煤矿采空区四维地震特征分析及识别方法：以淮南煤田张集矿区为例

苑 昊，刘佳朋，姜在兴

(1.中国地质大学(北京) 能源学院, 北京 100083;2.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院, 北京 100083)

0 引 言

随着煤层的连续开采，煤矿底下会形成采空区；如果不对采空区进行加固和回填，经过一定时间后，采空区上覆地层则会因重力作用而塌陷，从而导致地面沉降。煤矿采空区塌陷不仅会严重破坏煤矿的岩体结构，严重制约深部煤炭资源的开采，而且容易造成煤矿安全生产事故发生，在生态环境中导致地面塌陷、村庄房屋坍塌裂损、地下水位下降等破坏，给人们生活和生命安全带来隐患。近年来，由于地下煤炭资源的不断挖掘，我国煤矿采空区的数量越来越多，面积也越来越大[1]，煤矿采空区的有效探测是一个亟待解决的地质问题。

自20世纪80年代以来，针对煤矿采空区探测问题，已进行了多种地球物理探测方法研究，如重磁勘探、电法勘探、地震勘探等方法[2]。王芳[3]采用重磁勘探中的欧拉反褶积方法探测煤矿采空区，并获得了良好的应用效果。但是由于该方法计算复杂且具有一定的局限性，从而阻碍了其进一步发展[4]。易兵等[5]利用高密度电法对煤矿采空区探测进行了研究，也取得了一定效果。但是由于电法勘探在准确识别采空区的边界及空间赋存规模方面难以达到地质任务的要求，同时受探测深度的影响，电法勘探的广泛应用受到限制[6-8]。近年来，三维地震勘探技术已广泛应用于煤矿采空区探测，并取得了很多研究成果[9-11]。然而，三维地震探测方法在静态时间地震数据上，只能定性确定采空区位置，无法准确圈定采空区的边界和塌陷范围[1]。为了解决这一问题，笔者提出了一种基于四维地震特征的煤矿采空区识别方法，该方法利用四维地震剖面分析采空区引起的地震特征差异，通过地震解释定量圈定采空区边界。

四维地震勘探是20世纪80年代初期产生、90年代得到迅速发展的一种现代油气藏动态监测方法。它是利用时移前后地震资料的属性差异研究油藏随时间变化的规律，从而实现对油气藏的动态监测，提高采收率[12]。四维地震数据可以揭示油藏地质和工程信息，如流体接触运动，流体流动的障碍和挡板，以及用于填充钻井的旁路油等。因此，利用四维地震数据可优化油藏管理和提高生产效率[13-15]。与油藏开发一样，煤矿采空区从形成到塌落也是一个较长的变化过程，随着地下煤层的不断开采，其地震反射特征也会随之改变。因此，采用四维地震探测方法能够监测地下煤层的变化情况，有助于预防和治理采空塌落引起的地质灾害[1]。本文以淮南煤田张集煤矿为靶区，开展采空区探测方法研究。从模型驱动入手，通过建立煤层动采前后的地质模型并进行正演模拟，利用模型数据处理获得的地震偏移剖面分析采空区引起的地震特征差异，以此指导查明实际煤矿采空区。

1 区域地质概况

淮南煤田位于华北板块南缘，东起郯庐断裂，西至阜阳，北抵明龙山和上窑一带，南止舜耕山和八公山。东西延展平均长约180 km，南北平均宽约20 km，面积约3 600 km2(图1)。淮南煤田呈复向斜形态，轴向 NWW—EW，复向斜两翼低山残丘出露有前震旦系变质岩和震旦系—奥陶系石灰岩。向斜轴部地形平坦开阔，以石炭系、二叠系地层为主，掩盖在新生界松散层之下，地层平缓，倾角一般为5°～20°，由一系列宽缓褶曲组成，自南向北的谢桥古沟向斜、陈桥背斜、潘集背斜为其主要构造单元[16-18]。

图1 淮南煤田张集煤矿区域地质概况[18]

张集煤矿位于淮南矿区的东部、谢桥向斜的北翼，地处陈桥背斜的南东倾伏端，总体形态呈扇形展布。张集煤矿的主要含煤地层为二叠系的上石盒子组和下石盒子组，本文研究的13-1、11-2、8三组主要可采煤层是全区可采的稳定煤层(图2)。三组主要可采煤层平均厚度总计10.50 m。其中，13-1和11-2煤层位于上二叠统的上石盒子组：13-1煤层厚度为0～8.28 m，平均厚度为4.78 m，顶底板以泥岩和砂岩为主;11-2煤层厚度为0.78～3.95 m，平均厚度为2.61 m, 顶底板大多为砂质泥岩。8煤层位于下二叠统的下石盒子组，其煤层厚度为0.60～6.03 m，平均厚度为3.11 m, 顶板岩性主要为砂质泥岩(表1)。

图2 张集煤矿主要可采煤层柱状分布图[19]

表1 张集煤矿主要可采煤层情况统计

2 模型数据

本文的研究从模型数据驱动入手，通过建立与实际情况基本符合的煤层地质-地球物理模型，利用正演模拟获得模型数据处理结果，研究采空区的地震反射特征及其引起的地震特征差异。

2.1 煤层采前地震特征

根据张集煤矿地质构造特征，结合采前煤层的三维地震资料，建立了主采煤层的地质模型并填充相应煤层的地球物理参数。建立的采前煤层地质模型如图3所示。该模型延伸长度为500 m，其中，符号L8表示8号煤层，埋深为440～460 m；符号L11表示11号煤层，埋深为247～255 m；L13表示13号煤层，埋深为185～200 m；F1表示小断层，位于327.5～352.5 m处。基于图3模型的正演模拟数据处理得到的叠前时间偏移剖面如图4所示，其中：符号R13、R11和R8分别为图3中L13、L11和L8的煤层反射波，F1表示断层反射。从图4中可以看到，来自L8、L11和L13三套煤层的反射波能量很强，反射同相轴具有很好的连续性。

图4 基于图3模型的叠前时间偏移剖面 (F1表示图3中的断层反射，R8、 R11和R13分别为图3中L8、 L11和L13煤层的反射波)

2.2 煤层采后地震特征

在图3模型基础上建立的L13煤层采后的地质模型如图5所示。与图3对比可见，图5中部L13煤层及其上覆地层出现了采空区和冒落带。其中，采空区埋深182.5～197.5 m，宽度为60 m，冒落带埋深107.5～182.5 m，宽度为60 m。

图5 L13煤层开采后地质模型 (F1表示断层，L8、L11和L13分别表示L8、L11和L13号煤层)

基于图5地质模型的正演数据处理得到的叠前时间偏移剖面如图6所示，其中，R13、R11和R8分别代表L13、L11和L8煤层的反射波。与图4中地震剖面对比分析可以看出，图6中R13和R11反射波同相轴在CMP 79—98之间，在420～450 ms附近呈明显下凹趋势，而且同相轴的连续性明显变差。同时还可以看到，其反射波同相轴在CMP 79和CMP 98处出现错断，并与两边相邻道煤层反射存在一定时差，呈现出符号Tf所示的类“环状断层”。因此，根据图4和图6偏移剖面地震特征差异，可以确定L13煤层开采区空间位于CMP 79—98之间，时间在420 ms附近。

图6 基于图5模型的叠前时间偏移剖面 (Tf为开采后形成的类“环状断层”，F1为图5中的断层反射，R8、R11和R13分别为图5中L8、L11和L13煤层的反射波)

综上，通过煤层开采前、后模型实验对比分析认为，采空区地震反射特征具有如下特点：

(1)采空区反射波同相轴连续性中断或变差。

(2)采空区煤层顶底板反射波与未采区存在时差，同时伴随同相轴错断，并呈现类似“环状断层”。

(3)开采煤层下部的煤层反射波与采前相比能量变强，且强于未采区反射波能量。

3 应 用

3.1 煤层采前地震特征

图7是从淮南煤田张集煤矿13-1煤层开采前的三维叠前时间偏移数据体中抽取的一张横测线地震剖面，其中，符号T5、T4和T3分别表示13-1、11-2和8煤层的反射波。从图7可见，T5反射波能量很强，反射同相轴能够连续追踪；而T4反射波由于受上覆13-1煤层的屏蔽作用，其能量弱于T5反射波能量。与T5和T4反射波相比，T3反射波能量最弱，同相轴连续性较差。通过地震解释分析，图7测线中没有出现类似于图6中反射同相轴突然中断和“环状断层”等现象。因此，可以断定该测线区域不存在采空区。

图7 13-1煤层开采前的横测线方向的叠前时间偏移剖面 (T3—T5分别为8、11-2和13-1煤层的反射波)

3.2 煤层采后地震特征

图8是从淮南煤田张集煤矿13-1煤层1217工作面开采后的三维叠前时间偏移数据体中抽取的一张横测线剖面，其原始地震数据是在13-1煤层局部开采后经二次三维地震数据采集得到的。该测线位置与图7测线基本重合，但由于第二次地震数据采集使用的观测系统方位角与第一次地震采集观测系统相差8°，因此，两张剖面之间整体存在一些微小的差别，但不会影响采空区识别。

图8 13-1煤层开采后横测线方向的叠前时间偏移剖面 (Tf为开采后形成的类“环状断层”，T3—T5分别为8、11-2和13-1煤层的反射波)

图8中T5、T4和T3分别代表13-1、11-2和8煤层反射波。与图7对比分析可见，图8中CMP 52—110之间的T5反射波能量明显变弱，其同相轴的连续性明显变差，CMP 52和CMP 110两点的T5反射波同相轴在480 ms处有明显错断，且出现了与图6模型数据类似的 “环状断层”。同时还可以看到，图8中13-1煤层上覆岩体反射同相轴呈下弯状。此外，图8中的T4反射波较之前能量变强，同相轴连续性变好，T3反射波同相轴则无明显变化。根据钻孔资料分析认为：13-1煤层开采前，其顶底板之间物性差异较大，对下部11-2煤层的反射波具有屏蔽作用，从而导致T4反射波能量较弱；当13-1煤层开采后，由于反射界面之间的物性差异变小，屏蔽作用减弱，从而使T4反射波的能量变强。

通过上述地震解释分析认为，实际数据中13-1煤层开采前后的地震特征符合模型数据中煤层开采前后的地震特征变化规律。其中，实际数据中因13-1煤层开采引起的T5反射波特征变化反映了煤层的开采区域，类似“环状断层”反映了采空区的边界。因此，可以判定13-1煤层采空区空间位于剖面中CMP 52—110之间，时间位于480 ms附近。

4 结 论

本文提出了一种基于四维地震探测的采空区识别方法。该方法通过建立有、无采空区地质模型，并分别进行正演模拟和叠前偏移处理，利用模型地震偏移剖面分析采空区引起的时移地震反射特征差异。通过模型数据对比分析得出，采空区反射波同相轴连续性变差，采空区边界存在同相轴错断现象，并表现为类“环状断层”。张集煤矿实际四维地震数据煤层解释结果显示，利用模型采空区表现的地震特征能够识别煤层采空区域，并能定量圈定采空区的边界。模型数据和实际数据应用结果表明，本文提出的四维地震探测采空区方法能够有效识别煤矿采空区，圈定采空区的范围，从而为煤矿后续开采提供帮助。