地震属性参数在煤层厚度预测中的应用对比

冯跃封

（河南省煤田地质局 地质二队，河南 洛阳 471023）

0 前言

煤矿井下瓦斯抽排、矿注浆堵水和大型、超大型煤矿井建设，对煤田地质勘查工作提出了许多新的更高的要求。煤田高分辨率三维地震勘探，通过地下空间三维数据体数据的采集和处理，不仅可以探明采区内的细微构造，还可提供下赋煤层厚度变化的相关信息［1］。

通常情况下，采区煤层厚度是由钻孔资料对比、内插的方法获得的［2］，但在钻孔稀少或钻孔煤层资料缺失的地区，仅靠少数钻孔资料来确定采取煤炭储量说服力就明显不足。因此，确定煤矿采区内煤层厚度，就显得尤为重要。通过对三维地震勘探中采集到的煤层参数的分析，来判断采区煤层厚度的变化趋势，这为煤矿矿井设计提供了科学依据［3］。

1 煤层厚度研究现状

根据几何地震学原理，利用时距曲线将某个层或段的双程旅行时间，转换为厚度数据来判断大套地层的厚度，长期以来一直在煤田地震勘探中普遍使用［4］，但对厚度小于10m （一般为1.0m～6.0m）的煤层来说，由于在顶底板位置形成的地震反射波表现为复合波，从而为煤层厚度的判断造成困难。

为解决薄煤层地区通过三维地震采集数据分析来判断煤层厚度的问题，不少学者从理论上讨论了煤层反射波的形成机制，提出了多种煤层厚度的解释方法，利用地震波的波形、振幅与频率的的变化来研究判断煤层厚度的变化，为通过煤层地震属性参数变化进行厚度定量的预测，提供了理论依据［5］。利用地震属性参数研究煤层厚度的方法主要包括振幅法、直接反演法和统计分析法三种。特别是随着计算机技术的普遍应用，使薄层煤厚度预测成为可能，较好地满足了煤矿生产对煤层厚度精确判断的要求。

2 煤层厚度地震属性预测

煤层构造或岩性的变化，导致了地震波在煤层中的传播时间、振幅、相位、频率等方面发生变化［6］。在地震剖面上可以清楚地看到：厚度变化较大的煤层，地震波同相轴的走势、振幅和相位变化明显，但频率域的变化却难以直观地分析。因此，用常规人工解释方法来判断煤层厚度的变化，效果很不理想。通过对煤层厚度变化引起的地震属性变化规律的研究，建立煤层地震参数变化与煤层厚度之间的统计关系，就可以直接利用地震属性参数来预测煤层厚度的变化［7］。

由于煤层厚度变化会引起煤层物理力学性质的变化，而这些变化必然引起地震时间剖面上反射波组的振幅、相位和频率的变化。因此，可以根据煤层这些物性的变化来提取煤层的时间域反射波能量、最大振幅值，频率域的主频、频宽等地震属性参数，从而对煤层的厚度进行预测。

2.1 振幅谱平方比法

设已知厚度与未知厚度的煤层反射波振幅谱分别为A0（f）、A（f），可得：

式中 A（f）为反射波振幅谱；B（f）为地震子波振幅频谱；ω为入射波圆频率；K1、K2为反射系数。

令：

将式（1）代入式（2）得式（3）。

式中 P为反射系数参量，且

根据式（3），应用反余弦函数可得到第一周期内的τ值：

由τ即可求得煤层厚度h＝Vτ／2（因为0≤ωτ≤π，所以式（5）的应用条件是f≤1／2τ，即h≤λ／4）。

2.2 振幅谱比法

根据简化公式（1）得：

子波的振幅谱可通过反射记录的自相关求取，根据地震道可得：

令：C＝4πk／（1－K2）υ2。

由式（7）得式（8）。

若某地震道煤层厚度已知（如过井道），由式（8）可得式（9）。

由此可得该地震道的煤层厚度为式（10）。

2.3 谱矩法

设某采区煤层厚度为H、纵波的速度为V、顶底板反射系数绝对值为R，则纵波在煤层中双程传播的时间t＝2 H／V。当地震子波b（x，t）入射到煤层时，煤层反射波s（x，t）为式（11）。

式中 h（t）为煤层的脉冲响应。对于薄煤层，在近似一阶条件下，式（11）可变为式（12）。

地震子波b（x，t）可通过理论估算、地震道自相关和同态系统估算等方法求取。

对式（12）两边取傅氏变换、积分，得式（13）。

通过钻孔附近地震道数可标定参数C，根据勘探区内第i个钻孔附近煤层厚度，可求得煤层反射波频谱积分At与地震子波的一阶频谱Dt。

3 煤层厚度预测方法对比

根据上述理论和方法，我们编制了相应的程序，以方便广大技术人员使用。该系统采用当今流行的VB开发环境，运行于Windows操作系统下，主要运用了地震子波的自相关法、对数统计法，综合分析三维地震中获得的地质信息对煤层厚度进行预测。下面以山东某煤矿三维地震资料为例进行分析。

3.1 不同预测方法

依据钻孔标定煤层厚度数据，分别采用振幅谱平方比法、振幅谱比法和谱矩法进行对比，结果如表1所示。从表1可以看出，采用谱矩法，预测出的煤层厚度与实际煤层厚度的绝对误差和相对误差浮动最小，算法最稳定。利用开发的软件，求取煤层的厚度曲线如图1所示。

由以上分析可知，谱矩法和振幅谱比法对煤层厚度的预测结果较为一致，谱矩法预测结果与钻孔标定煤层厚度更加接近。

3.2 预测结果验证

从山东某煤矿三维地震资料中提取地震子波，采用谱矩法对矿区煤层厚度进行预测，选择25Hz～50Hz的频率区间，逐道计算煤层厚度，对照采区内钻孔煤层资料，预测结果与揭露煤层厚度基本吻合（见表2）。

表1 煤层厚度预测方法对比Tab.1 The comparison of the prediction method of coal seam thickness

图1 不同方法预测煤层厚度曲线（121线）Fig.1 Curves of coal seam thickness predicted by different methods

表2 煤层实际厚度与预测厚度对比Tab.2 The comparison of coal seam thickness predicted by different methods

4 结论

（1）谱矩法预测煤层厚度精度：①对厚度在4m～10m的煤层预测效果好；②随着煤层厚度的增加，预测误差相对越大；③谱矩法预测煤厚，应多标定常数C值；④振幅谱预测煤层厚度应经过滤波设置；⑤振幅谱平方比法预测煤层厚度，预测范围较大，但精度有限。

（2）作者开发的煤层厚度预测软件，利用地震属性参数，借助计算机对煤层厚度进行测算，精度高，操作简单。

［1］蔡军.谱矩法预测煤层厚度的应用［J］.内江科技，2008（11）：124.

［2］董守华，许永忠.地震资料谱矩法反演煤层厚度［J］.辽宁工程技术大学学报，2005，24（1）：38－40.

［3］张恩珂，柏冠军，郑中刚.地震资料频率域预测煤层厚度方法研究及应用［J］.山东科技大学学报：自然科学版，2005（12）：59－62.

［4］徐衍和，李东会.煤田地震资料横向预测技术［J］.勘察科学技术，2006（6）：35－38.

［5］张玉峰，夏玲燕.3D地震资料煤层厚度变化规律的研究［J］.山西师范大学学报：自然科学版，2008（03）：89－91.

［6］蒋贤东，柏冠军.地震资料定量预测煤层厚度谱矩法及其应用［J］.能源技术与管理，2005（6）：26－28.

［7］董守华，马彦良，周明.煤层厚度与振幅、频率地震属性的正演模拟［J］.中国矿业大学学报，2004（01）：29－32.