三维地震波形差异属性分析在预测岩溶裂隙发育带中应用

王瑞杰

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院 )

0 引言

淮北矿业桃园煤矿属典型的石炭二叠纪沉积煤矿，水文地质条件复杂，是典型的水与瓦斯突出“双危”矿井。区内地层出露较少，多为新近系、第四系松散层所覆盖。发育的地层由老到新为青白口系、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、新近系、第四系。

区内含煤10～11层，主采煤层10煤层位于二叠系下统山西组，直接底板为厚10～20m的砂泥岩；其下为厚60～70m太原组灰岩。与太原组灰岩岩溶裂隙发育，富水性强，奥陶系灰岩呈整合接触。奥陶系陷落柱发育，其陷落柱与岩溶裂隙、断层的存在导致10煤层底板突水灾害时有发生，严重影响上覆山西组10煤层的安全生产。通过井下防治水钻探注浆工程虽在一定程度上对太原组灰岩岩溶裂隙发育带导水进行控制，但周期长，成本高，满足不了现阶段煤矿高效、安全生产。

随着采区三维地震属性分析技术的发展，利用地震勘探手段解决水文地质问题成为可能，并广泛得到实践与运用[1-10]。为确保山西组10煤层安全开采，进一步挖掘现有采区高精度三维地震资料的潜力，基于灰岩内部反射各向异性特征，分析太原组灰岩岩溶裂隙发育带分布，并与井下钻探防治水工程相结合，预测太原组灰岩岩溶裂隙发育带，为10煤底板灰岩水害防治及承压水压体上煤层安全开采提供科学依据。

1 预测岩溶裂隙发育带思路

地震属性是指从地震数据中提取的地震波几何形态、运动学特征、动力学特征和统计学特征等属性值。通过在给定的地震数据体上提取属性,即可得到表征构造或异常地质体特征值,进而识别地质构造等信息,或使模糊的地质构造信息变得清晰。

众所周知：煤矿采区三维地震勘探最终用于煤、岩层赋存状态、断裂构造及地质异常体解释的数据体，是经“保真”、“保幅”处理后的叠后(或叠前)偏移数据体。该数据体包含了丰富的岩石弹性特征信息，也即包含了岩石是否具有完整性的弹性特征信息。岩溶裂隙发育带的地震响应特征虽复杂,但同一时期的岩溶裂隙不发育的灰岩具有各向同性的弹性特征(速度与密度的稳定性)，表现在地震波形、振幅、能量等属性特征上，具有同一性特征；而岩溶裂隙发育的灰岩因其具有松散性(致密程度差异)、含水性、填充物的差异等异常，无论在横向上还是纵向上均具有各向异性的弹性特征(速度与密度的差异性)，必然引起地震波运动学和动力学特征的变化，即在地震波形、振幅、能量等属性特征上具有各向差异性。这种差异有利于判断灰岩岩溶裂隙是否发育，根据波形、振幅、能量等属性的稳定性分析，可以达到识别、解释灰岩中岩溶裂隙发育及分布的目的。

在进行地震属性分析时，需要注意一下几点：

①地震数据体必须是经“保真”、“保幅”处理后的数据体。

②属性参数分析时选取大小合适的时窗(一般为15～30ms)，即须保障其有一个完整的波形。

③选择对岩溶裂隙发育带识别贡献率大的地震属性作为分析属性，体现在被分析属性的准确性与代表性，这可通过与已知井下钻探工程成果对比获得。

2 波形差异地震属性

1.1 原理

地震波形差异体属性属地震相似类属性之一，它是计算时窗中心道和指定的相邻道差异系数的数学方法。由于地震波在穿越地质异常体时会出现地震波的散射产生明显差异，能够获得比传统属性分析更清晰的成像，因此多用于描述地质体异常，如陷落柱边界、古河道冲刷边界、岩浆岩侵入边界、煤矿采空区边界、断层的破碎带等。[6]

图1 正交3道波形差异属性计算示意Figure1 A Schematic diagram of orthogonal 3 channel waveform differential attribute computation

地震波形差异属性分析以归一化互相关差异性分析为基础。在三维地震空间中给定的单元内以固定间隔计算一个地震道的波形与其它地震道波形的相似性，即在设定的一个时窗内计算中心道与相邻道之间波形互相关差异系数，估算地震波的衰减。相邻道选择一般采用线性3道，正交3道及正交5道，并将其差异属性值赋予中心道(图1)。属性的值在0(理论上，代表波形无差异)和1(理论上，代表波形完全不同)之间。波形差异分析常采用的算法：几何平均值、算术平均值、最大差异值、最小差异值等。

震波形差异属性分析的成果表现为：在正常地层沉积部位表现为连续/不间断的波形相似层序(岩石完整具有各向同性弹性特征)(图2)，而地质体异常发育部位则表现出波形差异特征(破碎岩石各向异性弹性特征)

图2 正常地层沉积序列地震时间剖面(左)、波形差异属性剖面(右)对比Figure 2 Comparison of normal stratigraphic sedimentary sequence seismic time section (left) and waveform differential attribute section (right)

2.2 波形差异分析三维单元选择

一般参与波形差异比较的道数愈多、时间分析窗口愈大、会因多个反射同相轴的出现，导致计算出的差异特征值有可能仅表现为同相轴的连续性。其平均效应愈大，对地质异常体的分辨率就越低，这时仅可突出大的地质异常，比如大陷落柱、大的岩浆岩侵入区等异常。相反，参与波形差异比较的道数少，适宜的时间分析窗口、平均效应小，就会提高地质异常体的分辨率，对于较小的地质异常体的识别有利。因此要在实际分析中根据地质目的的不同来选择参与计算波形比较的道数及时间分析窗口。

研究成果表明，在利用地震波形差异计算的道数采用正交3道、时间窗口选择煤层反射视周期的1/2～1/3倍为宜[10]。

3 应用实例

桃园矿南三采区位于矿区中部，断裂构造极为发育，区内3#隐伏陷落柱位于采区西南边界。本次分析目标是利用三维地震资料对该采区太原组灰岩顶界面下30m范围内岩溶裂隙发育带进行分析与解释，采区范围示意图如图3所示。

3.1 采区内典型剖面波形差异属性分析

图4，为该采区Inline219典型波形变面积时间剖面。

可见，该地震线所处部位煤系地层反射波发育，基本代表了分析区煤岩层地震波反射特征：新生界底部反射Tq及各煤层反射波：6煤层(T6波)、7煤层(T7b波)、T10层(T10波)信噪比高，连续性强、煤层间波组特征明显、波形稳定，太灰顶界面反射(Tt波)受溶蚀作用的影响，连续性较差，但能对比追踪。

对比该测线波形剖面(图5)可见，在图4、图5中红色框范围代表了6煤层至太灰在分析区域内的地震波形表现特征：即纵向上的连续性及横向上的稳定性、同一性。说明了该部分岩石在纵向上及横向上具有连续沉积岩石特征(即该区域煤岩石具备岩石完整性特征)。但如人工解释剖面中太灰下30m范围内岩溶裂隙发育部位难度较大。

图3 南三采区构造纲要图Figure 3 Structural outline map of S3 winning district

图4 Inline219线地震时间剖面图Figure 4 Inline219 prospecting line seismic time section

图5 Inline219线地震时间剖面Figure 5 Inline219 prospecting line seismic time section

图6 Inline219线地震波形差异属性异常剖面图(蓝色部分)Figure 6 Inline219 prospecting line seismic waveform differential attribute anomaly section (blue part)

图6为Inline219线波形差异属性异常图。对比图4～图6红色框内各属性可见，通过地震波形差异属性分析后，波形差异属性接近0值(红色)，代表岩石完整。说明该部位具有连续的地层沉积特征，在太灰界面下岩溶裂隙较不发育。其它蓝色部位波形差异属性大于0.16值，属岩溶裂隙发育区。

同理，对过采区2#隐伏陷落柱所在部位Inline284线进行波形差异属性分析，地震时间剖面见图7，地震波形差异属性分析成见图8。

对比分析图7、图8可见,波形差异属性成果——太灰顶界面下蓝色异常较为直观地表现出灰岩岩溶裂隙发育区的位置，2#陷落柱发育形态在波形差异属性上反映更为清晰。

剖面上所分析的太灰顶界面下30m岩溶裂隙发育区及2#陷落柱发育部位，已被补10-3、注浆孔——堵1、堵2、堵3、堵4、堵5、堵6、堵7等防治水工作所证实。

图7 Inline289线地震时间剖面图Figure 7 Inline289 prospecting line seismic time section

图8 Inline289线地震波形差异属性异常剖面图(蓝色部分)Figure 8 Inline289 prospecting line seismic waveform differential attribute anomaly section (blue part)

3.2 采区波形差异属性分析

经过上述分析可见，波形差异属性对分析太灰顶界面下灰岩中发育的岩溶裂隙识别具有较大的优势。通过精细参数选择，确定选取3道×3道×10ms计算窗口属性参数对地震数据体进行波形差异属性处理，然后通过24ms属性窗口进行属性层段提取而得到的层段波形差异属性异常分布，以达到分析、研究、划分太灰顶界面下30m内岩溶裂隙发育带的目地。

图9为南三采区波形差异属性识别太灰顶界面下30m内岩溶裂隙发育带成果图。

图9 南三采区波形差异属性异常分布平面分布图Figure 9 S3 winning district waveform differential attribute anomalies distribution plan

经分析表明：南三采区太灰顶界面下30m范围内，除西南部边界外2#陷落柱部位岩溶裂隙发育外，还存在三个岩溶裂隙发育异常带(区)：一是西南1035、1033、1031工作面南部及中部背斜及其两翼异常区(I异常区)；北部7-12孔、S06孔连线附近异常区(II异常区)，北部边界补6-1孔、补6-8孔连线附近异常区(III异常区)区域。但也应该注意：分析区外西南部南五采区北部区域及东南部区域灰岩破碎、岩溶裂隙也极为发育。

2015年5～11月，在开采南三采区1035工作面时，在10煤层底板0.2km2范围内采用30m×30m孔距施工171口进行井下防治水探测注浆孔，平均孔深约95m左右，终孔部位位于奥陶系灰岩顶界面附近。有140个钻孔位于本次分析区内，其中70个钻孔岩溶裂隙发育，另外70个孔岩溶裂隙不发育(或较不发育)，统计发现：

①分析区内70个岩溶裂隙发育探查孔中，有62个探孔终孔位置位于地震波形差异属性特征表现为岩石破碎、岩溶裂隙发育的异常范围内，吻合度达88.6%；

②分析区内70个岩溶裂隙不发育探查孔中，有53个探孔终孔位置位于地震波形差异属性特征表现为岩石完整性较好的范围内，吻合度达75.5%。

4 结论

以岩石弹性特征各向同性(或各向异性)思路为出发点，基于地震波形差异属性处理、提取、分析为手段，对灰岩内部反射进行精细分析研究，分析灰岩的完整性(弹性特性各向同性)及破碎性(弹性特性各向异性)对地震波形差异的影响，继而达到有效的分析、解释岩溶裂隙发育带/区的目的。

[1]崔若飞，陈 萍.模式识别技术在断层解释中的应用[J].物探化探计算技，1994， 16(3).

[2]汪洋，张兴平，唐建益.基于三维地震层面属性解释煤矿小断层的研究[J].煤炭工程，2008(7).

[3]干晓锐，张兴平.煤矿三维地震资料识别复杂地质构造的潜力[J].北京工业职业技术学院学报，2012 ，11( 1).

[4]张兴平.淮北股份有限公司桃园煤矿北八采区三维地震资料精细解释研究报告[R].河北涿州：中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，2011.

[5]陈加林，张兴平.基于地震波形差异属性体精细分析煤矿陷落柱边界及发育高度[J].中国煤炭地质，2012，24(8).

[6]宁建宏，张广忠.陷落柱的地震识别技术及其应用[J].煤田地质与勘探，2005，33(3).

[7]晁剑荣，张文新.隐伏导水岩溶陷落柱的多源信息探查研究[J].中国煤炭地质，2004,16(S1).

[8]张丽红.桃园矿区陷落柱及富水性地球物理识别方法[D]北京：中国矿业大学(北京)，2012.

[9]中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，淮北矿业股份有限公司桃园矿南三采区三维地震数据精细处理解释三维地震勘探报告[R].河北涿州：中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，2014.

[10]张兴平，林建东，唐建益.基于三维地震层间属性高精度识别煤矿陷落柱[J].煤炭科学技术，2008，36(7).