

MineGasEnrichmentAreaPredictionthroughSeismicWaveEnergyAttributes

Li Wenli, Shen Youyi and Yang Xiaodong

(Shanxi Provincial Coal Geological, Geophysical Prospecting, Surveying and Mapping Institute, Jinzhong, Shanxi 030600)

The development of tectonoclastic coal can easily form gas outburst hazardous area, thus to identify tectonoclastic coal hosting range can prevent gas outburst effectively. Based on the geological conditions in the study area, have established tectonoclastic coal development geological model. The result of seismic attribute analysis has shown that tectonoclastic coal can present obvious anomalies in attributes of dominant frequency, low-frequency, amplitude and phase aspects. Taking the coal No.3 in study area as example, on the basis of spectral decomposition picking up different frequency component seismic wave energy attributes have found that seismic wave energy in the CBM (gas) enrichment area have features of larger value within low-frequency range, smaller value within high-frequency range. According to mine roadway gas drainage data have verified the negative correlation between P-, S-wave velocities and gas enrichment.

CBM (gas); seismic attribute; seismic wave energy; seismic wave velocity; tectonoclastic coal

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.12

1674-1803(2017)11-0060-05

A

山西省科技成果转化引导专项项目(201604D121025)

李文利(1973—)，女，山西榆次人，物探工程师，2010年毕业于中国地质大学(北京)函授资源勘查专业，从事地震勘探工作。

2017-08-10

孙常长