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基于三维地震解释的矿井工作面小断层识别技术

2025-07-07 68 上传者：管理员

摘要：小断层具有落差小、结构复杂、不易探查等特征，给煤矿安全高效生产增加了隐蔽致灾风险，目前三维地震技术的发展为小断层的探测提供了一种便捷的手段。文章以潞安矿区古城煤矿为研究区，阐述了地面三维地震数据正演原理，分析了地震主频、信噪比和相干属性等参数对三维地震探测精度的影响。研究表明，4阶NAD模拟方法有利于压制数值频散，增大地震主频和信噪比可提高小断层的分辨率。地震解释成果在矿井工作面构建出小断层空间分布的三维地质模型，与揭露的两条正断层具有较高的吻合度，验证了本技术在小断层识别方面的有效性。

关键词：
三维地震
信噪比
地震主频
小断层识别
潞安矿区
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煤层中的小断层一般指落差小于5~20m的断裂构造[1-2]｡小断层的发育导致矿井内地层应力分布不均,增加了矿井坍塌､瓦斯突出等安全事故的风险｡另一方面,小断层导致煤层不连续,影响煤炭资源的回收率｡此外,小断层的赋存也会改变矿井的地质结构,影响矿井的稳定性,增加维护成本｡

探明煤矿井下工作面的隐伏构造对煤炭安全生产具有重要意义｡地球物理探测技术,如无线电波透视[3]､槽波[4]､瞬变电磁[5]､高密度电法[6]和综合法[7]等已成为隐伏构造超前探测的重要手段｡由于小断层规模小､结构复杂,加之传统地质探测技术的限制,给小断层的探测增加了难度｡

近年来,随着三维地震技术的不断发展,其在煤矿小断层的识别和探测方面表现出显著的优势[8-9]｡首先,三维地震技术能够提供更高分辨率的图像,从而更精确地识别小断层｡高密度三维地震勘探方法通过减小共深度点(CDP,common-depth-point)的采样间隔,并利用全数字检波器来捕捉地震波,可有效增强煤层反射信号的信噪比,提升对细小地质结构的识别能力｡其次,该技术具有较强的抗干扰能力,可有效压制干扰波,提高地震资料的信噪比和纵向分辨率｡另外,三维地震技术能够全方位观测地震波场,这有利于小型地质目标体的成像,增强了识别小断层等构造的能力和可靠性｡同时,三维地震技术可以快速覆盖大面积区域,提高勘探效率,有利于减少勘探时间和成本｡

三维地震技术能够提供地层物性参数(如速度､密度)的高精度反演,从而获得高分辨率地质构造的空间立体特征,为构建三维地质模型提供精确数据支撑[10]｡通过多源数据融合,将三维地震数据与钻探､测井和物探数据等相结合,可提升对异常体的判识能力,实现矿井地质条件的透明化[11]｡本研究以古城矿为例,介绍了三维地震数据在矿井工作面小断层识别方面的应用｡

1、研究区概况

古城矿井田内大部分被新生界黄土所覆盖,仅西南端及西部沟谷内零星出露二叠系上统上石盒子组､石千峰组地层｡井田总体上为向西倾斜的单斜构造,其平均倾角为4°,宽缓褶曲发育较为普遍｡在断层附近,地层倾角可达到25°｡山西组3号煤层为矿井主采煤层,煤层标高-100~+500m.煤层平均厚度6.28m,变化较小｡主采煤层为低灰-中灰､特低硫-低硫､高热值-特高热值贫煤､无烟煤,矿井绝对瓦斯涌出量为243m3/min,掘进最大绝对瓦斯涌出量为6m3/min,均达到高瓦斯矿井水平｡井田内主要含水层为第四系砂砾石孔隙含水层､基岩风化带裂隙含水层､二叠系砂岩裂隙含水层､石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层､奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层｡3号煤层顶板砂岩含水层以各种粒度砂岩为主,砂体平均厚约5.86m,下距3号煤层8m左右,富水性弱,是3号煤层顶板直接充水含水层｡

井田内断层较多,据探测和已揭露信息,落差大于等于20m的断层29条,落差大于等于5m小于20m的断层46条,落差小于5m的断层25条｡总体而言,落差不超过20m的小断层数量占比达71%.

2、三维地震数据正演原理

三维地震探测断层构造的工作原理是基于地震波在地下介质中的传播特性｡当人工激发地震波于地下传播时,会遇到不同弹性和密度的地层界面而产生反射和折射现象,这些地震波被地表的检波器接收记录,通过对地震波信号的处理和解释,从而推断地下岩层和构造的性质和形态｡针对本井田发育复杂构造具有干扰强､影响因素多的特点,需采用异于常规的地震数据处理方法与手段,对构造和煤层进行精细识别｡

地震正演模拟技术通过地震波场的典型构造分析,揭示地质结构的地震波分布､动态和动力学特性｡该技术基于三维一阶速度-应力波动方程,通过有限差分方法在三维空间和时间维度上模拟一阶速度-应力弹性波变化特征｡由于地震波的频率和传播速度不同,经过一定时间的传播,波形会发生扭曲,导致在数值模拟过程中出现物理频散｡另外,频散现象还可能因为波动方程求解过程中的网格划分而产生｡这种网格划分会对波速造成影响,进而导致频率的变动,其影响程度与网格划分的精细度及所选的差分算法紧密相关｡在网格划分一致的情况下,选择恰当的差分算法能够有效降低数值频散现象,从而增强模拟过程的稳定性[12]｡图1是单界面模型不同方法数值模拟的波场快照,可见在压制数值频散方面,4阶近似解析离散法(NAD)比Lax-Wendroff修正法(LWC)更具优势,能有效压制数值频散｡

图1两种方法模拟单界面模型的波场快照

3、小构造识别的地震正演影响因素

3.1地震主频

地震正演模拟的主频配置对小构造的辨识能力有着明显作用,这一点反映在垂直和水平分辨率的不同表现中｡例如,构建的正演模型中(图2),在煤层横向200m､500m和800m处设有落差为3m､2m和5m的小断层｡其中,第四系覆盖层､煤层上覆泥岩层､煤层以及底板砂岩的纵波速度分别为1800m/s､2800m/s､1600m/s和3400m/s.选定的地震波主频为25Hz､35Hz､45Hz､50Hz和65Hz,以此来提取目标地层的相关属性｡根据相干性系数在不同频率下的表现,当地震波频率处于25~35Hz范围内时,对于3~5m落差的小断层,相干性系数识别效果不佳;而当频率提升至45~65Hz区间时,3~5m落差的小断层在地震属性图中的识别变得清晰可见｡由此可知,随着地震波主频的提高,对小断层的识别精度也随之增强

图2主频为50Hz时的煤层反射波相干系数曲线及地震时间剖面

3.2地震信噪比

信噪比(S/N),即信号与噪声平均功率的比值,是衡量地震数据质量的关键指标｡选取S/N值分别为1､2､3､4､5,探究不同信噪比条件下,煤层反射波在特定CDP41､101和161处小断层的地震波响应特征｡结果显示,当信噪比低于3时,地震剖面受到较强噪声干扰,导致难以准确定位小断层｡当信噪比提高至4或更高时,地震剖面中的有效信号得到增强,噪声干扰相应减弱｡在此条件下,小断层在相干属性方面表现出明显的异常,从而可以准确识别小断层的位置｡随着信噪比的进一步提高,相干属性上的异常反映也随之增强｡当地震剖面完全消除噪声干扰时,小断层在相干属性上的反映变得极为清晰,甚至能够识别出落差仅为2m的小断层｡可见,增大信噪比对于提高地震数据的分辨率和准确性具有至关重要的作用｡

3.3相干系数

在断层落差达到3m和5m时,煤层的反射波在同相轴上会出现明显的形变或断裂,这使得相干系数出现显著的异常｡相比之下,在2m落差断层区域,煤层反射波的同相轴不易被观测,其相干系数也相对较低｡总体上,随着断层落差的增加,小断层的垂直分辨率得到提升,这导致相干系数的异常程度也随之增加[12]｡

4、工作面小断层地质建模

4.1地震数据处理

古城煤矿地表覆盖有较厚的黄土层,地势相对平坦,但局部的工业设施､道路和居民区对地震数据收集造成了干扰｡为解决复杂地质构造区域三维地震数据的处理难题,采用高精度的地表静态校正技术､预堆叠噪声抑制､振幅补偿以及预堆叠时间偏移等方法提升数据质量｡针对信噪比较低的问题,采用多种频率域和多种去噪技术来提取有效的反射波信息｡预堆叠时间偏移处理的关键在于确定准确的均方根速度模型｡与传统方法不同,预堆叠时间偏移技术不假设输入数据在零炮检距下,从而避免了正常时差校正叠加可能产生的畸变｡因此,这种方法得到的预堆叠偏移剖面比传统的后堆叠时间偏移剖面具有更高的成像精度,能够更清晰地描绘地质特征｡

4.2三维地质建模

以N2301工作面为例,首先依据前期地震解释得到的断层数据建立断层初始面,然后收集地质报告内各个断层的相关性质,再利用断面编辑修改断面形态,合理处理断层之间的相互关系,最终建立断层模型｡为进一步了解断层对工作面的影响,根据巷道实际揭露的断层情况,找出断层与煤层的交切处,确定交切处煤层上下两层的岩性变化及厚度,据此绘制出工作面推进不同距离的剖面图,见图3.

图3井田N2301工作面切面图

工作面揭露WF25､THF15两条正断层｡从剖面图中可以看出,WF25断层断距较大,断层切割煤层,煤层在断层上下盘发生错动,断层两侧岩性出现变化,有部分泥岩产出,但断距均小于煤层上部泥岩和煤层下部泥岩层厚,煤层未切穿泥岩｡THF15断层断距较小,断层处的煤层错动距离较小,该处煤层连续性较好｡总体而言,煤层整体厚度发育较为均匀,无大断层通过,地层起伏较小｡基于三维地震数据的正演识别出的小断层构造,为工作面安全生产和风险管控提供了重要信息｡

5、结语

1)通过地面三维地震数据的正演,结合三维地质建模技术,能够精细识别煤矿工作面小断层构造,精度可达2~5m.

2)三维地震探测小断层精细识别的敏感性参数指标主要有地震主频､信噪比和相干属性等,这几个因素均与小断层探测精度呈正相关｡

3)本技术在矿井N2301工作面小断层识别中具有良好的应用效果,开采过程揭露的WF25､THF15两条正断层得到验证｡

参考文献:

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[4]王季,叶红星,张广忠,等.煤矿反射槽波探测技术研究评述[J].煤田地质与勘探,2023,51(2):292-300.

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[6]董江鑫,王飞.地质雷达和高密度电法联合探测底板含水性的应用[J].煤炭科学技术,2022,50(5):222-231.

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