基于频谱分析技术预测煤与瓦斯突出带

作者:左卫华;孟凡彬; 刊名:中国煤炭地质 上传者:严宇

【摘要】构造煤与煤与瓦斯突出密切相关,根据构造煤地质特点构建地质模型,依据黏-弹性介质中地震波场吸收衰减理论进行模拟正演。结果表明,构造煤导致高频地震信号衰减,产生频率、振幅等异常。研究区小波傅立叶变换分频解释技术显示:无论是原生煤还是构造煤,其频谱分解技术都可使反射波频率得到拓宽,但其在不同频率上表现出明显差异,且构造煤反射波高频成分衰减强烈;另外煤层厚度的增大,将导致反射波高频成分减少,低频成分增加。通过对研究区过井连线(inline2177)8煤层的频谱分解数据体的解释,确定了构造煤发育区与原生煤(或构造煤欠发育区)范围。根据与钻孔数据的对比,认为8煤层频谱分解的扫描频率在60~70Hz时,其低频分布区域与构造煤范围高度吻合。

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0引言煤与瓦斯突出是一种潜在并可能严重威胁煤矿安全生产的自然灾害。影响瓦斯富集和突出危险区分布的主控因素不一,不仅与矿井采动的影响、矿井通风影响,而且与煤层埋藏条件、地质构造的发育、煤层及其顶底板的岩石力学性质、煤层瓦斯压力及含量有关。基于地震频谱技术预测煤与瓦斯突出是地震技术研究方向之一[1-3]。目前国内外有多种煤层气勘探方法,崔若飞,常锁亮等多位学者利用方位各向异性技术和波阻抗反演技术等地震方法研究煤层裂隙发育程度及煤体破坏程度,为煤层气富集区预测提供参考依据[4-8]。但受到地震主频的限制,很多的地质信息没有充分利用,使得煤与瓦斯的地震响应特征没有充分刻画。本文从煤与瓦斯突出区地震波响应的正演特征,通过对某矿区8煤层在井约束下的反射波频谱响应特征进行分析,依此预测煤与瓦斯突出高危带。1煤与瓦斯突出区地震响应特征学者一致认为受构造应力强烈作用的构造煤发育区域是煤与瓦斯突出的主要场所[9-12]。因而研究原生煤与构造煤的地震波响应正演特征,通过地震波响应特征的属性提取、分析,揭示其反射波的运动学、动力学、统计学特征等的变化,进而达到划分构造煤发育区即煤与瓦斯突出高危带的解释的目的[13-14]。依据地震勘探原理,未受到构造应力破坏的原生煤(或岩体)可以简单表述均匀层状各向同性弹性介质,主要特征表现其各层内速度、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)则可表述为层内各向异性的非均匀弹性介质,即黏-弹性介质,其主要弹性特征表现为速度、密度的非均一性与非同一性[15-16]。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(尤其是在频率、振幅、相位、吸收和衰减等特征方面)具有非均一性与非同一性。研究其同一性,区分出差异性,这正是本课题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[17]。1.1地质建模利用地震波在弹性介质及黏-弹性介质中传播理论设计正演模型。模型长2 000m、深1 000m,构造煤发育位置为700m~1 300m,设计煤层厚度为10m、3m,表1、图1为正演地质模型参数及示意图。表1正演地质模型参数表Table 1 Forward geological model parameters层序号岩性Vρ/m·s-1Vs/m·s-1ρ/g·cm-3)H/m1黄土1 800 2.0 2002泥岩3 000 1 700 2.35 1003砂岩3 600 2 100 2.65 504泥岩3 000 1 700 2.35 305原生煤层/构造煤2 400/1 0001 100/4801.45/1.310(或3)6砂岩3 600 2 100 2.65 907泥岩3 000 1 700 2.35 908灰岩4 200 2 400 2.5 4501.2地震正演模拟采用射线追踪原理,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。检图1地质-地球物理模型(第5层为煤层)Figure 1 Geological-geophysical model(the fifth layer is a coal seam)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,其正演成果见图2和图3所示。图2模型正演地震时间剖面(波形变面积)—煤层厚度10mFigure 2 Model forward seismic time section(w

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