山西山区煤田陷落柱正演模拟分析研究

李 娟，杨晓东，王建青

（山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中 030600）

落柱在我国煤矿分布广泛，不仅破坏煤层的连续性，减少可采储量，影响巷道的掘进和煤层的开采，而且有可能成为特殊的导水通道，对煤矿生产所造成的危害十分巨大[1-4]。陷落柱是一种孤立的地质体，其空间形态不规整、大小不一，高低各异、隐蔽性强等特征，导致陷落柱探测的技术难点较大，单从地质上对其预测不能从根本上解决现阶段的实际问题[5-6]。

煤田三维地震勘探已历经二十几年的发展，目前地震勘探技术依然是查明陷落柱的主要技术手段[7]，但构造解释成果与采区生产要求的控制精度远远不相适应[8]。验证情况表明，地震解释的陷落柱构造异常大部分能得到验证，但也存在对一些陷落柱误解及漏解情况；特别是陷落柱解释结果比实际揭露要大，有时平面摆动误差较大的情况[9]。造成这种结果的原因与山区地形、激发条件、资料处理、资料解释等有关。本文建立水平介质和地形起伏条件下的陷落柱模型，通过正演模拟结构来分析山区地形对陷落柱解释的影响，从而指导陷落柱的解释工作。

1 陷落柱模型的建立

为了能够从理论出发，而又贴近实际说明问题，建立两种陷落柱地质模型，一种是水平介质的陷落柱模型，另一种是地形起伏条件下的陷落柱模型。模型区域大小为[0，2000]×[0，1000]，即长度2000m，深度1000m。表1 为围岩地层参数，表2 为水平介质和地形起伏条件下的陷落柱模型参数。

表1 陷落柱围岩地层参数

表2 水平介质和地形起伏条件下的陷落柱模型参数

本次正演模型所用的观测系统为：道间距10m，炮点距20m；采用中间放炮方式，接收道数48 道，覆盖次数12 次，共计38 炮。子波选用Ricker 子波，子波主频为60Hz。

2 陷落柱正演模拟分析

本次正演模拟利用Tesseral-2D 全波场正演模拟软件，模型采用弹性波波动方程进行有限差分波场模拟，将模拟的炮集记录进行直达波切除、抽取共中心点道集、速度分析、共中心点叠加、叠后偏移等常规处理，分别得到水平介质下和地形起伏条件下的陷落柱水平叠加时间剖面和偏移时间剖面。

2.1 水平介质条件下的正演模拟结果分析

图1 为水平介质条件下的陷落柱水平叠加时间剖面。在叠加时间剖面上，陷落柱中心附近出现特殊波，绕射波、延迟绕射波、柱顶绕射波都比较清楚。煤层反射波振幅变化范围为桩号735～865，该范围正好为煤层陷落范围，该陷落柱的中心位置在桩号805附近。

图2 为水平介质条件下的陷落柱偏移时间剖面。在偏移时间剖面上可以看出，偏移剖面上绕射波得到了较好的收敛。断陷点735、865 附近的煤层反射波振幅、能量均受到不同程度的改造，这就使得断陷点位置出现一定程度的模糊，从而影响陷落柱解释的大小和位置。偏移剖面上，陷落柱的特征明显，解释该陷落柱的中心位置在桩号805，解释范围为桩号735～865，直径为130m。

由此可见，水平介质条件下，地下的陷落柱经过叠加、偏移处理时，陷落柱的中心位置基本没有偏移，但由于陷落柱中心附近特殊波的存在，造成断陷点附近的正常波振幅或能量改变，对断陷点造成一定程度的扭曲和模糊，所以在地震解释中一般对陷落柱的范围解释偏大。

2.2 地形起伏条件下的正演模拟结果分析

图3 为地形起伏条件下的陷落柱水平叠加时间剖面。在地形起伏条件下的陷落柱叠加剖面上，两个陷落柱中心附近都出现特殊波，绕射波、柱顶绕射波都比较清楚。煤层反射波振幅变化范围为：桩号410～540（陷落柱1）和桩号1125～1255（陷落柱2），该范围正好为煤层陷落范围，根据叠加剖面解释陷落柱1的中心位置在桩号475附近；陷落柱2的中心位置在桩号1190附近。

图4 为地形起伏条件下的陷落柱偏移时间剖面。在偏移剖面上可以看出，绕射波得到了较好的收敛，煤层反射波的陷落柱中心的同相轴出现了扭曲或弯曲，反射波能量、振幅也发生了变化。断陷点400、540 和1125、1265附近的煤层反射波振幅、能量均受到不同程度的改造，这就使得断陷点位置出现一定程度的模糊，从而影响陷落柱解释的大小和位置。根据偏移剖面，解释陷落柱1的范围在桩号400～540，中心位置在桩号470 附近，直径140m；解释陷落柱2 的范围在桩号1125～1265，中心位置在桩号1190附近，直径140m。

可以发现：陷落柱1和陷落柱2的中心位置都有偏移，陷落柱1 的中心位置偏移20m，陷落柱2 的中心位置偏移10m，2个陷落柱位置都沿着地形上倾的方向偏移，陷落柱的解释范围也偏大，陷落柱1 和陷落柱2 的解释范围都偏大40%。

3 探采对比分析研究

近几年，山西省的潞安、晋城、阳泉、兰花矿区所开展的采区三维地震勘探，其勘探成果目前陆续得到巷道掘进验证，本次研究对已完成的三维地震勘探成果进行了探采对比研究，其中对陷落柱的偏移范围、解释大小、偏移规律等方面进行统计。

图5为潞安矿区常村煤矿地震解释陷落柱Xs3-5，解释该陷落柱在煤层中的直径为85m，实际巷道揭露陷落柱X23，巷道揭露的直径为60m；通过探采对比发现（图6），该陷落柱中心位置平面摆动误差10m，解释范围偏大50%。因此，有可能是陷落柱特殊波模糊了断陷点的位置，使得陷落柱解释偏大。

本次探采对比统计潞安矿区统计巷道揭露直径大于50m的陷落柱42个，其中对应地震解释出陷落柱总数为39个，地震漏解释3个。其中31个陷落柱中心平面位置偏移0～30m，29个陷落柱解释范围误差为0%～+50%。

4 结论

（1）在地形起伏条件下，建立地下陷落柱的正演模型，经过叠加、偏移处理，在叠加和偏移剖面上，由于陷落柱特殊波的存在，对陷落柱的断陷点造成一定程度的扭曲和模糊，造成地震解释的陷落柱范围偏大，同时陷落柱的中心位置存在偏移，且沿着地形上倾的方向偏移。

（2）通过对潞安矿区实际揭露的陷落柱的探采对比分析得出：地震解释陷落柱的中心位置平面摆动误差为0～30m，陷落柱的解释范围偏大0%～50%。实际探采对比分析结果与正演模型分析结果吻合。

（3）由于陷落柱特殊波的存在，造成断陷点附近的正常反射波振幅改变，物探工作者在解释陷落柱时，范围应该适当小于煤层反射波异常范围。