构造煤地震识别方法研究

王瑞杰，马彦良

(1.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750； 2.中煤地质工程总公司，北京 100040)

瓦斯突出现象在煤矿生产掘进过程中较为频繁，已成为影响矿井安全生产的主要因素之一。研究表明，瓦斯突出场与构造煤的发育关系密切。瓦斯突出的地点一般都伴有构造煤的发育[1-2]。构造煤为原生煤在构造应力作用下形成的变形煤，通常对应应力集中区，受煤体破碎影响，构造煤孔隙度较大，渗透性差，有利于瓦斯的保存，导致煤层中瓦斯含量及压力较高加之构造煤相对原生结构煤较软，易被破坏从而造成瓦斯的大量一出，引起瓦斯突出[3]。目前对构造煤的识别方法主要有地球物理测井[4]，地震方位AVO分析[5]，地震属性融合反演[6]，PP、PS联合AVO分析[7]等方法。但以上方法对原始地震资料及测井资料要求较高，如方位AVO需开展分方位处理，地震反演需要有一定数量的井进行控制。鉴于国内部分老井田，测井及相关叠前地震资料无法满足研究需求，本文结合实际矿区的构造煤与原生煤的岩石物理差异，建立原生煤、构造煤正演模型，对其属性差异进行了讨论，以期对构造煤的地震勘探与识别具有一定的帮助。

1 构造煤地震波场特征

依据地震勘探原理，未受到构造应力破坏的原生煤(或岩体)可以简单表述为属均匀层状各向同性的弹性介质，主要弹性特征表现为各层内速度、密度的均一性与同一性；而受到构造应力破坏后形成的构造煤(或构造岩体)受应力场作用而产生定向排列的裂隙或裂缝，表现出等效各向异性性质，即黏-弹性介质[8]。黏弹性介质中不仅存在速度各向异性, 还存在Q值各向异性, 即沿空间各方向波的衰减不同[9]。进而可以推断地震波在层状各向同性弹性介质中传播，其运动学特征、动力学特征(包括频率、振幅、相位、吸收和衰减等)具有均一性与同一性；而地震波在各向异性黏-弹性介质中传播，其运动学特征、动力学特征(尤其是在吸收、衰减频率、振幅、相位、等特征方面)具有非均一性与非同一性。研究其同一性，区分出差异性，这正是本文利用地震反射波特征研究构造煤发育区，进而解释煤与瓦斯突出高危带的地球物理理论基础。

2 正演模型设计

结合淮北某矿的构造煤发育特征，以该矿区构造煤的空间分布为主要参考，建立如图1所示的原生煤—构造煤地质模型。设计模型长2 000m、深1 000m， 构造煤横向上发育在700～1 300m，结合煤

图1 原生煤-构造煤正演地质模型Figure 1 Primary structural coal-tectonoclastic coal forward geologic models

矿钻孔资料煤层的厚度分别设计煤层厚度为10m与3m两个模型。依据该矿区内的测井数据选取弹性参数，设原生煤的纵横波速度比为2，构造煤的纵横波速度比为1.8。结合实际录井资料测井资料，设定新生界地层及煤层顶、底岩性及弹性参数，模型中各层的详细参数见表1。

表1 正演地质模型参数表

3 模拟结果及分析

采用射线追踪原理，依据地震波在黏-弹性介质中传播地震波场吸收衰减理论进行模拟正演。检波器道距10m、地震子波为40Hz雷克子波，通过对上述地质模型进行正演，其成果如图2所示。

对比、分析可见各地层反射界面波场特征明显，当煤厚为10m时原生煤(①部位)与构造煤(②部位)煤层反射波的发育特征发生了较大的变化，构造煤部位表现为同相轴下拉，频率下降等特征明显；当煤厚为3m时，振幅及频率的差异性较小，从剖面上较难识别。进一步提取均方根振幅和吸收系数等属性发现，均方根振幅和吸收系数属性均体现出了原生煤和构造煤差异性，说明构造煤的振幅及吸收衰减异常不受煤层厚度影响(图3)。

a：煤层厚度10m模型；b：煤层厚度3m模型图2 模型正演地震时间剖面Figure 2 Model forward seismic time section

a:10m模型均方根振幅；b：10m模型吸收系数；c：3m模型均方根振幅；d：3m模型吸收系数图3 地震属性剖面Figure 3 Seismic attribute section

a：模型1；b：模型2；c：模型3；d：模型4；e：模型5；f：模型6图4 地震均方根振幅属性Figure 4 Seismic RMS amplitude attributes

模型序号原生煤与构造煤的分布组合形式原生煤与构造煤的厚度变化/m模型序号原生煤与构造煤的分布组合形式原生煤与构造煤的厚度变化/m1原生煤3构造煤72原生煤7构造煤33原生煤5构造煤54构造煤7原生煤35构造煤3原生煤76原生煤4构造煤3原生煤3

对地质模型进行修改，煤层总厚度10m不变，前述模型中各地质分层弹性参数不变， 改变模型中部纵向上的煤层结构，如表2所示，分别进行不同厚度、 不同位置、 不同煤层结构的构造煤模型正演模拟，并提取均方根振幅属性，进行对比(图4)。对比结果表明，只要煤层中发育构造煤，煤层反射波特征属性都要产生改变。且原生煤与构造煤均方根振幅属性的差异随着构造煤厚度减小而减少，反之随着构造煤发育厚度的增大而增大。在构造煤厚度相同的情况下，无论构造煤发育位置位于煤层上部、中部还是下部，对煤层反射波属性值无任何影响。构造煤的属性异常特征与其所处的煤层位置无相关关系。

4 结论

(1)保持具有一定原生结构的煤层与构造煤反射波特征无论在波的运动学特征上，还是在波的动力学特征上都存在一定的差异性。

(2)在煤层垂向结构一致的情况下，构造煤厚度越大，其地震剖面相应特征越明显，但其属性异常不受煤层厚度影响。

(3)双层结构及三层结构煤层正演结果表明，地震属性异常强度与构造煤厚度成正比，与构造煤所在的煤层部位无关。

(4)只要煤层中有构造煤存在，其煤层波的运动学特征、动力学特征都会发生改变，从而造成构造煤与原生煤的属性差异，结合钻孔信息，利用地震属性可以对构造煤进行有效的识别。

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