第二讲煤层反射波课件

煤层反射波及其地质异常的反映煤层反射波及其地质异常的反映g.g.瞬时相位瞬时相位主讲人：杨双安主讲人：杨双安河南理工大学资环学院河南理工大学资环学院第二讲第二讲第二讲第二讲煤层反射波及其地质煤层反射波及其地质异常的反映异常的反映一一.煤层的地震特性及煤层反射波煤层的地震特性及煤层反射波二二.煤层反射波上显现的地质异常煤层反射波上显现的地质异常三三.地震资料上水和瓦斯信息的提取与地震资料上水和瓦斯信息的提取与分析分析一一.煤层的地震特性及煤层反射波煤层的地震特性及煤层反射波I.I.煤层是煤田地震勘探的主要目的层。煤层是煤田地震勘探的主要目的层。II.II.煤层是一个岩性、厚度横向稳定、连续煤层是一个岩性、厚度横向稳定、连续性好的岩层。性好的岩层。III.III.煤层的厚度一般小于煤层的厚度一般小于10-15m10-15m，个别地方，个别地方煤厚大于煤厚大于20m20m，目前开采的矿井煤层厚度，目前开采的矿井煤层厚度多数在多数在2-10m2-10m范围内。范围内。.煤层的物性及其反射煤层的物性及其反射1)煤层及其围岩的物性煤层及其围岩的物性 物性物性密度密度(g/cm3)(g/cm3)纵波速度纵波速度(m/sm/s)第四系第四系1.8-2.01.8-2.0 1500-1800 1500-1800煤层的围岩煤层的围岩（砂岩、粉砂岩、泥岩）（砂岩、粉砂岩、泥岩）2.4-2.62.4-2.6 3100-3500 3100-3500煤层煤层1.3-1.41.3-1.41900-24001900-2400 可见，在煤系中，煤层是一个低速、低密度的夹层。可见，在煤系中，煤层是一个低速、低密度的夹层。上式分别为地震波的反射、透射系数公式，上式分别为地震波的反射、透射系数公式，上式分别为地震波的反射、透射系数公式，上式分别为地震波的反射、透射系数公式，R R R R为反射系数，为反射系数，为反射系数，为反射系数，T T T T为透射系数；其中为透射系数；其中为透射系数；其中为透射系数；其中1 1 1 1、1 1 1 1分别为界面上覆岩层的密度和速分别为界面上覆岩层的密度和速分别为界面上覆岩层的密度和速分别为界面上覆岩层的密度和速度；度；度；度；2 2 2 2、2 2 2 2分别为界面下伏岩层的密度和速度。速度和密度之积称之分别为界面下伏岩层的密度和速度。速度和密度之积称之分别为界面下伏岩层的密度和速度。速度和密度之积称之分别为界面下伏岩层的密度和速度。速度和密度之积称之为波阻抗，所以说波阻抗差异是煤层地震反射波的物质基础。为波阻抗，所以说波阻抗差异是煤层地震反射波的物质基础。为波阻抗，所以说波阻抗差异是煤层地震反射波的物质基础。为波阻抗，所以说波阻抗差异是煤层地震反射波的物质基础。若不考虑波前扩散和介质的吸收作用，反射系数和透射若不考虑波前扩散和介质的吸收作用，反射系数和透射若不考虑波前扩散和介质的吸收作用，反射系数和透射若不考虑波前扩散和介质的吸收作用，反射系数和透射系数之和等于系数之和等于系数之和等于系数之和等于 1 1 1 1。经计算顶底界面的反射系数（经计算顶底界面的反射系数（经计算顶底界面的反射系数（经计算顶底界面的反射系数（0.15-0.50.15-0.50.15-0.50.15-0.5）。一般当界面反射系数）。一般当界面反射系数）。一般当界面反射系数）。一般当界面反射系数0.10.10.10.1时，就认为是强反射面。顶底界面反射系数大小差不多，但是极性时，就认为是强反射面。顶底界面反射系数大小差不多，但是极性时，就认为是强反射面。顶底界面反射系数大小差不多，但是极性时，就认为是强反射面。顶底界面反射系数大小差不多，但是极性相反。相反。相反。相反。2)2)煤层的顶、底界面都是强反射面煤层的顶、底界面都是强反射面煤层的顶、底界面都是强反射面煤层的顶、底界面都是强反射面入射波反射波透射波介质2介质1综合反射定律和透射定律的内容，并扩展到多层水平层状介质的情况，可以得到斯奈尔定律。它还包括横波和纵波的传播。设各层的纵波、横波速度分别用Vp1,Vs1,Vp2,Vs2,.Vpi,Vsi表示，则斯奈尔定律的形式如下：P称为射线参数。在水平层状介质中，当波的某条射线以某一角度入射到第一个界面后，再向下透射的方向将由上式决定，这条射线就对应于一个射线参数值Pi。理想理想理想理想VTIVTIVTIVTI、TTITTITTITTI介质中地震波传播示意图介质中地震波传播示意图介质中地震波传播示意图介质中地震波传播示意图3 3）煤田地震有良好的反射波组）煤田地震有良好的反射波组新生界与煤系地层是一个良好的反射界面，可获得连续性较好的新生界底界新生界与煤系地层是一个良好的反射界面，可获得连续性较好的新生界底界面反射波。面反射波。煤系地层沉积稳定，主要标志层间距变化不大，岩性、岩相组合特征清楚，煤系地层沉积稳定，主要标志层间距变化不大，岩性、岩相组合特征清楚，物性差异明显与其围岩波阻抗差异明显，所形成的反射波波形稳定，能量强，物性差异明显与其围岩波阻抗差异明显，所形成的反射波波形稳定，能量强，连续性好，可连续追踪。连续性好，可连续追踪。三维地震单炮记录静校正前后单炮对比静校正前后单炮对比静校正前静校正后地形炮检距初至波初至波T3波T15波T3波T15波三维地震勘探的成果是以三维地震勘探的成果是以5m*5m*5m5m*1ms*1ms为单元的三维数据体为单元的三维数据体5m5m1ms网度的纵、横时间剖面和等时切片.煤层是煤层是“薄层薄层”1 1）煤层的）煤层的）煤层的）煤层的“薄薄薄薄”、“厚厚厚厚”是相对地震波长而言。一般认为当是相对地震波长而言。一般认为当是相对地震波长而言。一般认为当是相对地震波长而言。一般认为当层厚小于四分之一波长时，就是薄层。层厚小于四分之一波长时，就是薄层。层厚小于四分之一波长时，就是薄层。层厚小于四分之一波长时，就是薄层。若地震的主频若地震的主频若地震的主频若地震的主频50Hz50Hz50Hz50Hz，煤层地震波速度是，煤层地震波速度是，煤层地震波速度是，煤层地震波速度是2000m/s2000m/s2000m/s2000m/s，试计算煤层中地震波，试计算煤层中地震波，试计算煤层中地震波，试计算煤层中地震波长、垂直入射到厚度分别为长、垂直入射到厚度分别为长、垂直入射到厚度分别为长、垂直入射到厚度分别为1 1 1 1、3 3 3 3、5 5 5 5、7 7 7 7、9m9m9m9m时上下界面反射波的时差多时上下界面反射波的时差多时上下界面反射波的时差多时上下界面反射波的时差多大？大？大？大？2 2）煤层顶、底界面的反射波一般不能分辨，最终形成煤层顶、底界面的反射波一般不能分辨，最终形成煤层顶、底界面的反射波一般不能分辨，最终形成煤层顶、底界面的反射波一般不能分辨，最终形成复合反射。复合反射。复合反射。复合反射。3 3）煤层厚度对地震波振幅具有调谐效应：）煤层厚度对地震波振幅具有调谐效应：）煤层厚度对地震波振幅具有调谐效应：）煤层厚度对地震波振幅具有调谐效应：调谐效应调谐效应：当然，参与复合（叠加）顶、底两个反射间是有相位当然，参与复合（叠加）顶、底两个反射间是有相位差的。相位差差的。相位差=时差时差/厚度不同，时差不同，叠加后的合成振幅也不同，厚度不同，时差不同，叠加后的合成振幅也不同，即煤层即煤层的调谐作用：的调谐作用：当厚度较小，当厚度较小，相长干涉，合成地震波振幅与煤相长干涉，合成地震波振幅与煤厚近似正比的关系；厚近似正比的关系；当当 时，合成地震波振幅达到最大；时，合成地震波振幅达到最大；当当 时，合成地震波振幅逐渐下降，最后保持一时，合成地震波振幅逐渐下降，最后保持一个常数，意味着顶、底界面两个反射完全分开了。个常数，意味着顶、底界面两个反射完全分开了。，煤层反射波模型煤层反射波模型煤层厚度煤层厚度在煤层顶底在煤层顶底确定的正常确定的正常振幅振幅振幅曲线振幅曲线调调谐谐厚厚度度.煤层具有强的屏蔽作用煤层具有强的屏蔽作用T15T3TQ角度不整合的反映 由于煤层的屏蔽作用导致下组煤层能量弱、连续由于煤层的屏蔽作用导致下组煤层能量弱、连续性差，要想达到解决地质任务的目的比较难。一般与性差，要想达到解决地质任务的目的比较难。一般与上组煤层相距不远，根据上组煤层构造相似性来推断。上组煤层相距不远，根据上组煤层构造相似性来推断。.煤层内、煤层间多次波较发育煤层内、煤层间多次波较发育层间多次将可能模糊深部的反射层间多次将可能模糊深部的反射.地质层位和反射波的关系地质层位和反射波的关系煤煤层层反反射射波波分分析析合成地震记录和井旁地震道的对比合成地震记录和井旁地震道的对比地震剖面上的反地震剖面上的反射层和钻孔柱状射层和钻孔柱状上什么层位相当上什么层位相当？合成记录就是地合成记录就是地震剖面与钻孔地震剖面与钻孔地质剖面的桥梁。质剖面的桥梁。哪个波来自哪个哪个波来自哪个层位的？采用逐层位的？采用逐一围岩替代法。一围岩替代法。3 3 3 3号煤层号煤层号煤层号煤层9 9 9 9号煤层号煤层号煤层号煤层15151515号煤层号煤层号煤层号煤层钻孔柱状图钻孔柱状图钻孔柱状图钻孔柱状图人工合成人工合成人工合成人工合成记录记录记录记录钻孔位置钻孔位置钻孔位置钻孔位置3 3煤反煤反煤反煤反射波射波射波射波9 9煤反煤反煤反煤反射波射波射波射波1515煤反煤反煤反煤反射波射波射波射波二二.煤层反射波上显现的地质异常煤层反射波上显现的地质异常.典型的煤层反射波剖面典型的煤层反射波剖面.不整合不整合不整合面是一个良好的反射界面。不整合面是一个良好的反射界面。不整合界面之下的岩性不断变化，所以，沿该界面波阻抗变化大，反射不整合界面之下的岩性不断变化，所以，沿该界面波阻抗变化大，反射波的能量、波形也变化大，甚至连续性差，不易准确对比。根据上下同波的能量、波形也变化大，甚至连续性差，不易准确对比。根据上下同相轴角度相交，还是易于辨认的。相轴角度相交，还是易于辨认的。.煤层的背、向斜构造煤层的背、向斜构造图图 背、向斜在时间剖面上的反映背、向斜在时间剖面上的反映背斜向斜.绕绕射射波波图图 三维一步法偏移前后剖面对比三维一步法偏移前后剖面对比叠加剖面偏移剖面陷落柱断陷点陷落柱断陷点绕射波绕射波 .煤煤层层分分叉叉合合并、并、变变薄薄的的解解释释.煤层冲刷带解释煤层冲刷带解释.采空塌陷区解释采空塌陷区解释采 空 区采空区Inline 284Crossline 173采区边缘一个采空区在横（左）、纵剖面（右）剖面上的显示塌 陷 区塌 陷 区大多小煤窑不放顶任其自然坍塌大多小煤窑不放顶任其自然坍塌采掘率相等低，相应其地球物理采掘率相等低，相应其地球物理特征相当复杂。这些小煤窑的采特征相当复杂。这些小煤窑的采空区也能形成能量较强、连续性空区也能形成能量较强、连续性较好的煤层反射波阻，在时间剖较好的煤层反射波阻，在时间剖面上易识别面上易识别,不易分辨是不是采不易分辨是不是采空区（空区（老窑采空区富水性几率大老窑采空区富水性几率大）与陷落住与陷落住 图6-1 时间剖面上的采空区采空区 图6-2 时间剖面上的小窑采空区老窑采空区 图6-3老窑采空区的向斜形态特征老窑采空区大范围的赋存，由于采空区老窑采空区大范围的赋存，由于采空区内或是坍塌堆积，或是以空洞存在，或内或是坍塌堆积，或是以空洞存在，或是积蓄矿水形成下陷。其综合效应是引是积蓄矿水形成下陷。其综合效应是引起反射波时间延迟现象，时间剖面上形起反射波时间延迟现象，时间剖面上形成向斜形态特征，形似但不是地层向斜成向斜形态特征，形似但不是地层向斜 老窑采空区的时间剖面特征老窑采空区的时间剖面特征.小断层小断层图图 7mFe21正断层在时间剖面及等时切片上的反映正断层在时间剖面及等时切片上的反映Fe21微小断层漳村煤矿经过2005年井下开采验证F1断层，在巷道揭露点为0.8m，与三维数据体对比分析见如下时间剖面，依此从巷道揭露点0.8m位置开始到解释为3m断点的位置。从理论上分析，查明3米的断层可能性比较小。假设煤系地层的平均速度为3000m/s（更何况煤系地层速度一般大于3000m/s），那么，视觉要分辨2ms。一般来说在地形平坦，浅层地震地质条件比较好，激发层位在浅水位以下35m，原始记录的甲级率在80%左右，资料处理做到保真处理，类时间剖面在90%以上；或者说在复杂山区能够集多种浅层地震地质条件激发的有效地震波主频接近，查明3米断层还是可行的。图5-13 巷道揭露的ILN209时间剖面08米断点3图5-14 Inline213、214、216时间剖面断点断点33图5-15 Inline218时间剖面断点33断点逆断层图图 Sw3向斜、向斜、Sw4背斜、背斜、Sw5向斜在时间剖面上的反映向斜在时间剖面上的反映Sw3向斜Sw4背斜Sw5向斜Fw17.陷陷落落柱柱图图 Xe17陷落柱在偏移及方差剖面上的反映陷落柱在偏移及方差剖面上的反映图图 Xe2陷落柱在偏移剖面及方差顺层切片上的反映陷落柱在偏移剖面及方差顺层切片上的反映Xe2微小陷落住微小陷落住图5-16 2号煤层上15m 的陷落柱2号煤8号煤陷落柱.两平行回风石门两平行回风石门两平行回风石门两平行回风石门 埋深：埋深：埋深：埋深：460m460m460m460m间距：间距：间距：间距：50m50m50m50m 坡度：坡度：坡度：坡度：0.3%0.3%0.3%0.3%.煤矸石煤矸石 煤矸石 目前，还没有看到用地震勘探技术探测煤层夹矸的报道，而在目前，还没有看到用地震勘探技术探测煤层夹矸的报道，而在煤矿开采中发现了个别三维地震勘探区有区域煤矸石。如在晋城寺煤矿开采中发现了个别三维地震勘探区有区域煤矸石。如在晋城寺河煤矿河煤矿98年度年度三维地震三维地震勘探研究中，地震资料解释为勘探研究中，地震资料解释为3米的断层。米的断层。经开采经开采23011和和23015巷道穿过地震解释的落差巷道穿过地震解释的落差3m的断层的断层 时，发时，发现不是断层而是最大厚度仅现不是断层而是最大厚度仅1.4m，其平面形态为椭圆的煤矸石。，其平面形态为椭圆的煤矸石。煤矸石在不同方向时间剖面的反映煤矸石在不同方向时间剖面的反映图5-11 左中为inline剖面、右为crossline剖面.裂隙发育区在时间剖面上的反映裂隙发育带3 3号煤号煤.已验证不是断层而是瓦斯富集区在时间剖面上的反映3 3号煤号煤瓦斯富集区三三.地震资料上瓦斯信息的提取与分析地震资料上瓦斯信息的提取与分析三维地震勘探资料三维地震勘探资料3号煤层能量分布号煤层能量分布1）与钻孔瓦斯检测值的对比分析 钻孔瓦斯孔瓦斯值-能量能量对比分析表比分析表 孔号孔号3 3瓦瓦斯含量斯含量(毫升毫升克克)钻孔瓦斯孔瓦斯对应实际值平面平面图上估上估算的能量算的能量值实际能量能量值备注注(能量能量/瓦斯瓦斯)160216023.943.947.887.889.469.46858578.5778.57异常异常160316037.117.1114.2214.2217.117.1444440.7940.79异常异常170817088.938.9317.8617.8621.421.4118118111.33111.335.35.36.26.2倍倍170917098.268.2616.5216.5219.819.8808084.6884.684.24.25.15.1倍倍180318034.634.639.269.2611.1111.11656556.5756.575.15.17.07.0倍倍2）井下瓦斯监测数据对比分析见煤点瓦斯煤点瓦斯监测值-能量能量对比分析表比分析表见煤点煤点3 3瓦斯含量瓦斯含量(毫升克毫升克)实际能量能量值备 注注(能量能量/瓦斯瓦斯)1 113.5413.5467.6767.675.05.0倍倍2 213.5413.5451.0651.063.83.8倍倍3 37.527.5258.4758.47勘探区外不可靠（剔除）勘探区外不可靠（剔除）4 47.527.5260.6760.67勘探区外不可靠（剔除）勘探区外不可靠（剔除）5 515.1315.1357.1757.173.83.8倍倍6 615.1315.1370.7070.704.74.7倍倍7 715.1315.1350.0750.073.33.3倍倍8 815.1315.1372.9672.964.84.8倍倍3号煤层井下采掘巷道、能量及瓦斯预测分布图号煤层井下采掘巷道、能量及瓦斯预测分布图 3号煤层底板及瓦斯富集区分布图号煤层底板及瓦斯富集区分布图 预测结论预测结论：成果充分利用新技术将三维地震资料的信息作了深层次的提取成果充分利用新技术将三维地震资料的信息作了深层次的提取与利用，预测的结果反映的是煤层及顶、底板富含的游离态瓦斯及与利用，预测的结果反映的是煤层及顶、底板富含的游离态瓦斯及吸附态和液态瓦斯的综合效应。吸附态和液态瓦斯的综合效应。根据五个钻孔资料瓦斯检测值和八个井下瓦斯监测值与三维地根据五个钻孔资料瓦斯检测值和八个井下瓦斯监测值与三维地震资料预测的反映瓦斯富集区的能量分布图对比可知，已知的瓦斯震资料预测的反映瓦斯富集区的能量分布图对比可知，已知的瓦斯值与预测的能量值成正比例关系，经计算预测的能量值是已知瓦斯值与预测的能量值成正比例关系，经计算预测的能量值是已知瓦斯值的值的3.33.37.07.0倍的关系。倍的关系。由于预测的能量分布图的规律性不强，采用颜色的差别表示能由于预测的能量分布图的规律性不强，采用颜色的差别表示能量的差异，读取的能量值反映的瓦斯含量值在以下范围内：能量值量的差异，读取的能量值反映的瓦斯含量值在以下范围内：能量值8080时，瓦斯含量值时，瓦斯含量值1616立方米立方米/吨；吨；5050能量值能量值8080时，时，1212立方立方米米/吨瓦斯含量值吨瓦斯含量值1616立方米立方米/吨；吨；2020能量值能量值5050时，时，6 6立方米立方米/吨瓦斯含量值吨瓦斯含量值1212立方米立方米/吨；吨；0 0能量值能量值2020时，瓦斯含量值时，瓦斯含量值6 6立方米立方米/吨。吨。综上所述，煤层反射波里包含着丰富的地质信息。可采用地震属性技术，在地震地质条件较好的地区，可以解决的以下主要地质问题：(1)解释小构造，特别是落差小于5m的断层；(2)探查直径大于20m隐伏陷落柱；(3)探查采空区、煤矸石和古溶洞；(4)预测奥陶系灰岩岩溶裂隙发育带；(5)解释煤层的分叉、合并、冲刷变薄带；(6)预测瓦斯富集带。欢迎大家批评指正！欢迎大家批评指正！