田拴来

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

煤矿瓦斯突出致灾是影响煤矿安全生产的主要问题之一，相关地质成果表明，在高瓦斯煤矿瓦斯涌出量随着矿井生产煤量和开采深度的增加而增加，成为制约矿井安全、稳产、高效的主要因素。

长期以来，业内专家、学者及煤矿技术工程人员，对煤体自身特征通过煤矿采区断裂构造分布特征、不同煤体类型区域分布、发育特征、地应力分布特征、地球物理测井响应特征及煤样实验室分析等方面进行多方位、多角度的研究和认识煤体、特别是受构造破坏和影响的构造煤的研究取得丰富研究成果[1-14]，表明构造煤的存在是煤层瓦斯富集及瓦斯突出的一个必要条件，在此基础上，相关地球物理专家、学者基于地震属性多分析、反演技术对构造煤发育区地震波动弹特征进行了大量研究，并取得了可喜的成果，实践证明，煤层瓦斯富集区与地震波的振幅、频率、相位等基本属性具有特殊的联系，并以低频共振、高频衰减为特征，通过地震振幅强度、主频能量、低频带能量、相位特征、波阻抗反演、AVO反演等手段进行构造煤识别的同时，综合判断分析作为瓦斯富集带预测的依据[15-21]。

“低频震荡、高频衰减”地震频率衰减特征，往往用于典型的石油、天然气(固相+流相)双相储层介质——规天然气富集区检测，效果显著[22-23]，而煤层瓦斯富集区与固态煤系地层是一种典型的(固相+流相)双相介质，能否通过煤层瓦斯富集区具有“低频震荡、高频衰减”地震频率衰减变化特征，预测煤层瓦斯富集区，这就是本文探索的目地。

1 频率衰减属性分析基础

常规油气富集区地震分析成果表明，地震波穿过双相介质时，在固相和流向之间产生相对位移并发生相互作用，即地震波的振幅和相位发生变化，同时，地震记录上具有更为明显的 “低频共振、高频衰减”动力学特征；地震波在含气储层中传播时往往导致地震波信号及能量的衰减，同时也伴随频率向低端偏移，地震波衰减的越大频率向低端方向偏移也明显，该技术往往用于烃类检测。

煤层瓦斯富集与固态煤系地层也是一种典型的(固相+流相) 双相介质，同理也应符合上述分析原则

2 频率衰减属性分析流程

①在研究分析区地震资料的主频及频宽的基础上，基于目标储层设定分析时窗，通过DFT离散傅立叶变换，生成频率属性体。

②基于频率属性体，计算目标层(或段)给定是时窗内道集频率变化特征(频率从低到高/或频率从高到低)，计算时窗内道集频率衰减斜率。

③提取目标层段频率衰减斜率，生成频率衰减斜率属性图。

④预测煤层瓦斯富集区。

分析流程详见图1。

图1 三维地震频率衰减分析流程Figure 1 Analysis flow of 3D seismic frequency attenuation

3 实例分析

3.1 分析区地质概况

淮北芦岭煤矿属煤与瓦斯突出矿井，构造煤极为发育，一直制约矿井安全、稳产、高效生产。根据瓦斯抽放井及生产区、掘进区、采空区瓦斯涌出量统计分析，瓦斯主要来源于主采8煤层。

芦岭煤矿地处淮北煤田东南缘宿东矿区，属典型石炭—二叠系含煤地层。在地层区域划分上，属于华北地层区、鲁西分区、徐宿小区，其岩性及厚度相对稳定。在古老变质基底上，沉积有青白口系、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系和第四系。

分析区主要含煤地层为二叠系的石盒子组和山西组。主要可采煤层为下石盒子组的7煤层、8煤层、9煤层和山西组的10煤层。

本次分析采区为Ⅲ102、Ⅲ106采区，面积约4.6km2。研究目地层8煤层平均厚度9.67m，属稳定煤层。8煤顶板主要为泥岩，细砂岩次之，底板为薄层状砂质泥岩或泥岩，局部为细砂岩；受西寺坡滑动构造控制，构造煤极为发育,在8煤层中滑动构造形成的薄煤区或增厚带，往往都是瓦斯高富集区，同时8煤薄化区因煤体强度降低，瓦斯富集而易引发煤、岩与瓦斯突出。对采区采掘所揭露的大量小断层资料分析，芦岭煤矿8煤层中小断层发育主要有如下特征:

①小断层以正断层为主;

②在中厚煤层中以落差小于煤厚的小断层为主，在特厚的8煤层中滑动断裂占主导地位;

③断层面(带)的力学性质均带有扭的性质。断层面上存在有多组擦痕和一层厚5～10mm的软泥膜，光亮滑腻，封闭性较好;

④滑动构造面两侧多为瓦斯富集区[24]。

图2芦岭煤矿某采区8煤层地质构造与瓦斯富集特征成果，佐证了上述成果。

3.2 分析区瓦斯突出特征

①浅部已发生的瓦斯突出或动力现象主要在溜煤眼揭煤时，以小型压出或倾出为主，但随着深度的增加，瓦斯压力的增大，逐渐转变为地质应力为主导因素引发的大、中型煤、岩与瓦斯突出。

②突出多发生在地质构造较为复杂地带，有1/3的突出点附近有小型构造存在。

③突出点均与构造煤相关联即有软煤分层存在，煤层的硬度系数较小。

④突出多发生在煤厚变化处，及因层滑引起的煤层变薄处。

⑤煤层厚度及变化对煤与瓦斯突出具有较大的影响。煤层厚度的大小与生成的瓦斯量多少有关。此外，厚煤带还为瓦斯的储集提供了场所。煤层厚度变化时，瓦斯绝对涌出量也呈明显的正比例变化。

图2 芦岭煤矿某采区8煤层地质构造及瓦斯突出特征Figure 2 Geological structure and gas outburst features of coal No.8 in a winning district, Luling coalmine

综上所述，地质及构造特征的综合作用主控了芦岭煤矿8煤层瓦斯富集与突出：

①滑动构造控制了分析区构造煤的发育，导致煤层急剧增厚与变薄，形成瓦斯高富集区场所；

②断裂封闭性较好，导致滑动构造面两侧多为瓦斯富集区；

③煤层顶底板岩性组合有利于煤层瓦斯的赋存。

3.3 分析区8煤层反射波动力学特征

分析区三维地震成果表明，主采煤层反射波频率丰富、分辨率高，见图3典型地震时间剖面图，经三维地震多属性分析，分析区8煤层反射波具有如下主要特征。

3.3.1 构造煤与非构造煤反射波主振幅差异性

图4 为分析区内过构造煤不发育钻孔(99-1)与构造煤发育钻孔(2001-1、WLG05、L19)连井三维地震主振幅属性分析剖面成果(分析时窗选取±8ms)，可见，构造煤不发育钻孔部位具有高主振幅属性特征，而构造煤发育钻孔部位具有低主振幅属性特征。

3.3.2 构造煤与非构造煤反射波主频能量具有明显差异性

图5为分析区内过构造煤不发育钻孔(99-1)与构造煤发育钻孔(2001-1、WLG05、L19)连井三维地震主频率属性分析剖面成果(分析时窗选取±8ms)，可见，构造煤不发育钻孔部位具有高主频率属性特征，而构造煤发育钻孔部位具有低主频率属性特征。

大量分析成果表明：构造煤与非构造煤反射波不仅在煤层反射波主振幅、主频能量地震属性方面具有差异性，而且在其他动力学特征方面——反射波最大振幅属性、波阻抗属性等等也具有明显的差异性[17]。

3.4 分析区构造煤发育区分析成果

图6为基于地震PCA主成分属性分析预测的Ⅲ102、Ⅲ106采区8煤层构造煤发育分布平面图(参与PCA主成分分析地震属性有5种：8煤层反射波振幅最大值， 8煤层主频能量，8煤层反射波主振幅，8煤层反射波均方根振幅，8煤层反射波叠后波组抗反演属性)。

图3 分析区地震时间剖面Figure 3 Analyzing area seismic time section

图5 分析区构造煤与非构造煤发育区8煤层反射波主频率属性特征Figure 5 Analyzing area tectonoclastic coal and non-tectonoclastic coal developed zones coalNo.8 reflection predominant frequency attribute features

图6 分析区8煤层叠后多属性融合主成分分析构造煤发育区成果图Figure 6 Analyzing area coal No.8 poststack multi-attribute fusion tectonoclastic coal developed zone PCA results

图7 过构造煤不发育区、构造煤发育区孔连井地震反射波频谱分析Figure 7 Non-tectonoclastic coal developed, tectonoclastic developed zones cross well seismic reflection frequency spectral analysis

可见，构造煤不发育区(红-黄色分布区)，主要分布在PCA属性高属性值区域(即分析区北部)，构造煤发育区(黑-灰色分布区)主要分布在PCA属性低属性值区域(即分析区南部及东部)，与区内8煤层构造煤发育钻孔(绿色)及构造煤不发育钻孔(白色)的分布特征吻合度较高，同时可见构造煤发育区与断层发育分布特征具有较好的关联性。

3.5 分析区频率属性分析

若对前述构造煤不发育孔(99-1)及构造煤发育孔(2001-1、WLG05、L19)连井地震反射波进行波频谱分解，(见图7)，可见，当调谐频率较低时(30Hz)，构造煤不发育孔(99-1)处8煤层的能量特征与构造煤发育孔(2001-1、WLG05、L19)处的能量特征具有明显的能量强弱变化，表现出构造煤不发育孔处8煤层能量弱，构造煤不发育孔处8煤层能量强；当调谐频率增加到40Hz时，各钻孔处8煤层振幅能量都得到加强；随着调谐频率增加到50Hz时，构造煤不发育孔处8煤层的能量增加，而构造煤不发育孔处的振幅值则表现出低、高频能量聚烈下降 ，形成明显的分区，当调谐频率达到60Hz时及以上，高、低能量分布特征进一步加强。这表明构造煤发育区与构造煤不发育区在频率特征上具有明显的差异性特征。

上述分析特征表明：构造煤发育区煤层反射波具有低频共振、高频衰减特征，符合双相介质含气频率衰减特征。这有利于在分析区开展基于频率衰减特征预测煤层瓦斯富集区的分析与研究。

3.6 分析区频率衰减属性分析

图8为利用三维地震数据体基于频率衰减属性(分析时窗选取±8ms)预测的8煤层瓦斯富集区成果图，分析图8可见，构造煤不发育孔主要分布在正值斜率分布区(即图中红黄色分布区)，构造煤发育孔主要分布在负值斜率分布区(即图中黑色色分布区)，依据双相介质因常规气富集地震频率衰减斜率分析原则：正值斜率往往表示缺乏烃类富集，负值斜率往往表示烃类富集，进而，预测出分析区煤层瓦斯富集区及图中黑色色分布区—分析区南部及东部区域。

对比图6分析区8煤层构造煤发育区分布图可见：煤层瓦斯富集区与构造煤发育区成正相关，同时表明，分析区8煤层顶底板岩性组合及断层带具有强的封闭性特征，为煤层瓦斯富集创造了有利条件，也因此加大了分析区煤与瓦斯突出致灾危险因素。

2012年中国煤炭科工集团西安研究院在分析区东部构造煤发育区——频率衰减负值斜率分布区(见图8白色箭头位置)对8煤层施工煤层瓦斯地面排采井组，进行煤层瓦斯排采：WLG-01、WLG-02、WLG-03、WLG-04、WLG-05井组，各单井日排采煤层瓦斯最高可达3 000m3/d，平均日产气达1 541m3/d。可见：利用频率衰减属性预测煤层瓦斯富集区方法技术的可行性。

4 结论

通过实际煤矿采区三维地震频率衰减属性分析预测煤层瓦斯富集区成果表明：

①构造煤的存在是煤层瓦斯富集及瓦斯突出的一个必要条件，当盖层岩性组合及断裂构造封闭性有利于煤层瓦斯富集时，煤层瓦斯富集区与构造煤发育区成正相关关系。

②依据双相介质因常规气富集地震频率衰减斜率分析原则：正值斜率往往表示缺乏烃类富集，负值斜率往往表示烃类富集，煤层瓦斯富集与固态煤系地层也是一种典型的(固相+流相)双相介质，符合上述分析原则，可以推广运用到煤层瓦斯富集三维地震预测中去。

③在充分分析地质、构造分布特征的前提下，利用地震频率衰减属性分析预测煤层瓦斯富集区是一种较为行之有效的技术分析方法，易于推广运用。

图8 频率衰减斜率预测8煤层瓦斯富集区图 Figure 8 Diagram of coal No.8 gas enrichment zone frequency attenuation slope prediction