三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用于韓城桑樹坪井田采空區(qū)探測(cè)的方法研究

劉芳曉，趙祿順，李元杰，王曉亮

（中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用于韓城桑樹坪井田采空區(qū)探測(cè)的方法研究

劉芳曉*，趙祿順，李元杰，王曉亮

（中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

以韓城桑樹坪井田為例，從數(shù)據(jù)采集、處理和解釋三個(gè)環(huán)節(jié)介紹了三維地震勘探技術(shù)在采空區(qū)探測(cè)的應(yīng)用，突出時(shí)間剖面解釋和切片屬性分析在采空區(qū)判斷和范圍劃分的重要性，為地面探測(cè)復(fù)雜地形地區(qū)煤礦采空區(qū)提供了方法依據(jù)。

三維地震勘探；采空區(qū)；時(shí)間剖面；屬性分析

當(dāng)前由于煤礦采空區(qū)導(dǎo)致的安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題日益嚴(yán)重，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)和治理已經(jīng)引起國內(nèi)外學(xué)者和政府部門的高度重視。準(zhǔn)確圈定采空區(qū)，不僅能夠?yàn)椴煽諈^(qū)的科學(xué)的處理爭取時(shí)間，還可以最大限度地減小采空區(qū)對(duì)環(huán)境的破壞，避免各種經(jīng)濟(jì)損失。但是由于煤礦開采前期資料的匱乏以及長期以來小煤窯的亂采亂挖，使得采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，無章可循，通過地面地質(zhì)調(diào)查和鉆探工程無法準(zhǔn)確探明采空區(qū)的形態(tài)和位置。而物探工作者針對(duì)煤礦采空區(qū)相繼開展了重磁、電法、放射性、二維地震等勘探方法的生產(chǎn)和研究，取得了很多實(shí)用性的成果，但由于受各種地球物理方法的探測(cè)機(jī)理、分辨能力、假設(shè)條件及影響因素的限制，其探測(cè)效果也不盡相同，往往難以取得理想的地質(zhì)效果。近年來，三維地震勘探技術(shù)的推廣應(yīng)用，以其獨(dú)具的信息量大、分辨率高、控制網(wǎng)度密等優(yōu)點(diǎn)，使得探測(cè)地下幾百米深的直徑幾十米甚至更小的采空區(qū)成為可能。

韓城桑樹坪井田及周邊小煤窯較多，小煤窯的無序開采直接影響到桑樹坪煤礦的工作面布置和巷道的掘進(jìn)安全，同時(shí)嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。本文以韓城桑樹坪井田為例，論述三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用于煤礦采空區(qū)探測(cè)的實(shí)用性和可行性，該成果為該煤礦的生產(chǎn)設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 井田概況

韓城桑樹坪井田位于陜西渭北石炭—二疊紀(jì)煤田東部邊緣。渭北煤田的大地構(gòu)造位置在不同地質(zhì)歷史時(shí)期，隨區(qū)域大地構(gòu)造背景的演化而改變。古生代，渭北煤田位于華北板塊西南緣；中生代，渭北煤田位于鄂爾多斯盆地東南緣；新生代以來，渭北煤田位于汾渭地塹西北緣。因此，自石炭-二疊紀(jì)煤系沉積以來，渭北煤田經(jīng)歷了多次不同性質(zhì)、不同方向的構(gòu)造變動(dòng)。

井田范圍內(nèi)，出露地層由老到新依次為：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組，下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及第四系。其中井田的含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組。太原組厚度43.01～112.61m，平均61.71m，共含煤8層，其中僅位于該組中下部的11號(hào)煤層為主要可采煤層，煤層平均厚度3.50m。山西組厚度49.83～100.68m，平均61.49m。該組共含煤5層，其中3號(hào)煤層為主要可采煤層，2號(hào)煤層為局部可采煤層，可釆煤層總平均厚度為7.21m。

2 地球物理特征

2.1 表層地震地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，多呈“V”形地貌，地形高差較大。地表出露的二疊系紅色泥質(zhì)砂巖地層常形成較陡的滑坡，粉砂巖區(qū)多形成深溝或者懸崖峭壁以及崩塌堆積場(chǎng)，攀越困難。區(qū)內(nèi)村莊和花椒樹地較多，影響激發(fā)接收效果和地震測(cè)線的布置。表層地震地質(zhì)條件較差。

2.2 淺層地震地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)內(nèi)基巖和黃土塬均有分布，基巖出露較多。基巖能夠較好地傳播地震波，能量損失較小，激發(fā)效果較好。黃土塬的黃土對(duì)地震波有較強(qiáng)的吸收散射和低通濾波作用，降低了地震波的能量和頻率，激發(fā)效果不佳。因此淺層地震地質(zhì)條件較好。

2.3 深層地震地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)內(nèi)地層自下而上有中奧陶統(tǒng)下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組，石炭系中上統(tǒng)本溪組及太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及第四系更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。含煤地層為石炭—二疊系，煤層頂、底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等，其飽和抗壓強(qiáng)度均小于30MPa，屬于軟弱巖石，二者之間波阻抗差異較大，具有形成反射波的良好條件。但測(cè)區(qū)局部的3煤層已經(jīng)開采，可能對(duì)11煤層、奧灰的反射波形成存在較大影響。

綜上所述，本區(qū)表層地震地質(zhì)條件較差，淺、深層地震地質(zhì)條件相對(duì)較好。

3 地震數(shù)據(jù)野外采集和處理

3.1 地震數(shù)據(jù)野外采集

通過試驗(yàn)工作確定了地震數(shù)據(jù)野外采集參數(shù)。野外觀測(cè)系統(tǒng)采用8線8炮制（圖1），單線96道中點(diǎn)放炮，道間距10m，線距40m，炮排距80m，CDP網(wǎng)格為5m（縱向）×10m（橫向），疊加次數(shù)24次(橫向4次，縱向6次)，最小非縱距10m；激發(fā)條件為單井激發(fā)，厚黃土覆蓋區(qū)，鉆孔打到粘土層中，藥量3.0kg；薄黃土覆蓋區(qū)，鉆孔打到基巖面或粘土層，藥量2.0kg；基巖出露區(qū)，井深4m，藥量1.5kg；檢波器采用60Hz二串二并堆放插置；儀器使用加拿大產(chǎn)ARIES遙測(cè)數(shù)字地震儀，記錄的數(shù)據(jù)格式為SEG-Y，儀器前放增益用24dB，0～500Hz全頻帶接收，采樣間隔1ms，記錄長度1.5s。線束方向布置遵循一般垂直地層走向和主要構(gòu)造走向的原則，呈東西向布置。

圖1 8線8炮制觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.2 地震數(shù)據(jù)處理

本次地震資料處理是在我公司Sun BIade2000工作站上進(jìn)行，使用了多套大型處理軟件，本著“高信噪比、高分辨率、高保真度”的原則，加強(qiáng)對(duì)處理模塊和參數(shù)的反復(fù)試驗(yàn)，確定了本次地震資料處理流程。

3.2.1 初至折射靜校正

由于地表高程及地表低（降）速帶厚度、速度的橫向變化使得地震波旅行時(shí)差會(huì)對(duì)信號(hào)的疊加效果產(chǎn)生一定的不利影響，致使反射波同相軸信噪比下降、頻率降低。應(yīng)用合適的靜校正模塊和參數(shù)，可以消除這種時(shí)差，確保疊加剖面的質(zhì)量。測(cè)區(qū)屬典型復(fù)雜山區(qū)，最低高程481.99m，最高高程919.61m，最大高差為437.62m，地表低、降速帶地層的橫向變化較大。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)，初至折射校正法可以較好解決該地區(qū)的靜校正問題。

3.2.2 反褶積技術(shù)

為了消除大地的濾波作用，拓寬頻帶，壓縮地震子波，提高地震資料的縱向分辨率，經(jīng)大量的測(cè)試對(duì)比后，選擇了地表一致性預(yù)測(cè)反褶積。該方法是基于地震子波可以被分解為共炮點(diǎn)、共接收點(diǎn)、共偏移距、共反射點(diǎn)等多種成份的思想，它不僅能壓縮地震子波，而且能進(jìn)一步消除地表?xiàng)l件的變化對(duì)地震波的振幅特性和相位特性的影響，同時(shí)對(duì)多次波也有壓制作用。由于反褶積在提高分辨率的同時(shí)將會(huì)降低資料信噪比，所以處理時(shí)在保證資料信噪比的情況下再提高分辨率。經(jīng)對(duì)比分析，最終選定的處理參數(shù)為：預(yù)測(cè)步長8ms，算子長度150ms。

3.2.3 速度分析和剩余靜校正

速度分析的精度和剩余靜校正的準(zhǔn)確程度是相互影響的，為求取更準(zhǔn)確的疊加速度場(chǎng)，必須求取準(zhǔn)確的剩余靜校正量。剩余靜校正的求取是在給定的條帶、時(shí)窗、傾角范圍內(nèi)，在縱橫兩個(gè)方向進(jìn)行傾角調(diào)查形成模型道，在共炮點(diǎn)道集和共檢波點(diǎn)道集做互相關(guān)，求取每個(gè)炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)的剩余靜校正量，因此在選擇時(shí)窗時(shí)要對(duì)層位的拾取進(jìn)行試驗(yàn)。剩余靜校正和速度分析是一個(gè)反復(fù)迭代的過程，迭代的次數(shù)在一定程度上影響著處理的精度。在本次資料處理過程中，進(jìn)行了3次迭代分析，剩余靜校正后剖面目的層同相軸連續(xù)性明顯提高，剖面質(zhì)量得到了明顯改善。

3.2.4 疊后去噪

疊后去噪是利用相鄰地震道之間的反射波具有相似性而干擾波不具有相似性的這種特點(diǎn)使相干波得以加強(qiáng)的處理方法。利用相關(guān)函數(shù)測(cè)定2個(gè)以上記錄道時(shí)間序列的相似程度，按相似程度的大小對(duì)記錄進(jìn)行加權(quán)，使得相似性好的波得以加強(qiáng)。本次資料處理選擇多項(xiàng)式擬合方法來提高疊后信噪比。提高信噪比的同時(shí)影響剖面的分辨率，在疊后采用譜白化方法進(jìn)一步提高頻率，得到高分辨高信噪比資料。

3.2.5 三維偏移

三維偏移的主要目的是消除地下傾斜界面對(duì)反射波的影響，使之成像歸位到真實(shí)的反射界面位置上去，從而正確地反映地下形態(tài)和構(gòu)造變化情況。有限差分偏移的效果主要決定于偏移速度，我們選用疊加速度經(jīng)過轉(zhuǎn)換建立偏移速度模型，并進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試和調(diào)整。用人工剔除奇異值，采用機(jī)器自身平滑，對(duì)速度的百分比進(jìn)行偏移試驗(yàn)。經(jīng)對(duì)比，95%的偏移效果較好。

4 采空區(qū)的時(shí)間剖面特征和切片屬性特征分析

4.1 采空區(qū)的時(shí)間剖面特征

三維地震勘探成果包含了豐富的地質(zhì)信息，其中包含采空區(qū)的地質(zhì)信息，用來解釋煤層的采空區(qū)范圍。在時(shí)間剖面上采空區(qū)表現(xiàn)有3種現(xiàn)象，其一是煤層反射波變?nèi)?，在采空區(qū)邊界處反射波同相軸頻率和產(chǎn)狀發(fā)生突變，在采空區(qū)內(nèi)部反射波同相軸不連續(xù)且雜亂無章；其二是煤層反射波同相軸的變?nèi)?，頻率和產(chǎn)狀變化較大，與周圍非采空區(qū)煤層反射波存在明顯差別，而且煤層反射波之下的層位反射波同相軸增強(qiáng)，頻率和產(chǎn)狀突變，從整張剖面來看無采空區(qū)的地段煤層反射波較強(qiáng)，其下伏層位反射波很弱，而有采空區(qū)的地段煤層反射波同相軸表現(xiàn)微弱，其下伏層位反射波同相軸較強(qiáng)，形成明顯反差；其三在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為煤層反射波缺失。

以韓城桑樹坪井田為例，根據(jù)前人資料和礦方提供的采掘工程資料得知，井田內(nèi)部，3號(hào)煤層正常采掘范圍比較集中，2號(hào)煤層和3號(hào)煤層的老窯采空區(qū)比較分散。本次三維地震勘探圈定了采空區(qū)主要位于測(cè)區(qū)的東部以及中南部。根據(jù)采空區(qū)在三維地震勘探資料上的顯示特征（圖2、圖3），解釋了采空區(qū)的范圍，面積約0.98km2。

圖2 采空區(qū)在Croossline444線時(shí)間剖面上的顯示

4.2 采空區(qū)的切片屬性特征

地震屬性技術(shù)的關(guān)鍵在于屬性提取，提取方式包括同相軸屬性提取和數(shù)據(jù)體屬性提取。同相軸屬性是與某個(gè)界面有關(guān)的地震屬性，具體提取方法包括瞬時(shí)提取法、單道分時(shí)窗提取法和多道分時(shí)窗提取法。

利用地震屬性分析，有利于采空區(qū)邊界的界定，利用Geoframe解釋軟件，提取了26種地震屬性，選擇了對(duì)采空區(qū)反映較好的弧長、均方根振幅、最大振幅和能量和四種地震屬性參與了解釋，對(duì)采空區(qū)范圍的判別和劃分起到了很好的輔助解釋作用。

5 結(jié)論

三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用于韓城桑樹坪井田采空區(qū)探測(cè)獲得了很好的效果，諸多成果得到了鉆孔和實(shí)際采掘工程的驗(yàn)證，進(jìn)而在三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地形采空區(qū)勘探領(lǐng)域取得了重要的技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。尤其值得注意的是，在數(shù)據(jù)解釋方面，時(shí)間剖面解釋和切片屬性分析在采空區(qū)判斷和范圍劃分具有同等重要的地位，二者相輔相成，兼顧彼此是提高采空區(qū)解釋精度的關(guān)鍵。

圖3 采空區(qū)在Inline340線時(shí)間剖面上的顯示

[1] 李麗萍.應(yīng)用反射波動(dòng)力學(xué)特征解釋煤層的研究[J].煤田物探,1999(10).

[2]熊章強(qiáng),方根顯.淺層地震勘探[M].北京：地震出版社,2002.

[3]程建遠(yuǎn).三維地震資料微機(jī)解釋性處理技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2002.

[4] 楊雙安,寧書年.老窯采空區(qū)的地震探測(cè)與研究[J].中國煤田地質(zhì),2004(2).

[5]程建遠(yuǎn),張廣忠,李林元,朱紅娟,杜賽珠.老窯采空區(qū)地震探測(cè)新技術(shù)及其應(yīng)用前景[J].中國煤田地質(zhì),2003(10).

[6]劉菁華,王祝文,朱士，等.煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)的地球物理探查[J].煤炭學(xué)報(bào),2005(6).

[7] 盧君實(shí),郭震,禹鳳林.遼寧煤礦采區(qū)地震勘探應(yīng)用現(xiàn)狀與前景[J].煤炭技術(shù)，2007(6).

[8]靳聚盛.地震勘探方法圈定老窯采空區(qū)[J].中國煤田地質(zhì)，1998,10(3).

[9] 牛跟彥.超淺層地震勘探技術(shù)在小煤窯采空區(qū)中的應(yīng)用研究[J].中國煤炭，2012(6).

[10]唐漢平.復(fù)雜地震地質(zhì)條件下煤礦采空區(qū)三維地震勘探技術(shù)[J].中國煤炭,2013(12).

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A

1004-5716(2015)02-0153-04

2014-09-16

2014-09-19

劉芳曉（1986-），男（漢族），山東煙臺(tái)人，助理工程師，現(xiàn)從事煤田地震勘探工作。