蚂蚁追踪技术在煤层上部裂隙预测中的应用
乔 会，黄鹤飞，王铁松
(1．陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005；
2.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713699；
3.山东能源淄博矿业集团有限责任公司，山东 淄博 255000)
基于蚂蚁算法的蚂蚁追踪技术是近年发展起来的一项新型三维地震解释技术[12]。该技术在油田断裂系统[36]、储层裂缝识别[79]、致密砂岩储层[10]中得到广泛的应用，并取得一定的应用效果。在煤层及岩层裂缝预测、断层预测等方面，蚂蚁追踪技术也有广泛应用[1115]。该技术具有快速、高效、高精度和受人为因素影响小等优点，被广泛应用于油气、煤炭勘探等领域。
以高家堡煤矿为例，针对高家堡煤矿工作面回采过程中，出水量较大，矿井的排水负担较重的现状，采取了注浆措施，但由于煤层埋深较深，洛河组距煤层较近，采动过程中隔水层裂隙比较发育导通洛河含水层的水进入矿井，导致水量增大。加之前期注浆没有将原生裂隙堵住，导致采动区原生裂隙更加发育，注浆效果不明显。
为解决高家堡4号煤层开采过程中的水害问题，查明煤层至洛河组含水层之间地层中的裂隙发育情况，应用蚂蚁追踪技术对隔水层裂隙发育的空间展布预测，为下一步注浆堵水提供可靠的地质依据。
高家堡井田位于彬长矿区西北部，其主要煤层为侏罗系延安组第1段4号煤层，煤层平均厚6.97 m。白垩系洛河组含水层为矿井的间接充水含水，岩性主要为细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩和泥质岩类地层。煤层至洛河组的主要隔水层主要有侏罗系中统直罗组、安定组以及白垩系下统宜君组地层。由生产实践证实，高家堡4号煤层至洛河组含水层中间的安定组等隔水层中的裂隙较发育，给煤矿安全生产带来隐患。
2.1 基本原理
蚂蚁追踪技术是受到自然界蚁群在觅食过程中释放信息素，通过对路径上信息素强度的感知来选择所要进行的方向并传递信息的集体行为的启发而研发的新型优化算法。基本原理：在地震数据体中播撒大量电子“蚂蚁”，若在地震属性体中发现满足预设裂隙的痕迹，电子蚂蚁就会在这些地方“释放”某种信号，召集其他蚂蚁在这些裂隙痕迹上进行追踪，直到完成裂隙的追踪和识别。其他不满足裂隙发育的区域就不进行追踪和识别。最终，获得可以清晰反映裂隙的蚂蚁属性数据体。
2.2 工作流程
蚂蚁追踪处理技术主要工作流程：①地震数据体需要进行预处理，主要通过带通滤波、构造平滑、高斯空间滤波等去噪方法。通过这些方法目的是将原始数据中的随机噪声去除，从而来增强地震反射同相轴的连续性，同时将断层或者裂隙边界保存下来。②通过地震属性技术手段，检测出地震数据在空间上的不连续位置，这种方法称之为“边缘”探测。③“边缘”探测技术检测出数据体中的不连续点，利用蚂蚁追踪算法计算蚂蚁数据体，这一过程称之为边界增强。④对蚂蚁追踪得到的蚂蚁数据体进行断面追踪，并自动提取。蚂蚁追踪预测裂缝流程如图1所示。
图1 蚂蚁追踪预测裂缝流程Fig.1 Ant tracking and interpretation of the fissure process
2.3 参数测试分析
“蚂蚁追踪”算法在煤矿勘探中主要针对目标层煤层中断层的预测，对于煤层以上主要目标集中在微小断层及裂隙发育情况上。蚂蚁追踪处理技术中，初始蚂蚁分布边界和搜索步长对于预测结果起到重要的作用。因此在处理时需要对这2个主要参数进行测试分析，分析所用的测试参数见表1。
表1 初始蚂蚁分布边界和搜索步长参数
图2和图3为设置不同参数追踪出来的裂隙识别结果，随着2种参数的改变，对裂隙的识别程度也不同，当初始蚂蚁分布边界较小时有利于微小断裂的搜索；
而搜索步长变大时，它的搜索能力也越大，对断层及裂隙的识别能力也越强但是也可能忽视一些细节性的东西。
图2 不同初始蚂蚁分布边界“蚂蚁追踪”分析结果Fig.2 Analysis of the results of different initial ant distribution boundaries “ant tracking”
图3 不同搜索步长“蚂蚁追踪”分析结果Fig.3 Different search step length “ant tracking” result analysis chart
高家堡井田目前在工作面回采过程中，煤层顶板出水化验主要为洛河层水，说明在煤层顶板至洛河组底部隔水层之间有裂隙。根据工作面回采过程水量的变化分析，由于采动的影响，裂隙大小是在变化的。因此要准确地判断出裂隙的发育特征难度是相对比较大。利用“蚂蚁追踪”处理技术，合理地处理参数，较为精细地刻画出隔水层裂隙在空间的展布特征。蚂蚁追踪处理的各项参数见表2。
表2 蚂蚁追踪各项参数
按照图1处理流程对高家堡矿井东区煤层至洛河组含水层之间进行“蚂蚁追踪”得到岩层裂隙预测结果。从图4可以看出，在6-6井和6-7井的剖面上，裂隙发育在煤层上部，角度较大(白色为预测裂隙)，具有高角度裂隙特征，裂隙在平面上也有较强的展布特征，即裂隙主要发育位于背向斜的轴部。本区主要构造特征是有一条大的向斜，走向WE向，因此在6-6井上部裂隙发育主要呈东西向延展；
在主向斜两翼有次一级的背向斜方向有北东向也有北西向，因此在这些区域裂隙发育与构造有继承性；
从“蚂蚁追踪”水平切片可以反映出裂隙的发育规律性，符合勘探区的地质情况，蚂蚁追踪技术预测结果如图5所示。
图4 蚂蚁追踪技术剖面示意Fig.4 Plan diagram of ant tracking technology results
图5 蚂蚁追踪技术预测结果平面示意Fig.5 Plan diagram of ant tracking technology prediction results
上述裂隙预测结果与钻孔6-6钻孔揭露情况具有较好的对应性。说明蚂蚁追踪技术在高家堡煤矿进行隔水层裂隙预测是可行的。根据裂隙预测结果，结合地质沉积规律为下一步煤层回采注浆起到指导性的作用。在注浆隔水时，首先确定裂隙发育的位置及高度。其次为注浆纵向位置的选取起到参考依据，即能够将上层水堵住，也能够提高煤层的回采率。根据上述分析，裂隙预测能够为后期开发起到充足的地质依据，不仅能够提高煤炭开采产量，而且能够减轻矿井的排水压力，使煤矿获得更好的经济效益。
(1)蚂蚁追踪技术预测导水裂隙的方法是可行的。通过与测井资料、钻孔柱状以及回采情况对比，裂隙预测与高家堡煤矿地质构造规律比较符合，具有较高的可信度。
(2)在进行蚂蚁追踪技术处理的过程中，需要对几种重要的参数进行反复的对比分析，才能获得较好的预测结果。根据预测结果，结合高家堡煤矿煤层构造及沉积特征，明确了隔水层中裂隙发育情况，为下一步确定注浆堵水位置提供了可靠的依据。
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