基于频率差异技术识别澄合矿区奥陶系灰岩溶洞

马 丽 许德才 冯西会 唐文榜

(1. 国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西省西安市，710026；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西省西安市，710005；3.北京软岛科技有限公司，北京市海淀区，100083)



★ 煤炭科技·地质与勘探★

基于频率差异技术识别澄合矿区奥陶系灰岩溶洞

马 丽1,2许德才1,2冯西会1,2唐文榜3

(1. 国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西省西安市，710026；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西省西安市，710005；3.北京软岛科技有限公司，北京市海淀区，100083)

澄合矿区的煤炭资源开采面临奥陶系灰岩岩溶水突出的威胁，以三维地震勘探数据为基础，对比了不同频率、不同厚度的煤层与不同频率、不同规模的溶洞的复合反射系数，分别采用相位剖面和大于80 Hz的高频谐波振幅属性解释了奥陶系灰岩风化界面和奥陶系灰岩溶洞，得到了西卓煤矿三维地震勘探区内溶洞的平面分布，为煤矿安全生产提供了一定的地质依据。

三维地震勘探 频率差异技术 振幅属性 奥陶系灰岩溶洞 澄合矿区

渭北煤田澄合矿区位于鄂尔多斯盆地的东南缘，矿区含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，主要可采煤层为5#煤层，厚度为4～5 m，赋存于山西组底部。局部可采煤层4层，分别为山西组的3#、4#煤层和太原组的6#、10#煤层，煤系基底为中下奥陶统灰岩。矿区主要含水层有第四系松散岩类孔隙含水层组，石炭、二叠系砂岩层裂隙承压含水层组和灰岩岩溶裂隙水含水岩组3类。前两类含水层受矿区地理位置与地层沉积条件的影响，含水性、透水性均不良，水力联系较差，为次要影响因素；第三类含水层为目前矿区煤炭资源开采面临的主要含水层。澄合矿区奥陶系灰岩(以下简称奥灰岩)顶面到5#煤层底板间距为16～27 m，矿区奥灰岩静止水位标高为+370～+380 m，目前主要可采煤层均位于+372 m以下，因此奥陶系灰岩岩溶裂隙水对5#煤层及下伏10#煤层的开采具有较大的威胁。尽管开展了奥灰水综合防治技术研究、底板加固注浆等防治措施，但受奥陶系灰岩溶洞发育不均、对底板破坏深度影响较大、钻探工程点状分布等综合因素影响，从20世纪90年代至今，矿区内煤矿发生淹井及局部淹井死亡事故4起，共造成41人死亡、2人失踪，各煤矿开采标高低于奥灰岩静止水位时均不同程度出现过涌水现象，揭露的奥灰岩溶水主要赋存于中奥陶系峰峰组二段O2f2。

从20世纪末开始，澄合矿区陆续开展了面积超过80 km2的三维地震勘探，三维地震勘探为优化矿井设计、合理布局采区、保障矿井安全生产方面发挥了重要作用，在地震解释技术迅速发展的情况下，本文以西卓煤矿的三维地震数据为基础，采用地震分频技术对奥陶系灰岩溶洞进行解释。

1 技术原理

奥陶系灰岩(白云质灰岩、灰质白支岩、石灰岩等的统称)的骨架岩石可视为准均匀介质，但在其内部形成的溶洞及其填充介质使其局部成为非均匀体，从矿井及钻探揭示，有的溶洞为空洞，有的溶洞被铝土质泥岩、半胶结的砂泥岩、方解石晶簇等填充，造成奥陶系灰岩整体为弱反射、局部为强反射的反射特征，澄合矿区钻探揭示的溶洞填充物如图1所示。

图1 钻孔揭示溶洞填充物

唐文榜等人提出采用薄层反射波的振幅用薄层复合反射系数R来衡量。

(1)

式中：r——薄层顶底面反射系数；

h——薄层厚度，m；

λ——薄层介质中传播的地震波波长，m；

v——地层的波速，m/s；

f——反射谐波频率，Hz。

溶洞绕射波振幅则用薄层复合反射系数与溶洞的宽度因子Kl来估算。溶洞宽度与振幅因子的关系如图2所示。

图2 溶洞宽度与振幅因子的关系曲线

(2)

式中：Kl——溶洞宽度振幅因子。

表1 不同频率、不同厚度煤层的复合反射系数

设地震波在溶洞发育的奥灰岩地层的传播速度为6000 m/s，灰岩密度为2.6 g/cm3；地震波在溶洞内水体的传播速度为1500 m/s，水体密度为1.1 g/cm3。分别计算频率f为20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz、100 Hz，溶洞高度分别为2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、15 m，溶洞宽度分别为20 m、40 m、60 m、80 m的溶洞复合反射系数RL。频率分别为20Hz、60Hz、100Hz，界面反射系数为0.8时不同参数溶洞的复合反射系数分别见表2～表4。

表2 频率20 Hz时不同高度、不同宽度溶洞复合反射系数RL

表3 频率60 Hz时不同高度、不同宽度溶洞复合反射系数RL

表4 频率100 Hz时不同高度、不同宽度溶洞复合反射系数RL

图3 不同频率、不同规模的溶洞的复合反射系数RL

2 应用效果

(1)风化面识别。对研究区内钻孔统计可知，5#煤层与风化面之间的底砂岩厚度约20～50m，两个界面的反射时差约30～45ms。当频率为60Hz时，二组地震波相邻同相极性时差为17ms，可以避免两个层位的相互干涉。不同频率的过井瞬时谐波相位剖面如图4所示，由图4可以看出，20Hz的剖面上煤层与风化面Tg完全不能分开，40Hz的剖面上二者正在分离，60Hz相位剖面上风化面特征可以独立显现，故采用60Hz频率的相位剖面解释风化面Tg。

(2)溶洞解释。当频率从20Hz至40Hz变化时，相位剖面上煤层反射波—T5波振幅能量带逐渐变窄，风化面振幅能量带逐渐从中分离；60Hz时，风化带界面明显显现； 80～100Hz时，T5波振幅能量减弱、连续性变差，风化面之下的串珠状溶洞逐渐显现，非规则振幅异常形态相似，可以进行地震地质解释；120Hz时，风化面之下非规则异常的形态和振幅有所降低，但形态保持不变。图4中钻孔41-2右侧以及J5-4、J4-3两个钻孔之间的垂向异常反映清晰、稳定，判断为溶洞反映。

图4 过井剖面不同频率瞬时谐波相位剖面

选择100Hz谐波振幅体，以奥灰岩风化面Tg为起始层位，向下以8ms的时间深度间隔切取沿层切片5张，Tg、Tg+8ms、……Tg+32ms，获得风化面向下近100m范围的地层振幅沿层切片图。Tg+24ms沿层切片对灰岩溶洞的反应如图5所示。

图5 Tg+24 ms沿层切片对灰岩溶洞的反应

由切片图可以看到Tg及其下8ms时差的沿层切片上，非规则振幅异常形态相似，是风化面的特征；Tg下16ms到32ms的沿层切片上，非规则异常发生变化，新的非规则异常显现，说明风化面特征对非规则振幅异常的影响减弱，溶洞的非规则振幅异常出现，并有规律变化。由此，根据不同时间的谐波振幅沿层切片对非规则振幅异常的分布特征进行解释，可以得到溶洞平面分布。

3 结论

澄合矿区奥陶系灰岩厚、岩溶裂隙发育、富水性强，灰岩与煤层间距近，煤炭开采受到岩溶水的危胁，现有探测手段对奥陶系灰岩水的探测效果并不理想，使矿井水害的预防和治理针对性不强。本文分析了奥灰岩风化面和溶洞的反射特征，确定了以谐波相位剖面进行奥灰风化面的解释、以高频谐波振幅属性识别奥灰溶洞的解释方法，解释长轴大于20m的溶洞26个。

基于频率差异技术识别奥灰岩溶洞为溶洞勘查提出了一种新的思路，解释成果有待进一步验证与改进。

[1] 叶东生,杜飞虎.煤层底板承压含水体上带压开采研究[J].中国煤炭地质,2010(11)

[2] 马雄德,杜飞虎,齐蓬勃等.底板承压水保水采煤技术与工程实践[J].煤炭科学技术,2016 (8)

[3] 李涛,王苏健,陈通等. 渭北煤田底板破坏深度规律研究[A]. 煤矿绿色高效开采技术研究——陕西省煤炭学会学术年会论文集[C]. 陕西省煤炭学会，2016(4)

[4] 杨德义.煤矿三维地震勘探技术发展趋势[J].中国煤炭,2011 (6)

[5] 唐文榜,刘来祥,樊佳芳等.频率差异分析(FDA)在塔河油田溶洞型油藏预测中的应用效果[A]. 2001年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十七届年会论文集[C]. 中国地球物理学会，2001(1)

[6] 王者顺,王尚旭,唐文榜等.塔河碳酸盐岩溶洞油藏的地震响应及频率差分析[J].石油与天然气地质,2004(1)

[7] 李七明,翟立娟,傅耀军等.华北型煤田煤层开采对含水层的破坏模式研究[J].中国煤炭,2012 (7)

(责任编辑 郭东芝)

Interpretation of the Ordovician limestone cave based on frequency difference technology in Chenghe mining area

Ma Li1,2, Xu Decai1,2, Feng Xihui1,2, Tang Wenbang3

(1. Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources, Xi'an, Shaanxi 710026, China;2.Shaanxi Provincial Coal Field Geophysical Prospecting, Surveying and Mapping Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710005, China;3. Beijing Softland Scientific & Technology Co., Ltd., Haidian, Beijing 100083, China)

Coal resources exploitation in Chenghe mining area was faced with the threat of the Ordovician limestone karstic water. Based on 3D seismic exploration data, the authors compared the recombination reflection coefficients of coal seam with different frequency and thickness and karst cave with different frequency and scale, explained the Ordovician limestone weathering interface with phase section and explained the Ordovician limestone cave with high-frequency harmonic amplitude attribute which was over 80 Hz, and finally got the plane distribution of limestone cave in the 3D seismic exploration area in Xizhuo Coal Mine, this research provided certain geological basis for coal mine safety production.

3D seismic exploration, frequency difference technology, amplitude attribute, Ordovician limestone cave, Chenghe mining area

陕西省科技统筹项目(2016FWPT-16)，国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室项目(ZZ2014-2，ZZ2016-2)

马丽，许德才，冯西会等. 基于频率差异技术识别澄合矿区奥陶系灰岩溶洞[J]. 中国煤炭，2017,43(7)：40-43. Ma Li,Xu Decai, Feng Xihui, et al. Interpretation of the Ordovician limestone cave based on frequency difference technology in Chenghe mining area[J]. China Coal, 2017, 43(7):40-43.

P631.4

A

马丽(1975-)，女，陕西三原人，高级工程师，硕士，从事煤田地震勘探技术工作。