我国华北地区含煤地层中陷落柱较为发育，陷落柱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，给煤矿高效安全开采带来很大隐患(尹尚先等，2004；张茂林和尹尚先，2007).由于陷落柱是一种孤立的地质体，其空间形态、规模各异，隐蔽性强，呈点状突水通道等特征，陷落柱探测的技术难度较大(许进鹏等，2008).探测陷落柱的物探方法有三维地震勘探技术、无线电坑透法、瞬变电磁法及槽波法等(李宁等，2013).现阶段已基本能探查柱体直径大于100 m 的陷落柱，但小陷落柱的解释误差则比较大(尹奇峰等，2012).目前地震勘探技术依然是查明陷落柱的主要技术手段，崔若飞、陈同俊等利用地震属性分析技术对断层、陷落柱等进行了理论研究和实例分析(崔若飞等，2002；陈同俊等，2007；林建东等，2012；汤红伟，2012；李巧灵等，2013).李艳芳等深入研究了陷落柱的地震波场特征(吴守华等，2004；Zhang and Lin, 2008;李艳芳等，2011).曹志勇等设计了陷落柱地震数学模型，运用正演模拟方法，分析了不同规模陷落柱的地震响应特征及其分辨率(李飞等，2009；张玉法等，2011；曹志勇等，2012).地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，利用高纵向分辨率的测井曲线约束横向连续性很好的地震资料，通过反演运算，得到的岩性数据体能够反映地层和岩性信息(孟宪民和蒋维平，2009；钱进等，2010).本文通过建立不同类型、不同尺寸的陷落柱二维正演模型，模拟得到陷落柱的地震响应特征，并在此基础上，对正演地震记录进行二维波阻抗反演，总结归纳陷落柱波阻抗剖面特征.最后，结合常村煤矿实际地震资料，采用波阻抗反演方法，对煤层陷落柱的识别进行了实例预测.

陷落柱是煤系底板厚层灰岩中古溶洞裂隙的塌陷物以及上覆地层塌陷物形成的塌陷体.我国华北各煤田岩溶陷落柱比较发育，主要是指石炭二叠系煤系下部的奥陶系灰岩中的古溶洞(裂隙)塌陷形成的柱体.现有资料表明，陷落柱的塌陷高度(指奥灰顶界到柱体顶端)一般在200 m左右，小者有几米或十几米，大者可达 600 m.其平面形态大多呈椭圆形；直径大小不等，一般在几十米至百米间.剖面形态多表现为4类：①圆锥形；②筒形；③斜塔形；④不规则形(尹尚先等，2004；张茂林和尹尚先，2007).

陷落柱柱体内地层有两种赋存形态，一是整体塌落，只和柱壁形成错断，而柱体内层位还保持相对完整性；另一种是垮落，柱体内层位变形破碎扭曲，原有的层序不复存在(方庆水等，2009).在煤矿中多按陷落柱的规模来分类，煤层陷落柱的直径和横切面的面积通常作为评定陷落柱规模的基本指标.

最常见的陷落柱一般呈上小下大的圆锥体，模型的设计结合实际地质岩溶陷落柱发育的特征，设计了两组类型的陷落柱，一种整体塌落，柱体内层位完整；另一种垮落，柱体内碎块填充.岩溶陷落柱的直径大小以断陷煤层的横向距离衡量，设计柱体断陷煤层的直径分别为15 m、50 m及300 m, 陷落柱塌陷高度500 m.模型中煤层直接顶、底板均为砂岩.模型宽度设置为1500 m, 深度为800 m.岩溶陷落柱模型如图 1所示.模型中地层的物理参数见表 1(张茂林和尹尚先，2007；张玉法等，2011).根据岩溶陷落柱模型进行正演模拟，放炮接收方式为“自激自收”，地震道(CDP)为301道，CDP道间距为5 m.选用50 Hz的零相位雷克子波，子波长度为100 ms, 采样间隔为1 ms, 得到陷落柱模型的正演剖面.以陷落柱直径50 m(地震道为10道)剖面为例，如图 2所示.

图 1

Fig. 1

图 1 陷落柱模型 Fig. 1 Collapse column model

表 1 (Table 1)

表 1 陷落柱模型的几何与物性参数 Table 1 Geometric and geophysical parameters of collapse column model 岩性 深度范围H(m) 厚度h(m) 纵波速度Vp(m·s-1) 横波速度Vs(m·s-1) 密度ρ(g·cm-3) 泥岩 0~200 20 3000 1650 2.2 砂岩 200~500 300 3400 2037 2.5 煤层 500~506 6 2200 1100 1.4 砂岩 506~700 184 3400 2037 2.5 陷落柱 300~800 (陷落柱直径)1 5、50、300 2500 750 1.82 灰岩 700~800 100 5000 2518 2.7

表 1 陷落柱模型的几何与物性参数 Table 1 Geometric and geophysical parameters of collapse column model

图 2

Fig. 2

图 2 直径为50 m的陷落柱正演地震记录 Fig. 2 Seismic records of the collapse column model(diameter with 50 m)

从剖面中可以看出，整体塌落型陷落柱，煤层反射波同相轴局部发生扭曲、变形，波组自上而下错段；垮落型陷落柱，标准反射波在小范围内突然中断或消失.

常规地震剖面的纵向分辨率较低，无法对地层进行分层，更无法提供岩性信息，而反演剖面的纵向分辨率却有明显提高.可以利用岩性信息-波阻抗来划分地层、提高弱煤层底板反射波的连续性和可检测性，获得煤层及其顶、底板的岩性信息，进而解释地质异常体的范围(孟宪民和蒋维平，2009；方庆水等，2009；崔若飞等，2009；钱进等，2010).

本次地震反演方法为基于模型地震反演.它的基本原理是建立在地震记录褶积模型基础上，其实质就是从测井资料出发，根据钻井分层数据及时深关系对井进行精细时深标定，建立一个初始波阻抗模型，用此模型合成地震剖面与实际地震剖面作比较，然后不断修改模型，使合成剖面逼近实际剖面，得到最终的地质模型(彭刘亚等，2013a，b；崔大尉和于景邨，2014).基于模型的地震反演流程见图 3.根据表 1，获得密度曲线，对二维正演地震记录进行约束反演，采用基于模型反演方法，选择表 2中的反演参数，获得反演剖面.图 4、图 5、图 6分别为直径15 m、直径50 m、直径300 m陷落柱的反演剖面图.

图 3

Fig. 3

图 3 基于模型的地震反演流程 Fig. 3 Flow chart of model based seismic inversion

表 2 (Table 2)

表 2 地震反演基本参数设置 Table 2 Basic parameters for seismic inversion 反演类型 声波阻抗反演 地震数据 叠后偏移地震数据体 建模井曲线 ρ*、Vp 反演方法 基于模型法 约束条件 硬约束条件：±25% 反演子波 统计子波，长度100 ms 迭代次数 50次

表 2 地震反演基本参数设置 Table 2 Basic parameters for seismic inversion

图 4

Fig. 4

图 4 直径15 m的陷落柱反演剖面 Fig. 4 Impedance inversion profile of collapse column(diameter with 15 m)

图 5

Fig. 5

图 5 直径50 m的陷落柱反演剖面 Fig. 5 Impedance inversion profile of collapse column(diameter with 50 m)

图 6

Fig. 6

图 6 直径300 m的陷落柱反演剖面 Fig. 6 Impedance inversion profile of collapse column(diameter with 300 m)

从反演剖面中可以看出，煤层的波阻抗值较低，为4000 g/cm³·m/s左右，颜色反应为绿色；陷落柱的波阻抗值较高，为6500~8000 g/cm³·m/s, 颜色反应为红色-兰色，但低于煤层顶底板围岩波阻抗值(大于9000 g/cm³·m/s, 颜色反应为蓝色-洋红色).对比发现，整体塌落型陷落柱内部物性与周围地层差异不大，剖面波阻抗特征并不像垮落型陷落柱变化明显，但柱体与煤层接触的部位，波阻抗值增大，且与周围地层自上而下存在清晰的错段.对于陷落柱的规模，地震反演能够反应小规模陷落柱(断陷煤层直径小于50 m, 即小于10道地震道(CDP))的特征，且随着陷落柱的规模变大，特征越明显.这主要是小规模陷落柱处反射波没有明显间断，仅表现为弱振幅，受地震横向分辨率的限制，反演剖面特征没有规模大的陷落柱明显.但是通过波阻抗值的相对大小在颜色上的对比也可以很好的识别.因此，在陷落柱模型正演记录的地震响应分析基础上，采用地震声波阻抗反演分析识别陷落能够取得良好的效果.

为了验证正演模拟方法所获得结论的可靠性，选取潞安常村井田某采区进行实例研究.区内煤系较平缓，主采的3#煤层厚度6 m左右，埋深500~600 m, 其密度与速度和上下围岩(砂岩)有较大差异．是一个较好的反射界面，可形成能量较强的反射波(T3波)，T3波在剖面上的对应时间约为300~400 ms.(程裕斌等，2008).本区属石灰岩岩溶发育区，陷落柱也较为发育，3#煤层陷落柱在多个采区的钻孔均有揭露.这不仅阻碍了矿井高产高效安全生产，而且有因陷落柱的位置不明或偏差造成煤炭资源的极大浪费的可能.

本区三维地震勘探CDP网格为5 m×5 m, 即剖面中Inline(Xline)道间距为5 m.图 7基本能够反应两种类型陷落柱的地震剖面特征，两种陷落柱断陷煤层的直径为50 m左右.对比发现，T3 波有以下变化：①煤层反射波波形特征改变，相位发生转移，波组自上而下错段；②振幅(即能量)明显变弱，局部突然中断或消失.T3波对陷落柱的响应特征和正演模拟结果的规律相符.

图 7

Fig. 7

图 7 研究区陷落柱在地震剖面上的显示 Fig. 7 Seismic section of collapse column of the study area

利用研究区的测井曲线，对三维地震资料进行约束反演，采用基于模型反演方法，选择表 2中的反演参数，获得反演数据体.煤矿实际陷落柱地质特征十分复杂，柱内塌陷物可能是整体塌陷，也可能呈无序，杂乱无章的分布，且胶结程度不一，密度差异变化较大.对两种类型的陷落柱正演分析，目的在于更全面的归纳其地震响应特征，指导实际生产过程中陷落柱的地震识别.在对地震资料解释工作中，并不对陷落柱类型区分，只分析陷落柱的规模.图 5为过LAC-087井的波阻抗反演剖面.图中煤层波阻抗值，在4000~5000 g/cm³·m/s, 色标为绿色；顶、底板(砂泥岩)波阻抗值约为8000~9000 g/cm³·m/s, 色标为蓝色-洋红色.煤层陷落柱内部地层相对于周围地层有一个明显的沉降，导致煤层的地震反射同相轴横向不连续，但陷落柱内部依然存在一小段较为明显的地层反射，柱体与周围地层接触的部波阻抗值变大.

由于陷落柱的波阻抗值高于煤层而低于煤层顶底板，分别提取研究区3#煤层及其顶板波阻抗切片.如图 9所示，从图中可以发现，区内零散孤立的分布着一些波阻抗值异常区域((a)图中红色-兰色区域、(b)图中深黄色-红色区域)，其值约为6500~8000 g/cm³·m/s, 除中部LAC-095井、LAC-092井及LAC-072井所包围的异常区域受褶曲构造影响外，其余为陷落柱异常区.切片对煤层陷落柱发育边界、形态、规模、位置等清晰反应，对比发现，陷落柱异常在煤层顶板切片中显现更为明显，尤其是疑似小型陷落柱(直径小于50 m)的异常有较高的分辨率，如图黑色圆圈指示.因此地震反演较清晰的反映了陷落柱的地震响应异常.

图 8

Fig. 8

图 8 陷落柱波阻抗反演剖面特征 Fig. 8 Impedance inversion profile of collapse column of the study area

图 9

Fig. 9

图 9 陷落柱波阻抗切片特征 Fig. 9 Impedance slice feature of collapse column

本文从地震声波阻抗反演的角度讨论煤田陷落柱的识别问题.分别对两种类型和多种规模的陷落柱进行了地震正演模拟，并对模拟结果进行了声波阻抗反演.通过对正演模拟资料和实例资料的反演成果的分析，获得如下几点结论：

1) 正演模拟结果表明：整体塌落型陷落柱的煤层反射波同相轴局部发生扭曲、变形，波组自上而下错段；垮落型陷落柱，标准反射波在小范围内突然中断或消失.

2) 在声波阻抗反演剖面上垮落型陷落柱波阻抗值明显大于煤层波阻抗值；整体塌落型陷落柱柱体与煤层接触的部位波阻抗值变大，地层自上而下存在错段；直径小于50 m的陷落柱的波阻抗特征得到了良好的反应.

3) 在实际反演剖面上，陷落柱的响应特征和正演模拟结果的规律相符；从反演数据体提取的3#煤层及其顶板波阻抗切片能清晰地反映陷落柱在煤层中的平面位置及形态，并识别了直径小于50m的小型陷落柱.

致 谢 感谢导师陈同俊老师对我的鼓励与指导，感谢煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室的崔若飞老师、崔大尉博士、赵立明硕士等的帮助.