陷落柱的地震响应特征及应用.doc

作者对文章发表录用情况说明：本文被地球物理学进展录用，预计明年上半年发表，已经保证不在向外界刊物发表，本文限于内部刊物并不上传相关网络。陷落柱的地震响应特征分析及应用 张玉法1,2, 王大刚2, 崔国华2（1.成都理工大学，成都610000；2.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都610072）摘要：通过分析陷落柱的地质特征和物性特征，进行地震数值模拟，分析其地震响应特征，在实际资料中进行应用。结果表明：从单炮记录上观测陷落柱，主要是考虑陷落柱的下凹特征，需考虑凹界面的曲率与埋深之间的关系。从物性上看，陷落柱内部与外部的物性差异变化为地震资料区分陷落柱建立了基础。在陷落柱上方，地层裂隙发育，引起地震振幅能量弱，具有下凹趋势，在陷落柱的内部，地震波反射波到达时间延迟，能量弱，相位下凹，甚至反射波零乱。在水平切片上，能看到明显的圈状异常。关键词：陷落柱 地震属性 响应特征中图分类号 文献标识码 文章编号Seismic response characteristics of the collapse column analysis and application of ZHANG YU-fa1,2,CUI GUO-hua2,WANG Da-gang2（1.Chengdu University of Technology,Chengdu610000,China; 2.Sichuan Coal Geological Engineering Design & Research Insitute, Chengdu610072,China）Abstract：Base on the collapse column characteristics and physical properties of geological features, seismic response characteristics of the collapse column was analyzed by seismic numerical simulation, a practice data was collected and an collapse column was interpreted according to these characters. The results showed that: the physical properties difference among the upward, internal and surrounding of the collapse column lead to changes in seismic waves. On the top of the Collapse columns, the layers shows slightly or significantly subsidence with informing concave surface, ground fissures. The inner layer of the Collapse columns shows obvious subsidence, and the lower P-wave velocity and density comparing with the surrounding. For a single shot record, we need to consider the relationship between concave curvature and the depth of the interface. If the source is located in the center of the Concave interface, there is rotation wave, if we set shot and receiver to locate at the center of the concave interface, we can clearly see the focus reflection in the single shot record. If the shot, below the concave center, we can see the ordinary reflected wave, while the reflected wave delays. For a stacked seismic data, if there is the collapse column, we can observe the different seismic response characteristics in different locations. On the top of the collapse Column, the energy of seismic waves shows weak, the reflected wave looks Inferior. The inner layer of the collapse Column has a concave features, we can see ring-shaped anomaly in the horizontal slice.Key words：collapse column; seismic attributes; response characteristic.0 引 言在我国煤层开采的历史中，陷落柱对安全生产造成过巨大的经济损失和人员伤亡。而煤炭是我国主体能源，是能源安全的基石。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中一直占70%以上，预计2050年仍将占50%以上.以煤炭为主要能源的局面,在今后相当长的时间内不会有根本性的变化1。煤田陷落柱的存在, 直接威胁煤矿的安全, 因此，及早发现陷落柱的存在并圈定其分布范围，采取相应的防范对策, ,实现煤矿高效生产具有极其重要的意义2。针对煤炭资源开发的特殊性,开展煤田地震勘探,为煤炭的生产提供精细的地质结构预测,是煤炭工业发展的关键和必然趋势313。而煤田地震勘探已经历了十多年的发展, 但构造解释问题特别是高精度的采区构造解释问题仍然是目前面临的主要问题之一1416。因此，只有正确识别和解释陷落柱等构造,才可充分发挥地震勘探的优势和潜力17，为安全高效的煤炭生产提供可靠的地质依据，需要对含有陷落柱异常的含煤地层进行探测分析。目前，常用的探测分析方法有：根据陷落柱容易含水具有低视电阻率的特点采用瞬变电磁等井下物探方法，具有针对性强，施工便捷的（优点）18-21，常用于矿井工作面中；但对于整个采区进行大面积的分析，则急需新的途径。利用地震资料分析陷落柱的空间特征，取得了一定的效果，如彭苏萍等对淮南潘三矿的三维地震资料，采用重新处理解释技术，发现在12318工作面存在一个陷落柱并得到证实；根据陷落柱在地震上的局部特征进行分析，表明在实践中收到了良好的效果。为了进一步改善效果，这里通过地震波运动学和动力学理论，结合大量的工程实际，对陷落柱的地震响应特征进行系统的分析。本文首先分析了陷落柱的空间形态，以及陷落柱在物性上的差异特征；建立了描述陷落柱的地质模型；然后从地震波运动学和动力学的角度分析了陷落柱在地震响应上的特征。给出了在华南某矿的应用实例。1 陷落柱的空间形态特征和物性特征地层在地质构造应力和上部覆盖岩层的重力作用下，地层局部发生坍塌，覆盖在上部的地层也随之陷落，由于这种塌陷呈圆形或不甚规则的椭圆开柱状体，因此这种地质情况叫陷落柱(如图1)。比如，石灰岩地层在地下水的溶蚀作用下，形成空洞，空洞周围的介质在构造力和重力作用下，发生坍塌，形成陷落柱。陷落柱常见于灰岩地层，根据我国和国外的煤层开采报道，陷落柱在含煤地层中也有所发现，尤其是在最近几年，安徽、江苏等华南地区也发现了陷落柱的存在。陷落柱作为一个地质现象，在空间形态和物性上具有自己的特征：内部陷落。1.1陷落柱的空间形态及与断层的异同点陷落柱的空间形态是指其在空间中的形状，按平面形态可分为圆形、椭圆形和不规则形等，实际揭露的陷落柱平面形态多为近似椭圆形)，由于陷落柱空间变化的复杂性，从不同平面查看的形态往往具有一定的变化，其规模大小不等，长短轴一般为几米到数百米。按剖面形态可分为圆锥形、漏斗形、筒状形、斜塔形和不规则形等(如图2-3)，其高差一般为几十米至数百米。图 1 陷落柱平面形态 图 2陷落柱剖面形态Fig. 1 Plane morphology of Collapse column Fig. 2 Section morphology of collapse column陷落柱与断层均为破坏地层的地质现象，针对资源开采及工程施工均产生不良影响，但从空间形态上看，具有明显不同的特点。首先，在平面上，陷落柱为一个近似圆形或者椭圆的形状。而断层为一个狭长的断层带；其次，在剖面上，陷落柱的形状为一个柱状，而断层则为一个断层面；最后，陷落柱内部如果层位完整，与陷落柱周围层位相比，相对下降；总而言之陷落柱为一连续破坏的空间体，断层则为对应错位面。如果层位不完整，常有碎屑物质充填；并且陷落柱周围的层位没有明显的相对位移。对于断层，断层面两侧能观察到相对位移，从而两侧之间具有一定的落差。1.2陷落柱内部、周围的结构及物性差异陷落柱的结构(图3)非常复杂，难以用一种模式描述，但是根据岩石力学和有关的地质研究，陷落柱大体在纵向上可划分为下沉区和塌陷区。下沉区主要是指地层受陷落柱的影响出现下沉的区域，裂隙发育，岩石的速度和密度都降低；塌陷区主要是指发生地层塌陷的区域。在横向上划分为柱外构造带下沉区，它指陷落柱柱顶以上厚度约十几米的岩层向下凹陷区域，其水平方向分布与柱体大小有关，一般为几十米，由下沉欠压实作用，下沉区结构疏松，密度较小速度降低。塌陷区分布于柱顶与溶洞之间，包括柱内冒落岩块的分布区段和环形断层形成的围岩陷落区段。柱内混杂堆积着破碎岩块，岩块间由泥质填充、胶结，块度差异较大，直径或大小可从几厘米到几米甚至几十米。柱内岩性一般比较杂乱，产状不一，极度倾斜；同时，在陷落柱的围岩中，常伴有节理、裂隙、挠曲、小断层等派生构造。根据上述陷落柱的结构分析，可知陷落柱具有明显的物性差异的特点。比如，在陷落柱的上方，具有地层的下沉，地层的速度、密度降低特点。在陷落柱的周围，常发育裂隙、小断层；在陷落柱内部，层位相对完整时，层位相对陷落柱周围层位下降，层位不完整时，陷落柱内部堆积破碎岩块。总之，陷落柱顶部及围岩与陷落柱内部相比，在形态上具有如下特点：(1)在陷落柱的顶部，地层下沉，出现凹状。图 3陷落柱结构图Fig. 3 Structural of collapse column(2)在陷落柱的内部，层位相对围岩陷落。在物性差异上具有如下特点：(1)在陷落柱的顶部，地层裂隙发育，密度和速度降低。(2)在陷落柱的内部，地层塌陷，速度和密度降低最大。在形态上和物性上具有明显不同，这些不同引起地震波的变化，为利用地震反射波法探测陷落柱奠定了物理基础。2 陷落柱的地震响应特征凹界面响应特征对陷落柱的地震响应进行研究，首先需要抽象出陷落柱的地质模型，然后利用地震波传播规律分析陷落柱的响应特征。根据前面的陷落柱分析可知，建立地质模型(图4)：图 4陷落柱模型Fig. 4 Model of collapse column 为了分析问题方便，该模型主要是反映了陷落柱的形态和物性特征，模型宽为1000m,深200m，有九层介质，介质1代表第四纪沉积物，介质2代表基岩介质，介质3、介质5、介质7分别代表煤层，其中介质7代表构造煤的介质特征。介质4、介质6、介质8分别代表煤层的顶底板。介质9为灰岩层。其中陷落柱的形态明显为凹界面。利用地震勘探探测陷落柱的存在，主要是通过地震波运动学和地震波的动力学两个角度进行。2.1陷落柱地震波的运动学响应特征对陷落柱的地质模型进行提炼，从陷落柱模型(图5、6)可以看出，陷落柱在地球物理上可以归结为凹界面的反射问题。因此从模型中抽取单一凹界面，分析其运动学特征。假设该凹界面为三分之一圆形，震源在圆形中心，根据地震波运动学的计算方法，可以看出存在一种特别的反射波（图710），被称为回转波；其特点是反射点与地震记录对应点是沿着圆心对称，同时在倾斜界面处，地震波的走时明显要比回转波来的早。图 5 回转型凹界面及回转波同相轴Fig. 5 double skew notch & reverse branch isopic arbor水平界面水平界面凹界面圆心位置图 6 单个凹界面模型Fig.6 Single double skew notch model实际界面是变化多样的，震源不一定位于圆心位置，因此还需考虑凹界面的曲率与埋深之间的关系，为了进一步体现上述的特征，利用一个凹界面的反射模型，通过改变炮点、检波点来观察凹界面的反射波特点。设置炮点、检波点在回转型的位置，从图中可以明显看到水平界面的反射，还有回转波，也就是来自凹界面的反射，其中，水平界面的反射比凹界面的反射要早。如果设置炮点、检波点的圆心位置，此时凹界面就是聚焦型界面，得到的单炮记录上能清楚的看到凹界面的反射具有聚焦现象。如果把炮点、检波点在凹界面的圆心下面，则能看到普通的反射波现象，同时凹界面的反射出现延迟。在陷落柱的上方（0,450）设置炮点，在近地表（0,0:10:1000）处设置检波点，进行单炮记录的数值模拟，得到记录(图11、12)，单炮记录上直达波，反射波明显，在近零偏移距的位置（图中的红色范围），可以看到明显的反射波延迟。这是陷落柱在单炮记录上的重要识别标志之一。凹界面回转波水平界面反射波水平界面反射波凹界面反射波聚焦图7回转波示意图Fig. 7 reverse save图 8聚焦型界面聚焦波Fig. 8 Center -fed focused save水平界面反射波凹界面反射波延迟图 9平缓型界面反射Fig. 9 Dropoff ie interface echo图 10模型单炮记录Fig. 10 Model gaott saw the record陷落柱图 11叠加剖面Fig. 11 Stacked cross section图12瞬时振幅剖面Fig. 12 Instantaneous amplitude cross section2.2陷落柱地震波的动力学响应特征陷落柱地震波的动力学特征，主要包括地震波的振幅、频率和相位等。根据前面建立的陷落柱地质模型，进行数值模拟，得到地震剖面。其中，强反射代表煤层的反射波射，弱反射代表灰岩层的反射波。在地震剖面上，明显存在一个下凹的反射界面，即形态与地质模型相似（图13、14）。陷落柱陷落柱图 13瞬时相位剖面Fig. 13 Instantaneous phase cross section图 14瞬时频率剖面Fig. 14 Instantaneous frequency cross section对地震剖面进行属性处理，得到瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率三种属性剖面，在各种属性剖面上能明显看出陷落柱的特征。在叠加剖面上，可以看到地震剖面特征与地质模型具有很好的相似性，体现出了陷落柱的下凹特征。在瞬时振幅、瞬时相位属性剖面上，能很好的看到陷落柱的反应，在瞬时频率属性剖面上，能看到陷落柱位置出现频率的降低。3 陷落柱特征的实际应用在华南某矿，主采2#煤层发现陷落柱的发育的迹象，通过对地震资料进行重新的处理，解释，在地震剖面上明显的观察到陷落柱的地震异常。3.1地质异常体在地震数据体上的反映勘探区4d-11孔的东侧，在地震剖面和水平切片上发现一地质异常体，在地震时间剖面和瞬时相位剖面上，地质异常体的空间形态表现为上小下大的锥体（图 155图 7），锥体内地震同相轴不连续，说明锥体内的煤系地层受到破坏，与正常区域相比，椎体内同相轴走时较长，明显具有陷落特征；并且获得了井下的验证，在水平切片上看（18至图 19），地质异常体在切片方向上表现为椭圆形22-23。图 15 地质异常体在地震时间剖面与瞬时相位剖面上的反映Fig. 15 Geological anomalous body in the time of its&The profile of transient phase图 16 地质异常体在瞬时相位属性的剖面反映Fig. 16 Geological anomalous body in a transient phase of its reflect图 17 地质异常体在瞬时频率属性的剖面反映Fig. 17 Geological anomalous body in a transient frequency of its reflect地质异常地质异常图 18 在瞬时相位属性上的切片反映Fig. 18 Slice reflect in a transient phase properties 地质异常地质异常图 19在方差属性上的切片反映Fig. 19 Slice reflect in the partys properties 3.2地质异常体的几何特征地震勘探解释地质异常体的塌陷层位从上到下，依次为：3#煤及下部4#煤、5#煤，塌陷角在6575之间（图20）。地质异常体的长轴为北北西向，短轴为北东东向，在3#煤位置，长轴长98m，短轴长74m；在4#煤处，长轴长139m，短轴长106m；在1#煤处，长轴长185m，短轴长140m。地震解释成果揭露了地质异常后，矿方对该异常位置组织了瞬变电磁、视电阻率和钻探等多种方法，进行井下施工验证，表明该区域符合陷落柱的地质特征。图 20 地质异常体平面位置图Fig. 20 general location map of geological anomalous body4 结论通过分析陷落柱的地质特征和物性特点，分析了陷落柱地震探测的地质基础，建立对应的地质模型，应用地震波数值模拟，获得了陷落柱的地震响应特征，并用实际数据进行了验证。（1）陷落柱的上方、内部、围岩三者之间一般存在比较明显的地质差异和物性特征。这些不同特征引起地震波的变化，为利用地震反射波法探测陷落柱奠定了物理基础。在陷落柱的顶部，地层下沉，出现凹状，地层裂隙发育，密度和速度降低。在陷落柱的内部，层位相对围岩陷落，速度和密度降低最大。（2）通过数值模拟，可以看出在单炮记录上，陷落柱的反射波信息比较复杂，如果把陷落柱形成的界面称为凹界面，则需考虑凹界面的曲率与埋深之间的关系，震源位于陷落凹界面的圆心位置时，存在回转波，如果设置炮点、检波点在凹界面的圆心位置，此时凹界面就是聚焦型界面，得到的单炮记录上能清楚的看到凹界面的反射具有聚焦现象。如果把炮点、检波点在凹界面的圆心下面，则能看到普通的反射波现象，同时凹界面的反射出现延迟。实际界面是变化多样的，因此在单炮记录上要根据实际情况灵活分析。（3）在地震数据的叠加剖面上，如果存在陷落柱，可以在不同的位置上观察其地震响应特征。在陷落柱的上方，地震波的能量比较弱，反射波同相轴虚。在陷落柱的内部，层位具有下凹的特点。在水平切片上，能看到圈状的异常。项目：非基金项目作者简介：张玉法，男，1982年生，安徽省怀远县；本科学位，在读工程硕士，地质工程专业，固体矿产勘查与评价方向；工程师，从事固体矿产勘查等。电话：Email：。参考文献(References):1 于景邨,刘志新,岳建华,刘树才.煤矿深部开采中的地球物理技术现状及展望J. 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