采空区的地震资料解释方法探究
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作者: 陈国忠
【摘 要】 通过分析煤层采空区的形成机理及地质特征，分析地震勘探反射波在采空区的的特征，结合辽宁某煤矿三维地震资料解释，总结采空区在地震资料解释方面的特点及规律。为地震勘探采空区的解释提供有用信息。
【关键词】 采空区 地震资料 解释
1 采空区裂隙发育的地质特征
煤层开采后，采空区周围的岩层将发生复杂的移动和变形。形变后的岩层按破坏程度分为不同的影响带：冒落带、裂隙带和弯曲带。
1.1 冒落带
煤层开采后，其直接顶板在自重力作用下，发生法向弯曲。当岩层内部的拉应力超过岩石的抗拉强度时，产生断裂并破碎成块垮落，形成冒落带，冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内。冒落带的高度主要取决于采出煤层厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3-5倍。薄煤层的采出厚度小，冒落高度较小，一般为采出厚度的1.7倍左右。顶板岩石坚硬时，冒落带的高度为采出厚度的5-6倍，顶板为软岩时，冒落高度为采出厚度的2-4倍。实际过程中可用下式近似估算冒落带高度：h=m/（k-1）cosα式中h—冒落高度；m—采出煤层厚度；k—岩石碎胀系数；α为煤层倾角。岩石的碎胀系数取决与岩石的性质，坚硬岩石碎胀系数较大，软弱岩石则较小。碎胀系数恒大于1，一般在1.05—1.80之间。
1.2 裂隙带
在采空区上覆岩层中，产生裂隙、离层及断裂但仍保持层状结构的那部分岩层称为裂隙带。裂隙带位于冒落带与弯曲带之间。裂隙带内岩石发生严重弯曲、变形及破坏。其破坏特征是：裂隙带内岩石不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且还产生顺层理面的离层裂隙。下部岩层大多断开，但仍保持其原有的层次，裂隙如果不断开，则连通性较差；裂隙如果断开，就会产生严重的漏水现象。冒落带和裂隙带合称为两带，又叫冒落裂隙带。两代间没有较明显的分界线，均属于破坏性影响区。离采空区距离越大，上覆岩层的破坏程度越小。
1.3 弯曲带
弯曲带位于裂隙带之上直至地表，特点是弯曲带内地层在重力作用下产生层面法向弯曲。在水平方向处于法向受压状态，因而其压实程度较高。弯曲带内岩层移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性及层状结构，不存在或极少存在离层裂隙。在竖直层面内，各部分的移动值相差较小。弯曲带的厚度主要受开采深度的影响。当采深很大时，弯曲带的厚度可大大超过冒落带和裂隙带的厚度之和。此时，开采形成的裂隙带不会到达地表，地表的移动和变形较小，相对比较平缓，有时地表也产生一些裂隙，但这些裂隙表现为上大下小，到一定深度又自行闭合。
2 勘探区概况
辽宁某井田位于辽宁东北部，井田煤系地层基底为前震旦系变质岩系，煤系地层为上侏罗系。现分述如下：（1）前震旦系变质岩：以花岗岩及绿泥片岩为主，各种火成岩侵入体发育，在本区内无露头。（2）中上侏罗系：又分为下部砂岩组和底部砾岩组。下部含煤段含11、12、13、14、15-1、15-2、16-1、16-2、17等煤层，主要可采煤层为12、13、14、15-1、16-1层，17层仅局部可采，本段地层厚度为210-310m。一般为250m左右，上部含煤段含2、4、5、7、8、9、10煤层，其中4、5、7、8、9为可采煤层，4、7煤层为主要可采煤层，本段地层厚度为95-195m。一般为120m。（3）白垩系：主要为砂岩、砂砾岩及砾岩，下部以灰绿色砂砾岩层，上部以紫红色砂砾岩为主。（4）第四系：本井田第四系厚度为1.6-36m，一般为20m，主要有冲积和洪冲积层，坡积次之，由亚粘土、砂土及砂砾组成。
该矿区自建矿以来，开采强度大，上部煤层四周均已采完，只剩中间孤岛，是研究地震方法探测采空区的理想区。由于该区地震地质条件较好，针对本区的实际情况，我们采用了宽带采集，高分辨率处理、多属性全三维解释一体化进行地质解释研究工作。
3 煤层采空区的地震波特性分析
3.1 煤层采空区的波场特征
煤层在开采完毕后，采空区上部形成冒落带、导水裂隙带和弯曲带有时地面也下沉，出现鞍状凹陷。从地震地质条件来说，此时也发生了变化，尤其在鞍部附近，由于地层遭到破坏，整个层状介质的地震反射条件已不复存在，地震波在此发生了大量的散射，使得这一区域不能形成反射波，而在盆地周围地震波同向轴发生明显的错乱和变化。从本矿的地震勘探资料可以明显看出，采空区范围内不但上组煤层不能形成反射波T4和T7波，就是距上组煤层50m左右的下部煤层反射波T14也受到影响。下部煤层之所以反射波不好，原因在于下部煤层反射波在穿透破坏的覆岩层时，其能量被大量吸收、散射，不能形成良好的反射波。因此，在采空区上或者在上组煤采完以后进行地震勘探下组煤是相当困难的。
3.2 煤层采空区的反射时间特征
采空区导致的塌陷，及岩石产生破坏松动，使地震波速度也发生变化，因而，会使采空区上部的反射波传播时间变长，表现在时间剖面上出现明显的同向轴下拉现象。利用这一变化我们圈定了本勘探区的采空区影响范围。
3.3 煤层采空区的地震反射波振幅特征
由于煤层采空区造成的上覆地层的破坏松动和位移，形成冒落带、裂隙带和弯曲带，地震波在经过这些地方时，地震波的振幅衰减加快，使得振幅变弱，反射波在时间剖面上表现为同向轴中断。利用这一特点来圈定本勘探区采空区的位置及范围。本勘探区内从地震资料上反应出：采空区范围内上部煤层形成的T4和T7波组中断，能量减弱，深部煤层形成的T14波能量减弱的特点。本勘探区就是利用这种采空区反射波在时间剖面上的特点；采空区上部反射波同向轴下拉及下部煤层反射波中断的特点来圈定采空区的位置及范围。
4 结语
煤层采空区由于岩层塌陷而导致地层破碎，使地震波在传播过程中能量损失很大，致使地震波在采空区表现为零乱的反射，煤层反射波同向轴中断，速度变低，同向轴下拉现象，据此对煤层采空区进行解释。在本勘探区范围内的采空区解释就是在三维地震勘探时间剖面上利用这样的特点，并结合沿层振幅切片，寻找弱振幅成片区，使得解释工作取得满意效果，并为今后的采空区解释提供指导信息。
参考文献
[1]陆基孟，地震勘探原理[M].出版社：中国石油大学出版社.
[2]李庆忠.走向精确勘探的道路—高分辨率地震勘探系统工作剖析[M].
[3]东北煤田地质局物探测量队地震勘探报告.
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