戴世鑫，朱国维，张 鹏，刘现锋，刘百祥 周桃生

(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

煤炭是我国的主体能源,在一次能源生产和消费结构中占70%左右,这一格局在今后相当长时间内不会有根本性的改变。随着煤炭开采程度的加大,勘探区将逐渐向深部发展,如何提高深部地质成果精度,在深部实现高产高效是我国今后的主要勘探目标[1-4]。因此，基于这一目的，利用地震模拟技术对复杂地质条件下的淮南煤系地层进行地震勘探模拟研究，为煤炭资源的高产、高效、安全开采提供技术保障。

1 研究区地质概况

淮南煤田位于安徽省淮北煤田南部，淮河中游的两岸，煤炭资源丰富，是我国重点煤炭生产基地。矿区东西长180 km；南北宽15～25 km；面积约3200 km2。区内石炭、二叠系主要含煤地层厚约1200 m，总体上由二叠纪山西组，晚石炭纪太原组和上、下石盒子组组成。地层层序完整，厚度稳定，主要有砂岩、粉砂岩、泥岩和砂质泥岩及煤层组成[5-9]。主要可采煤层9～18层，总厚度22～34 m，其中晚二叠世上石盒子组第4含煤段的13-1煤单层厚度6～10 m。但是，由于受后期构造的影响，本区断层发育，主要煤层中构造煤发育，煤与瓦斯突出严重[10-15]。煤层底部灰岩发育，厚度大，特别是石炭系或奥陶系灰岩裂隙岩溶发育，含水量较大，对开采煤组有很大影响；在地层倒转，灰岩覆于煤系之上，威胁性更大。

2 煤系地层模型设计

通过对淮南煤系地层的详细调查，在总体上把握了该区域的煤系地层分布和岩性特征，确定了各层的厚度、倾向以及倾角；实际调查了煤层内部的裂隙发育情况以及瓦斯含量、煤层底部灰岩的岩溶发育状况；另外，也查明了控制该区域的主要断裂构造和一些规模小但有一定规律性的断层分布及特性。

有关煤地层岩石物性参数的研究，主要从两个方面来开展：一是根据经验公式或者前人研究所得的经验值来确定；二是在实验室内，根据实际测试岩心得到的数据来确定。而在本次的研究中，是综合两方面的研究，得到我们所需要的岩石物性参数。首先，将实际采集的煤岩样在实验室利用超声仪器进行探测，得到各样品的纵横波速度。其次，利用相关经验公式[16]，确定各岩层的岩石密度、纵波速度和横波速度。

3 煤系地层模型制作

在物理模型制作过程中，三个破裂带是制作难点。依据材料与岩石物理测量参数，制作出理想的物理模型，其具体制作过程如下。

1) 制作灰岩底层，用石类粉与环氧树脂混合浇注而成。其中有三个洞，即：中心线两侧距离10cm处各有直径为6.4 mm的长空洞，洞1中心与底部距离为34.5 mm，洞3中心与底部距离为34.0 mm；另外，洞2是球体状(1383 m/s)，直径为9.98 mm，球洞中心正好位于中心线上，与底部距离为33.0 mm。制作方式采用玻璃棒涂上石蜡镶嵌在模具中，固化好后把玻璃棒抽出来即可。测试时洞1充填水(1480 m/s)；洞2充填油(1383 m/s)，两端用皮塞封好；洞3填充空气(340 m/s)，两端也用皮塞封好。

2)煤层尖灭层制作，煤层由环氧树脂与硅橡胶按一定比例混合而成，该层是一次浇铸而成，等固化后进行加工。

3)泥质粉砂岩3，材料为滑石粉类，与有机混合物搅拌一次浇铸而成。

4)煤层斜薄层2，一次浇铸而成，固化几天后再进行加工，确保模型精度。

5)泥质粉砂岩2，先做西半部分，再浇铸东半部分，两部分之间有一斜痕迹，浇铸后进行加工。

6)煤层斜薄层1，三段破裂带制作要求高，制作好多实验，都不理想，后来采用分层压制法，信号的能量才上去了，符合要求；做好后采用先粘贴在下层上的方式，破裂带中的片厚0.2 mm，实测速度1284 m/s；破裂带1有8.92片/cm，能量1.0156 V，宽度22.43 cm；破裂带2有17.05片/cm，能量0.471.2 V，宽度21.11 cm；破裂带3有24.55片/cm，能量0.4625 V，宽度26.07 cm；薄层一次完成，固化后进行加工。

7) 泥质粉砂岩1，两次浇铸完成，由于模型需要固体测试，要求精度高，表面不好加工，因此到工厂进行加工。

由于在制作过程中，会受到温度和人为的一些微弱影响，通过LIKE测量划线仪，测量出模型的几何形态，最终的模型与当初设计的模型还是存在一些差距

4 模型数据采集与处理

模型数据采集的观测系统：测线位置位于模型东西向中线；第一炮的位置：在模型的东西向中线上，模型西边沿0 mm；观测系统：0至最小炮检距16 mm至最大炮检距134 mm；炮距2 mm，道距2 mm，覆盖次数30；采集参数：266炮/60道/4096点/采样间隔0.1μs；233炮开始，每放2炮减少2道接收。

模型数据处理按观测系统定义→FK滤波→速度分析→动校正→叠加→偏移流程，分五步进行了简单的处理。处理采用Focus软件完成。

4.1 原始数据品质分析

尽管是实验室采集的资料，从对原始数据的分析来看，该模型数据的品质与野外实际采集的地震数据的品质非常相似，但在记录上明显出现了来自水池壁侧反射干扰和来自模型边缘介质分界面的绕射波干扰(它们在记录上表现为视速度较低的交叉同相轴)，但主反射层同相轴依然可以清晰地辨别和追综。

4.2 速度分析、动校正与叠加

在速度分析过程中，假设模型的速度是未知的，采用了与常规地震资料处理一致的速度分析方法，即利用交互速度分析工具拾取叠加速度。每个速度谱由10个CMP道集计算得到。在完成对整个数据体进行叠加速度分析后，采用常规的动校正与叠加。

4.3 偏移处理

叠加数据体进行了叠后偏移。从实际的偏移情况看，偏移归位效果较好，与实际模型基本一致。这说明整个模型数据的预处理流程与参数是合理的。

对比叠前与叠后，可以看出，侧面反射波已经消除了，断面反射波及断点的绕射波都得到了收敛和归位，明显突出断层的空间形态和位置。在偏移剖面中，尖灭经过偏移绕射，波能够很好的归位，可以看出其形态。但是，深部的孔洞波形特征不明显，要通过别的途径来验证，查找原因。

5 地震数值模型

地震数值模拟，就是求取地震波在已知的地下地质模型中的传播规律，包括传播时间、路径、能量等。通过模型正演，可以正确认识地震波在复杂介质中传播的运动学和动力学特征，准确地分析地下地质构造所产生的反射地震波场特征。在人工给定的地质模型中进行正演得到的规律，能够增进人们对未知模型的认识，从而有助于地质问题的解决[17]。

5.1 地震数值模型设计与采集

模型描述：完全按照地震物理模型制作，地震观测系统也是按照实际地震物理模型的观测系统设置，数据采集的方法与地震物理模型完全相同。

5.2 原始孔洞数据资料品质分析

可以看出，充水、充油、充气三个孔洞内，充气时的振幅变化值最大,充油次之,充水最小。这是由于孔洞内充气后,其顶、底界面与围岩之间的波阻抗差最大造成的。

5.3 地震数据处理

数据的处理流程，则是在与实际地震物理模型完全相同的情况下进行的，得到了孔洞内充气、充水、充油时的叠后时间偏移剖面(图1)。

图1 处理剖面

从图1可以看出：①在3个孔洞处均出现了强振幅反射,充填水、油、气后,3个孔洞处均清晰地显示了孔洞的位置和孔洞的顶、底。②充气孔洞绕射最严重,串珠状特征最显著;充水和充油孔洞的反射形态比较相似；充气和充水孔洞的反射长度最明显不同,这与孔洞内充气、充水后引起的非均质性比充气、充油引起的非均质性更大有关。3个孔洞内，充气时的变化值最大,充油次之,充水最小,这是由于不同孔洞内波阻抗差异明显造成的。

6 结论

1) 成功地实现了煤系地层地震物理模型的制作与测试，尤其是低速煤层和裂隙带的模拟制作，作为指导煤田地震勘探，优化野外地震观测设计，认识煤田地震波场特征有明显意义。

2) 由于目前国内外地震物理模实验，主要还是应用于石油天然气的勘探开发上，而在煤田勘探很少被用来解决实际的问题。因此，本次研究成果是值得肯定的。

3) 在仿真模拟淮南煤系地层地震物理模型制作与测试的基础上，在淮南矿区也进行了实际地震数据采集，在观测系统上提供了很大帮助。

4) 地震数值模型分析结果表明：地震探测可以检测孔洞。不同介质孔洞会引起地震波场绕射和反射特征有明显差异。有一定发育形状并且顶、底和孔壁保存相对不错的孔洞能产生较强的反射特征,偏移剖面上表现为背景差异显著的较强反射,特别是孔洞内含气时,孔洞绕射最剧烈,串珠状特征最显著，这将对实际地震物理模型数据处理有很大的指导意义。

5) 地震物理模拟技术本身还有许多问题有待继续研究和解决，具体表现在：本次物理模型研究并未很好地实现深部溶洞、尖灭煤层地震响应的探测与分析，包括煤层裂隙带的三分量探测；需要进一步的优化观测系统和数据处理，提高模型数据的处理与分析水平。

致谢：在成文过程中，地震物理模型得到了中国石油大学(北京)CNPC物探重点实验室魏建新教授与狄帮让教授的指导和帮助，在此对两位教授表示由衷的感谢。

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