倾角曲率属性在煤层巷道识别中的应用_单蕊.pdf

第 48 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 10 月 COAL GEOLOGY roadway recognition; attribute analysis; 3D seismic exploration; Ordos basin 煤炭智能精准开采需要构建高精度、透明化工 作面地质模型，随着井巷工作面的不断延伸，巷道 资料动态融入地震资料解释中，为逐级实透明化工 作面提供数据支撑[1]。在各种地球物理方法中，高 分辨率三维地震勘探是最有效的地质探测技术[1]。 巷道与围岩的物性差异是地球物理勘探方法探测巷 道的有效手段的基础，巷道的断面小，利用地震数 据分析识别孤立巷道的难度相对较大[2]。当地震分 辨率较高时，较宽的巷道顶面可以形成狭窄反射段 或同相轴下拉现象，在不利条件下巷道在剖面中也 有可能没有明显的反射特征。此时，可以采用地震 属性技术，突出巷道和采空区的地震响应，进而识 别巷道和采空区[2-5]。杨辉[6]、王丹[7]对常规三维地 震数据频谱分解，获得调谐数据体，在此基础上分 析方差属性和振幅属性，预测小窑巷道的平面位 置。王亚琪[8]利用断裂似然体属性，对裂缝和缝洞 198 煤田地质与勘探 第 48 卷 进行有效识别，进而推断预测老窑巷道。多位学者 的研究表明，受常规地震资料分辨率的限制，利用 其查明巷道及隐蔽致灾因素不能满足安全生产的要 求[9-11]，高信噪比、高分辨率和高保真度的地震资 料是解释巷道的基础，同时地震属性分析技术是检 测巷道的最佳途径[1,12]。 鄂尔多斯高原东北部 CJT 煤田进行了全数字高 密度三维地震勘探，地震资料品质较高，精细处理 得到了良好的地震数据体，通过提取 2 号煤层多种 属性数据体，对比发现倾角曲率属性解释的巷道位 置与实际巷道位置高度吻合。2 号煤层巷道的识别 为井巷地质资料动态融入三维地震资料精细解释提 供了一种思路。 1 曲率属性原理及地质意义 在地震解释的应用中，对同相轴求取一阶导数 为同相轴的斜率，具有倾角的意义。曲率为倾角的 导数，也可以反映同相轴倾角的变化[13]。 曲率属性描述地震数据体的几何属性变化，其 二维物理定义为描述曲线任意一点处的弯曲程度。 曲线函数为 yf x， 该点曲率值为k， 其导数形式 表示 22 2 3/2 d/d1 1d /d yx k ρyx   1 式中x 、y分别为平面坐标轴；ρ为曲率半径[13]。 式1表明，曲率越大，弯曲程度越大。地震解 释中通过曲率值定义不同的地质意义，水平地层或 斜平地层的曲率为零，背斜的曲率为正，向斜的为 负[14-15] 图 1。 图 1 地层曲率[14] Fig.1 Sketch map of ation curvature[14] 曲率属性的研究已经由二维曲线到三维层面曲 率体属性再向体积曲率体属性转变[16-18]。数学上， 两个正交平面相交于曲线，产生最大曲率、最小曲 率、走向曲率、倾角曲率等[19-21]。为了计算曲面上 特定一点曲率，拟合一个局部二次曲面定义为 22 zaxbycxydxeyf 2 式中 2 2 1 2 z a x    ； 2 2 1 2 z b y    ； 2 1 2 z c x y     ； z d x    ； z e y    ；f为采样点值。由此可以计算平均曲率 mean k、高斯曲率 Gauss k、倾角曲率 dip k等[21] 2222 1/2 mean 11/ 1kaebdcdede   （ 3 222 1/2 Gauss 4/1kabcde 4 222222 3/2 dip 2/1kadbecdedede    （5 三维曲率体属性是直接从地震数据体中提取， 用于刻画地质体构造形态、地层界面弯曲程度、应 力场分布等特征属性[18]。不同的曲率属性对不同的 构造形态敏感，不同的采空区在曲率属性切片特征 各异，需要通过从多个曲率属性中分析优选出最适 合研究区巷道识别的属性。 2 巷道异常二维正演模拟 地震正演模拟是假定地下介质的地质结构、地 球物理参数的情况下，设定观察系统参数，得到相 应地震记录，正确认识地震波在复杂介质中的传播 运动学和动力学特征[22]。本文通过射线追踪方法正 演模拟，研究了巷道引起的地震反射特征及地震剖 面特征差异。 首先，根据研究区巷道实际情况建立煤层理 论模型， 并填充煤层及巷道的地球物理参数表 1。 该模型长度 500 m，煤层埋深 400 m，煤层中单条 巷道宽度为 5 m，高度 4 m，4 条巷道间距分别为 24、280、24 m图 2。基于该模型，采用 50 Hz 雷克子波，道距为 5 m，正演模拟得到偏移时间剖 面，从图 3 可以看出反射波同相轴能够连续追踪， 巷道在地震剖面 CDP 2125、CDP 8185，时间 300 ms 附近呈明显时延现象，同相轴连续性无明 显变化特征。 表 1 巷道模型参数 Table 1 The parameters of the roadway model 介质 厚度/m 速度/ms–1 覆盖层 100 2 000 煤层顶板 300 3 200 煤层 12 2 200 巷道充填物 340 煤层底板 288 3 300 正演结果表明，由于巷道内气体的速度、密度 和阻抗远远小于围岩，巷道底部界面的反射波走时 增大，使得煤层反射波同相轴在巷道处可能发生明 第 5 期 单蕊 倾角曲率属性在煤层巷道识别中的应用 199 图 2 巷道理论模型 Fig.2 Theoretic model of roadway 图 3 设计模型的偏移时间剖面 Fig.3 Offset time profile of the design model 显或者不明显的时延现象。地震倾角曲率属性计算 两次空间导数， 可将界面细微的起伏异常响应放大。 在垂直巷道走向的方向上，这种短距离倾角曲率属 性异常特征可能非常明显。 3 应用效果 3.1 工区概况 CJT 煤田位于鄂尔多斯高原东北部，地层总体 走向为 NE，倾向 NW，为倾角不足 1的单斜构造， 局部有宽缓的波状起伏。区内地层自老到新发育为 三叠系上统永坪组，侏罗系下统富县组、中统延安 组、直罗组、安定组，新近系上新统保德组，第四 系中更新统离石组、上更新统萨拉乌苏组、全新统风 积沙。侏罗系中统延安组含 5 个煤组共十余层煤，其 中 2 号煤层为主采煤层之一，区内最大埋深约 380 m， 厚度 11.812.7 m，区内断层等构造不发育。 3.2 采集与处理 地震资料采集采用 24 线 4 炮线束状高密度、 宽方位观测系统，CDP 面元 5 m5 m，满覆盖次数 96 次。研究区炮检距为 0450 m，方位角均匀性较 好，整体面元分布均衡，炮检距分布均匀，有利于 精确速度分析和精细目标体的反射成像。 震源为单 井井中激发，井深 818 m，药量 2 kg。时间采样 率 1 ms，记录长度 2 s。单炮记录信噪比高，频带 范围宽 8140 Hz。 结合资料特点， 针对性地采用地震道集数据的 优化处理， 分偏移距叠加。 原始道集数据质量较好， 但是远道仍然存在残余动校正问题和随机噪声， 因 此，只选择临近线小偏移距叠加，获得了高质量的 分偏移距叠加数据体。 采用的主要常规处理技术包 括初至折射静校正、真振幅恢复、自适应叠前相 干噪声压制、地表一致性预测反褶积、精细速度分 析和剩余静校正迭代、叠前偏移等。成果剖面层次 清晰，2 号煤层反射波能量较强，反射波组特征突 出图 4，连续性好，能量强，主频 50 Hz，有效频 带 15140 Hz。 图 4 研究区地震剖面 Fig.4 Seismic profile of the study area 3.3 巷道的地震剖面反射特征 2 号煤层采用巷道穿采的采煤方式，工作面回 风巷与运输巷的 4 条巷道在掘进阶段。煤厚 12 m 左右，工作面宽 280 m，外巷内巷间距约 24 m，单 条巷道宽约 5 m，高度 4 m，巷道底距煤底 0.8 m。 采煤巷道平面位置如图 5 所示。在图 5 所示的 AA′道号 1 120， 和 BB′道号 1 566位置提取地震剖 面图 6，结合巷道的准确位置，分析巷道在剖面上 的反射特征。 图 5 研究区采掘巷道 Fig.5 Schematic diagram of the excavation roadway in the study area 200 煤田地质与勘探 第 48 卷 1运输巷；2回风巷 图 6 巷道在地震剖面上的响应特征 Fig.6 Response characteristics of roadway in seismic profile 分析研究区地震剖面图 6， 运输巷道表现为顶 部负极性强反射波，具有明显的复波特征，底部正 极性反射，同相轴下拉明显。回风巷道在 AA′剖面 中图 6a，回风巷表现为顶部负极性反射强度不突 出，底部正极性反射，同相轴细微扭曲。在 BB′剖 面中图 6b，回风巷表现为顶部负极性强反射波， 具有明显的复波特征，底部正极性反射，同相轴下 拉明显。通过 2 条剖面可以发现，运输巷可以通过 反射波的特征识别，但巷道边界的确定需要深入研 究；回风巷道的剖面反射特征变化大。时间剖面上 的异常特征解释存在多解性，需要结合平面展布特 征进行综合解释。 3.4 地震属性提取与巷道识别 以 2 号煤层底界面上延 10 ms，下延 20 ms 形 成属性提取时窗，分别提取振幅属性、平均曲率属 性、高斯曲率属性和倾角曲率属性。在 T2–10 ms T2 20 ms 时窗内对 4 种属性提取沿层切片图 7， 对比分析发现，图中条带状线性异常共两处，其 中线号 397597 处振幅属性、 曲率属性异常的走向、 长度与巷道的走向、长度一致；线号 700749 处线 性异常只在曲率属性有反应，经对比分析，与浅层 输气管道位置一致，与巷道信息无关。 振幅属性在巷道和非巷道处道号 544944均表 现出属性异常图 7a，某些细节较为错乱，不利于 精确解释；平均曲率属性仅对巷道位置有对应，巷 道出现不连续现象，对巷道识别精度稍差图 7b； 高斯曲率属性分辨率优于振幅属性和平均曲率属 性，较振幅属性而言道号 544944 处团状属性异常 明显减弱图 7c；倾角曲率属性刻画巷道信息分辨 率进一步提高， 巷道连续性增强， 在道号 1 1441 344 处对巷道更敏感，边缘刻画效果更为精细，且在道 号 544944处属性异常明显减弱图 7d。 对应 AA′道 号 1 102位置，运输巷双侧巷道均能很好识别，而回 风巷道内巷识别不清，BB′道号 1 566处巷道剖面反 射特征明显，属性异常清晰，说明倾角曲率属性边 缘刻画精细程度与地震剖面反射特征相关。同时 4 种属性在道号 944、 道号 1 344 附近均与巷道斜交条 带状异常，与地层走向及断层有很好的相关性，与 巷道信息无关。 综上所述，倾角曲率属性能够从整体上反映巷 道的范围，4 条平行线状异常与巷道位置和掘进长 度较为吻合，且边界清晰可靠，包括已回采工作面 的小型边界均一一对应。倾角曲率属性切片可以突 出异常信息，显示巷道信息更准确，为巷道解释提 供有利依据。 4 结 论 a. 研究区地震资料的主频较高、频带较宽，其 垂向和横向分辨率都较高，可为巷道识别提供精确 的地震数据体。 b. 通过提取地震数据体的多种属性，并与实际 巷道对比，发现倾角曲率属性解释的异常位置与实 际巷道位置高度吻合，验证了其在巷道识别中的可 靠性。是类似规模巷道识别的一种有效方法，为煤 炭精准开采提供地质保障。 c. CJT 煤田含煤地层较平缓，构造引起的倾 角曲率属性变化与巷道引起的倾角曲率属性变化 的空间尺度相差较大，使倾角曲率属性识别巷道 的精度较高。基于此可推测，当构造变化的空间 尺度相对较小且幅度较大时，倾角曲率属性识别 巷道的能力可能会降低，应结合其他地震属性识 别方法，其他复杂地质条件的应用有待进一步开 展研究。 第 5 期 单蕊 倾角曲率属性在煤层巷道识别中的应用 201 图 7 CJT 煤田 2 号煤层属性 Fig.7 Seismic attributes of seam 2 202 煤田地质与勘探 第 48 卷 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 程建远，朱梦博，王云宏，等. 煤炭智能精准开采工作面地质 模型梯级构建及其关键技术[J]. 煤炭学报，2019，448 2285–2295. CHENG Jianyuan，ZHU Mengbo，WANG Yunhong，et al. Cascade construction of geological model of longwall panel for intelligent precision coal mining and its key technology[J]. Jour- nal of China Coal Society，2019，4482285–2295. [2] 程建远，孙洪星，赵庆彪，等. 老窑采空区的探测技术与实例 研究[J]. 煤炭学报，2008，333251–255. CHENG Jianyuan， SUN Hongxing， ZHAO Qingbiao， et al. The detection technology of excavated region in coal mine and case study [J]. Journal of China Coal Society， 2008， 333 251–255. [3] 单蕊， 李元杰. 地震多属性分析技术在小煤窑采空区探测中的 应用研究[J]. 煤矿开采，2014，19523–25. SHAN Rui，LI Yuanjie. Application of seismic multi-attribute analysis technology in small colliery gob detection[J]. Coal Mining Technology，2014，19523–25. [4] 朱红娟. 三维地震属性解释技术在巷道探测中的应用[J]. 煤 田地质与勘探，2015，43490–93. ZHU Hongjuan. Application of 3D seismic attribute interpreta- tion technology in the detection of roadway[J]. Coal Geology Exploration，2015，43490–93. [5] 石瑜，刘文明. 三维地震勘探技术在小窑采空区探测中的 应用[J]. 工程地球物理学报，2018，155573–579. SHI Yu，LIU Wenming. Application of 3d seismic prospecting to small coal mined-out area[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics，2018，155573–579. [6] 杨辉. 谱分解技术在老窑巷道识别中的应用[J]. 能源与环保， 2017，39819–23. YANG Hui. Application of spectrum decomposition technique in old roadway identification[J]. China Energy and Environmental Protection，2017，39819–23. [7] 王丹. 三维地震多属性解释在东庞矿采空区识别方法[J]. 煤 炭与化工，2018，41551–54. WANG Dan. Identification of 3D seismic multiattribute interpretation in Dongpang mine[J]. Coal and Chemical Indus- try，2018，41551–54. [8] 王亚琪. 基于断裂似然体属性技术识别老窑巷道[C]//中国煤 炭地质总局， 中国煤炭工业协会煤炭地质分会. 新时代煤炭地 球物理勘探技术论文集， 北京 应急管理出版社， 2019 63–67. WANG Yaqi. Identification of old working gob based on fracture likelihood body attribute technique[C]//China National Admini- stration of Coal Geology，Coal Geology Chapter of China’s Coal Industry Association. Collection of papers on coal geophysical exploration technology in the new era，BeijingEmergency Management Press，201963–67. [9] 杨臣明. 全数字高密度煤矿采区三维地震技术研究与实践[J]. 中国煤炭地质，2014，26346–52. YANG Chenming. All digital high density coalmine winning dis- trict 3D seismic prospecting technology research and practices[J]. Coal Geology of China，2014，26346–52. [10] 杨臣明. 煤矿采区高精度三维地震勘探技术应用研究[J]. 能 源与环保，2017，3911238–241. YANG Chenming. Research and application of high precision 3D seismic prospecting technology in coal mining area[J]. China Energy and Environmental Protection，2017，3911238–241. [11] 程建远，聂爱兰， 张鹏. 煤炭物探技术的主要进展及发展趋势[J]. 煤田地质与勘探，2016，446136–141. CHENG Jianyuan，NIE Ailan，ZHANG Peng. Outstanding progress and development trend of coal geophysics[J]. Coal Ge- ology Exploration，2016，446136–141. [12] 方荣耀. 煤矿采空区的地震波场特征分析[D]. 太原太原理 工大学，2018. FANG Rongyao. Analysis of seismic response characteristics of mine goaf[D]. Taiyuan Taiyuan University of Technology， 2018. [13] 孔选林，李军，徐天吉，等. 三维曲率体地震属性提取技术研 究及应用[J]. 石油天然气学报江汉石油学院学报，2011， 33571–75. KONG Xuanlin，LI Jun，XU Tianji，et al. Research and ap- plication of 3D volumetric curvature seismic attribute extraction technology[J]. Journal of Oil and Gas Technology，2011，335 71–75. [14] 程彦. 小尺度曲率属性在煤田小微构造解释中的应用[J]. 煤 田地质与勘探，2020，481203–207. CHENG Yan. Application of small scale curvature in small and micro-structure interpretation of coal field[J]. Coal Geology Exploration，2020，481203–207. [15] Al-DOSSARY S， MARFURT K J. 3-D volumetric multispec- tral estimates of reflector curvature and rotation[J]. Geophysics， 2006，71541–51. [16] CHOPRA S，MARFURT K J. Structural curvature versus amplitude curvature[J]. The Leading Edge，2011，302 980–984. [17] DI Haibin，GAO Dengliang. Improved estimates of seismic curvature and flexure based on 3D surface rotation in the pres- ence of structure dip[J]. Geophysics，2016，81213–23. [18] 赵争光，杨瑞召，张凯淞，等. 基于最大主曲率的煤储层渗透 性预测方法[J]. 煤田地质与勘探，2014，42239–44. ZHAO Zhengguang，YANG Ruizhao，ZHANG Kaisong，et al. and application of coal reservoir permeability prediction based on maximum principle curvature[J]. Coal Geology Ex- ploration，2014，42239–44. [19] 盛新丽. 基于三维地震曲率的小断裂识别方法[J]. 中国煤炭 地质，2018，30增刊 1109–112. 第 5 期 单蕊 倾角曲率属性在煤层巷道识别中的应用 203 SHENG Xinli. Minor fault identification based on 3D seismic curvature[J]. Coal Geology of China， 2018， 30Sup.1 109–112. [20] 印兴耀， 高京华， 宗兆云. 基于离心窗倾角扫描的曲率属性提 取[J]. 地球物理学报，2014，57103411–3421. YIN Xingyao，GAO Jinghua，ZONG Zhaoyun. Curvature at- tribute based on dip scan with eccentric window[J]. Chinese Journal of Geophysics，2014，57103411–3421. [21] 张铁强. 地震属性及其实际数据的应用[D]. 北京中国地质 大学，2010. ZHANG Tieqiang. Seismic attributes and its application to real data[D]. BeijingChina University of Geosciences，2010. [22] 李文进. 煤矿采空区地震反射特征研究以张集煤矿为例[D]. 北京中国地质大学，2019. LI Wenjin. Study on seismic reflection characteristics of coal mine goafTake Zhangji coal mine as an example[D]. Beijing China University of Geosciences，2019. 责任编辑 聂爱兰 上接第 196 页 [24] 张亚维，史强强，姚锋刚. 一种进气道畸变测量动态压力采集 设计[J]. 电子测量技术，2019，42852–55. ZHANG Yawei，SHI Qiangqiang，YAO Fenggang. The design of an air inlet distortion measure dynamic pressure acquisi- tion[J]. Electronic Measurement Technology，2019，42 8 52–55. [25] 王亮. 非色散红外法甲烷检测器的原理和性能特点[J]. 煤气与 热力，2014，34115–7. WANG Liang. Principle and perance characteristics of meth- ane detector using non-dispersive infrared [J]. Gas Heat， 2014，34115–7. 责任编辑 聂爱兰