煤田地震勘探中特殊地质异常体的识别及应用研究

【摘 要】煤田三维地震勘探技术不仅在控制煤层赋存形态及断层方面有着巨大的优势，而且在准确圈定地质异常体方面已取得了很好的效果。本文对煤矿生产中经常遇到的地质异常体的地质特征及地震反射特征进行总结，并通过三维地震勘探资料与煤矿实际揭露进行比对验证，取得了良好的效果。

【关键词】三维地震勘探；小窑采空区；岩浆岩侵蚀； 煤层露头；火烧区及冲刷带；陷落柱

0 引言

地质异常（geological anomaly）是指在成分、结构、构造或成因序次上与周围环境有明显差异的地质体或地质体的组合。也常常表现为地球物理场、地球化学场及遥感影像异常等都有所差异，主要用于矿产预测，进而用来总结区域成矿规律。煤矿中的地质异常通常是指小窑采空区、陷落柱、岩浆岩侵蚀、火烧区及冲刷带等，这些地质异常体通过三维地震勘探均能够被识别。本文主要论述了几种常见特殊地质异常体的概念和地质形态及其在地震时间剖面上的识别特征，并且通过实例将地震勘探技术和地质资料相结合进行了研究分析，为进一步解决煤矿安生产全提供地质保障。

1 小窑采空区的识别特征

1.1 小窑采空区的地质特征

小窑采空区是在采煤历史久远的矿区存在的一种特殊地质体，由于小煤窑的随意开采，存在许多不明采空区，这些采空区的存在对煤矿安全生产构成极大威胁，并对地面建筑、地面工程结构物的稳定性造成危害。因此，对小窑采空区的准确勘查，了解和掌握采空区的岩层特征、采矿条件，查清采空区赋存深度、大小、状态以及覆岩和煤层的结构特征和物理、力学性质是关键问题所在[1-2]。

1.2 小窑采空区的地震特征

采空区是煤层被采空之后残余少量煤柱，上下围岩向下垮塌，三维地震勘探时得不到连续的煤层反射波，在地震时间剖面上表现特征为同相轴变弱、扭曲或者发生产状变化甚至缺失，采空区出现冒落时，其对上下反射波同相轴皆有较大影响[1-2]。

煤层采空之后还存在大量煤柱，勘探后获得微弱的反射波或得不到连续的反射波，在时间剖面上表现有三种特征：其一，是煤层反射波变弱，在采空区边界处反射波同相轴频率和产状发生突变，在采空区内部反射波同相轴如蠕虫状；其二，是通过房柱式采煤，煤层反射波同相轴的变弱，频率和产状变化较大，与周围非采空区煤层反射波存在明显差别，而且煤层反射波之下的层位反射波同相轴增强，频率和产状突变，从整张剖面来看无采空区的地段煤层反射波较强，其下覆层位反射波很弱，而有采空区的地段煤层反射波同相轴表现微弱，其下覆层位反射波同相轴较强，形成明显反差；其三，是煤层被完全采空，残余有少量煤柱，则在地震时间剖面上表现为煤层反射波缺失。

图1 采空区在时间剖面上的显示

1.3 地震解释实例应用

陕北某矿地处毛乌素沙漠边缘，属于典型的黄土梁峁-沙漠地貌。本区的三维地震勘探地质任务主要是查明区内小窑采空区。经三维地震勘探，在资料解释过程中，发现勘探区大部煤层的反射波发生异常，在常规时间剖面上反映为煤层反射波同相轴扭曲、错断、产状突变、杂乱无章等（图1）；从图2的属性分析中可以看出，反射波凌乱区表现为反射波能量消失、形成圈闭，故三维地震将其解释为小窑采空区，后经钻探验证，取得良好的效果。

图2 采空区在RMS属性的分析上的显示

2 陷落柱的识别特征

2.1 陷落柱的地质特征

陷落柱是煤矿当中，由于下伏易溶岩层经过地下水强烈腐蚀，形成大量空洞，从而引起上覆岩层失穩，向溶蚀空间冒落、塌陷所形成的桶状柱体。其形成大致经历了溶隙、溶孔、溶洞塌陷等过程，其中溶洞形成是核心和先决条件。

2.2 陷落柱的地震特征

陷落柱与围岩存在的物性差异是陷落柱探测的物性基础。在地震时间剖面上识别和判定陷落柱的主要依据有：

（1）反射波组中断或能量变弱。其中断点或能量变化位置即为陷落柱边界的反映。（2）反射波同相轴扭曲、产状突变。其扭曲起始点之连线即为陷落柱的边界反映。（3）反射波同相轴产生分叉合并和圈闭现象。其分叉、合并点即为陷落柱的边界反映。（4）反射波相位转换，极性发生反转，其反转起始点即为陷落柱边界。（5）在叠加时间剖面上，出现断陷点绕射波、延迟绕射波等。（6）在方差体剖面上，将反射波立方体内的差异放大，以深颜色突出表示出来，能够反映陷落柱体边界；（7）在瞬时相位剖面上，反射波连续性变差，出现相位转换、分叉合并和圈闭现象；在瞬时振幅剖面上，反射波能量突然中断或消失。（8）在水平等时切片和顺层能量切片上的反映为能量突然变弱，以不同的颜色显示出来，形成一个异常圈闭，基本上能够反映陷落柱的平面形态。（9）在方差等时切片和方差顺层切片上，陷落柱边界以明显的放大了的差异特征形成突出的异常圈闭，能够较准确的反映陷落柱的平面形态[3-4]。

2.3 地震解释实例应用

山西某矿地处吕梁山脉的芦芽山南部的丘陵区，属于典型的黄土梁峁地貌。本区的三维地震勘探地质任务主要是查明区内煤层中的陷落柱。经三维地震勘探，在资料解释过程中，发现勘探区中西部煤层的反射波发生异常，在常规时间剖面上反映为各煤层反射波同相轴扭曲、错断、产状突变等（图3）；从图4中可以看出，在水平切片上表现为反射波能量消失、形成圈闭；在等时切片上可以看出其平面形态均为近椭圆形（图5）。

经过精细的地震地质解释，在勘探区内圈定了3个长轴直径均大于20m的陷落柱。图5为陷落柱在等时切片上的表现特征，由此可以看出其特征均为上小下大的反漏斗型、陷壁角大多较陡，约80°，柱体中心轴多为直立型。本次勘探解释的3个煤层陷落柱的发育情况与实际揭露情况较为吻合。

图3 DX1陷落柱在纵剖面上的显示

Figure.3 Subsided column （DX1） reflected on vertical section

图4 陷落柱DX1在水平切片上的显示

Figure.4 Subsided column （DX1） reflected on horizontal slice

图5 陷落柱在等时切片上的显示

Figure.5 Subsided column reflected on time slice

3 岩浆岩侵蚀的识别特征

3.1 岩浆岩的地质特征

岩浆岩是由岩浆直接冷凝形成的岩石，因此，具有反映岩浆冷凝环境和形成过程所留下的特征和痕迹。岩浆岩不论侵入到地下，还是喷出到地表，它们和周围的岩石之间都有明显的界限。岩浆从上地幔或地壳深处沿着一定的通道上升到地壳形成侵入岩或喷出到地表形成喷出岩的过程中，由于温度、压力等物理化学条件的改变，岩浆的性质、化学成分、矿物成分也随之不断地变化，因此，在自然界中形成的岩浆岩是多种多样、千变万化的，这充分说明了岩浆成分的复杂多样性。

3.2 岩浆岩的地震特征

由于岩浆岩侵蚀，造成局部煤层的破损或缺失，在地震时间剖面上表现为煤层反射波同相轴的变弱或消失，在平面上表现为条带状分布，和煤层冲刷带的区别是岩浆岩体顶面往往形成较强反射波[5-6]。

3.3 地震解释实例应用

河北某矿在三维地震资料解释的过程中发现勘探区的西南部有一被辉绿岩侵蚀的岩浆岩侵蚀带，并被3号和2钻孔控制，这两钻孔中的主要煤层（4、5煤层）都被侵蚀掉，6号钻孔间接控制，该孔4号煤层呈块状似焦炭质坚硬，煤质受火成岩体烘烤影响所致。其岩体总体走向NE，被F1和DF1、DF2断层切割，本次根据周边资料对测线间的侵蚀边界位置进行了推测，4、5煤被侵蚀面积约0.2km2（图6）。

图6 岩浆岩侵蚀带在地震时间剖面上的显示

Figure.6 Magmatic rock intrusion reflected on

seismic time section

4 火烧区的识别特征

4.1 火烧区的地质特征

煤层燃烧后，岩层受高温烘烤变质浅红色、赭色、 浅黄色烧变岩， 打击发出陶瓷片声。地表岩层裂隙度增大，土质地变松软，有大片的潮湿土，形成一层薄硬壳，颜色为棕红色带有硫化氢的气味，这是地下化学反应 气体随热气上升地表形成。顶底板围岩中含有黄铁矿、 赤铁矿、 菱铁矿、 褐铁矿等成分时，受高温烘烤发生物理化学性质的变化而产生新的电阻高、导电差的氧化物，经高温分解产生磁性物质。

4.2 火烧区的地震特征

煤层燃烧以后，其上下部围岩受到高温烘烤，岩石的物理特性发生根本性变化，岩层层状特征遭到明显破坏，裂隙增大，岩石破碎，煤层的物理化学性质也发生巨大变化，在地震反射波上的反应即为煤层反射波消失或者变弱、反射凌乱、同相轴连续性明显变差，总体表现为无明显成层性反射[7-8]。

4.3 地震解释实例应用

新疆某矿在三维地震勘探后对三维地震资料的解释过程中发现，在勘探区的南部ZKN1209钻孔附近发现主采煤层反射波产状突变，同相轴杂乱无章，反射凌乱、同相轴连续性明显变差（图7）。综合解释后主采煤层中在该处圈定为火烧区，呈不规则形状，面积约0.33km2，后经钻探验证，情况属实。

图7 火烧区在时间剖面上的反映

Figure.7 Combustion area reflected on time sction

图8 冲刷带在时间剖面上的反映

Figure.8 Erosion zones reflected on time sction

5 煤层冲刷带的识别

5.1 煤层冲刷带的地质特征

煤层冲刷带一般是指水流对泥灰层或煤层的冲击并通过由砂质沉积物而形成的地质体。煤层冲刷带的实质是发育于煤层中的带状砂体，各个冲刷带在煤层中的分布无连续性。煤层与岩体相比较具有弹性波传播速度低和密度小的特点。

5.2 煤层冲刷带的地震特征

冲刷带边缘物性差异明显，存在弹性分界面，当地震波遇到冲刷带边界时，煤层反射波消失或者中断[9-10]。

5.3 地震解释实例应用

在对新疆伊犁某矿三维地震资料的解释过程中发现，在勘探区东南部发现一煤层冲刷带，其在地震时间剖面上M1煤层反射波突然中断，与煤层未受到冲刷的反射波截然不同（图8）。

6 结论

地质异常体的存在，增加了矿井地质的复杂性，给煤矿安全生产带来极大危害。因此，掌握这些地质异常体在三维地震时间剖面上的反射特征及其规律，摸清其在平面上的展布规律，对合理高效开采、减少经济损失、减少人员伤亡等有着重要的指导意义。

【参考文献】

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[责任编辑：刘帅]