综合物探技术对不同类型煤层缺失的识别

罗任植，王 辉，乔 会，武 浩

(陕西省煤田物探测绘有限公司 物探研究院，陕西 西安 710005)

0 引言

在煤矿的开采过程中，如果遇到一定范围的煤层缺失情况，不仅会导致可采煤层的储量减少，而且还会在矿井设计、采区划分、井巷施工以及资源的储量方面都会受到很大的不利影响。在开采过程中如果发现并揭露未知的缺失范围，如小窑采空区、陷落柱等，其影响往往是未知数，煤矿需要及时组织物力、财力、人力，以尽快寻找到赋存完好的煤层、恢复生产。因此，准确预测煤层缺失范围对煤矿具有重要意义。

煤层缺失的原因很多，常见的有煤层沉积变薄缺失、古河流冲刷煤层缺失、采空区及巷道导致的煤层缺失、陷落柱等地质构造导致的煤层缺失等。地震波中含有丰富的地质信息，地层构造、煤层厚度变薄、煤层缺失等均会引起地震波的变化，其变化主要包括密度、速度及其它弹性参量的差异，这些差异导致地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面的变化。通过地震时间剖面的分析以及在地震波中提取地震属性参数的方法，可以获得煤层缺失范围的信息。

1 煤层厚度变化引起的变薄缺失

1.1 基底构造对煤层缺失的控制

在很多情况下，基底构造(或古地貌)对煤层的沉积控制非常明显。由于地壳下沉幅度的不均衡，因而导致含煤地层及煤层沉积厚度的差异。同一聚煤区内，下降幅度大，沉积厚度大；下降幅度小，沉积厚度亦小。煤层的起伏形态在地震资料中一般都会明显地体现出来，根据时间剖面的起伏变化即能较容易的获得。煤层沉积缺失不仅仅是因基底起伏控制，在不同时期、不同地区所缺失的原因有很多，煤层缺失后强波阻抗界面减弱或消失，在时间剖面上，一组特征明显的煤层反射波在局部范围内出现不规则、不连续、能量逐渐变弱或逐渐消失，并且连续没有变化，这往往是煤层视缺失的表现，地震所确定的视缺失边界被认为是煤层不可采的分界点。

1.2 古河道冲刷带煤层缺失

煤层冲刷带一般是指水流对泥炭层或煤层的冲蚀，并通常由砂质沉积物充填而成的地质体，简称冲刷带。冲刷带是一种常见的矿井地质现象，是影响煤矿综采生产的重要地质因素。煤层冲刷缺失和沉积缺失不同，冲刷带往往对应着煤层厚度断崖式的变薄或缺失，在地震时间剖面上出现与断层类似的情况，但在上下部地层却无明显的断层通道，且由于冲刷带的范围有限，往往会在一段距离后对应的煤层反射波再次出现或明显的变强，两者的反映如图1和图2所示。

图1 某区各煤层地震反射波对煤层视缺失区的反映Fig.1 The reflection of the seismic reflection waves of each coal seam in a certain area on the apparent missing area of the coal seam

图2 某区煤层冲刷带在地震反射波对煤层视缺失区的反映Fig.2 The reflection of the coal seam scour zone in the seismic reflection wave to the apparent missing area of the coal seam in a certain area

2 采空区及巷道煤层缺失

2.1 地震勘探对采空区和巷道的解释

煤层采空后，其上覆岩石失去支撑而导致平衡破坏，应力重新分布，使上覆岩体产生变形、位移和破坏，并当采空区达到一定范围后，将形成地表塌陷和地裂缝，但有些采空区能形成裂隙带等构造，因而不同的采空区在地震剖面及属性上表现也不同，在采空区往往会表现出有别于正常煤层地震波表征的煤层反射波场特征。

在部分采空区上部地层在重力作用下发生变形或断裂塌陷，造成煤层上区域的速度异常，且对下部地层造成一定屏蔽作用，在地震剖面上体现出从上到下的地震波形弯曲扭动、破碎的特征，与煤层赋存缺失和构造异常有着明显的区别，这是解释采空区的重要标准。与采空区不同的是，巷道由于其范围有限，上部地层往往不能形成如采空区造成的大面积冒落、变形等现象，但其在频率域或地震属性上往往体现较为明显，某区巷道在地震45 Hz频谱部面上的反映如图3所示。

图3 某区巷道在地震45 Hz频谱剖面上的反映Fig.3 Reflection of roadway in a certain area on the seismic 45 Hz frequency spectrum

2.2 电法资料对采空区的解释

采空区形成之后不仅仅会造成地层的弹性性质变化，也会改变地层电性性质。采空区形成后如果产生积水，则会形成低视电阻率异常，如果无积水则会形成高视电阻率异常。由于受目前技术手段和技术水平的限制，所获得的各种原始信息及经过处理的探测成果数据资料等均存在一定的局限性或片面性，特别是电磁法勘探成果还存在一定的多解性。但从地质规律而言，这些资料信息均存在着一定的内在联系。在电磁法资料解释的基础上，结合地震资料为约束条件，得出符合地质规律的解释结果。

在等视电阻率断面图中，正常情况下在没有大的构造、富水区域分布、不受含导水构造控制的情况下，视电阻率值呈现横向变化小、垂向似层状分布特点；相反，如果地层中有大的断层、陷落柱、褶皱构造分布，或富水区分布及含、导水构造控制的情况下，断面图上电阻率等值线则表现为扭曲、圈闭、变形或密集条带状分布等。如果视电阻率断面图中出现的异常对应在地震资料中也出现了构造变化，那就大大的增加了成果的可靠性。

在同一地质时期，沉积地层的同一岩性层位，视电阻率值相同，而在裂隙发育的砂岩、石灰岩相对含水时，视电阻率值会降低，以此为理论依据，来寻找含水层中的相对低视电阻率异常，从而确定相对富水异常区。

采空区的含水是影响其电性变化的最重要因素，若是积水性采空区，则视电阻率值小于正常围岩，在平面图上呈现为低阻等值线扭曲特征；若是未积水的干采空区，则在平面图上呈现为高阻等值线扭曲特征，如图4所示。

图4 某区无积水采空区在视电阻率平面图中的高阻体现Fig.4 The high resistance in the apparent resistivity plan of the goaf without water accumulation in a certain area

3 陷落柱及破碎带煤层缺失

陷落柱是在一定的地质条件下，在漫长的历史时期中，可溶岩性岩层溶蚀形成空洞，且上覆地层向下塌落而形成的一种特殊地质构造，其空间形态不规整，大小不一，高低各异，隐蔽性强，在煤矿开采中，有可能成为导水通道，对煤矿生产的安全危害十分巨大。

地层在地质构造应力作用下，或在陷落柱附近，发生破碎形变。这种破碎在平面上往往呈圆形或不甚规则的椭圆形状，将这种地质情况解释为煤层应力破碎带。

破碎区与断层均为破坏地层的地质现象，但从空间形态上看，具有明显不同的特点。由于煤层的破碎缺失，导致强波阻抗界面消失，所以往往表现出破碎区在时间剖面上的具体反射波缺失或破碎不连续的特征，但其两端在时间上没有明显的落差，在上下地层上无断面。在平面上，陷落柱及破碎区为一个近似圆形或者椭圆的形状，为一连续破坏的空间体，并位于断层附近或四周。通过对比时间剖面中破碎区的位置，可以准确得出破碎区的位置，由此可以说明，时间剖面上异常带的位置和大小可以直观地反映破碎区的位置和大小。

对破碎区的解释主要以时间剖面解释为主，其次，结合各种属性技术对破碎区的位置以及大小进行精细的标定，与断层不同的是，破碎区在属性平面图上呈圆形或椭圆的形状，这是破碎区解释的重要依据。煤层破碎区在地震振幅属性平面图上的反映，如图5所示。

图5 某区煤层破碎带在地震振幅属性平面图上的反映Fig.5 The reflection of the coal seam fractured zone on the seismic amplitude attribute plane map in a certain area

4 结论

地震波中含有丰富的地质信息，地层构造、煤层厚度变薄、煤层缺失等均会引起地震波的变化，包括密度、速度及其它弹性参量的差异，这些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。通过地震时间剖面的分析以及在地震波中提取地震属性参数的方法，可以获得煤层缺失范围的信息。除了弹性性质的变化，煤层因构造和采空等原因造成的缺失会造成地层电性性质的变化，视电阻率的变化能在一定程度上反映地层变化情况。利用综合物探技术，将地震资料与电法资料相结合，增加约束条件，减少其多解性，可以大大提高物探解释成果的可靠性。