采空區(qū)及其下部煤層地震勘探難點、對策與應用研究

劉兆國，武磊彬

（安徽省煤田地質局物探測量隊，安徽宿州234000）

采空區(qū)及其下部煤層地震勘探難點、對策與應用研究

劉兆國*，武磊彬

（安徽省煤田地質局物探測量隊，安徽宿州234000）

針對采空區(qū)及其下部煤層的地震勘探工作，分析了野外數(shù)據采集參數(shù)、地震數(shù)據處理、資料解釋的難點，結合在山西某礦區(qū)的地震勘探工作實例，提出相對應的解決方法、對策，在工程應用中取得了滿意的勘探效果。

采空區(qū)及其下部煤層；地震勘探；難點與對策

過去一段時期的煤礦生產，因勘探技術、開采技術、設備條件、成本因素等條件的制約，大部分地區(qū)只進行了上部埋藏較淺、賦存條件較好的煤層開采，對下部煤層沒有進行有效的勘探、開采利用。隨著我國國民經濟的發(fā)展，煤炭能源的供需矛盾日益突出，對下部煤層的勘探、開采利用顯得日益迫切。因此，今后一個時期地震勘探的重要工作便是對采空區(qū)的分布情況、下部煤層的賦存構造情況開展有效的勘探工作，為后期接續(xù)能源的安全開采提供可靠地質依據。

在采空區(qū)及其下部煤層地震勘探中，由于受上部采空區(qū)的“屏蔽”，地震數(shù)據的采集、處理、資料解釋均受到嚴重影響，具體表現(xiàn)如下所述。

1 技術難點

（1）由于前期采煤活動破壞了層狀地層，塌落的巖石、積水、空巷都會對地震反射波造成吸收和散射，使采空區(qū)及下部煤層反射波信噪比非常低；

（2）采空區(qū)地段由于地層介質填充物變得松散，地震反射波高頻成分被大量吸收，嚴重影響了地震勘探的分辨率；

（3）根據地震勘探橫向分別率的概念，小于第一菲涅爾帶半徑的采空區(qū)難以分辨；

（4）采空區(qū)及其下部煤層地段，地震數(shù)據處理成像、歸位難度大，給地震數(shù)據處理的“高信噪比、高分辨率、高保真度”帶來很大的挑戰(zhàn)；

（5）在地震資料解釋過程中，由于采空區(qū)填充物的速度異常，將影響到下部煤層的成像質量，具體表現(xiàn)為“彎曲”、“下陷”等假褶曲現(xiàn)象，給解釋工作帶來困擾。

針對以上技術難點，根據有關規(guī)范，并結合作者的工作實踐，總結如下的解決對策。

2 難點對策

（1）采用三維理論觀測系統(tǒng)圖進行炮點、檢波點設計。由于采空區(qū)及其下部煤層的反射波非常弱，為了得到較高信噪比的地震資料，在三維地震設計中，須確保有足夠的疊加次數(shù)（通常要求30次以上）、足夠方位角寬度、較小的CDP面元（一般采用5m×10m）；

（2）采空下部煤層由于埋藏較深，根據地震波反射原理，在保證動校正拉伸畸變切除不影響有效波的情況下，可以適當延長時距曲線，盡量增加最大炮檢距，不但有利于下部煤層反射波的激發(fā)、接收，也利于采空區(qū)邊界位置的確定（見圖1）；

圖1 地震反射波傳播示意圖

（4）選用中低頻檢波器多個組合，采用動態(tài)范圍較大的數(shù)字地震儀器，以利于接收頻率較低、信號弱的采空區(qū)及其下部煤層的反射波；

（5）在采空區(qū)地段的地震數(shù)據處理中，為了確保處理剖面的“高信噪比、高分辨率、高保真度”的最佳效果，以便利于采空區(qū)識別、下部煤層解釋，重點需要做好靜校正、速度分析、反褶積、常規(guī)偏移、疊前偏移等，特別是速度分析，要注意采空區(qū)位置的低速異常；

（6）在采空區(qū)地段，地震時間剖面上呈現(xiàn)為與煤層原始埋藏狀態(tài)不一致的反射波。具體表現(xiàn)為目的層反射波中斷、缺失，剖面面貌凌亂同時，運用各種地震屬性技術進行綜合對比。在采空區(qū)下部煤層解釋時，通常出現(xiàn)目的層同相軸“彎曲”、“下陷”等假褶曲現(xiàn)象，應該根據實際地質資料，并結合數(shù)據處理過程中對應地段的速度、速度譜能量情況，正確認識和解釋，而不能簡單地追蹤強相位（見圖2）。

圖2 采空區(qū)下部煤層假褶曲示意圖

3 應用實例

山西某煤礦是國有大型礦業(yè)集團整合若干個地方小礦而成，前期各小煤礦生產、管理極其混亂，淺部煤層破壞嚴重。為全面提高煤炭資源開發(fā)利用水平，改善礦井安全生產環(huán)境，進一步提高礦井生產能力和技術水平，做到合理利用和有效保護資源，該礦決定實施三維地震勘探，查明上部2#煤采空區(qū)分布情況，探明下部11#煤層的賦存及構造形態(tài)。

3.1 地質概況

該區(qū)揭露的地層由老到新有奧陶系、石炭系、二疊系、第四系，主要含煤地層為石炭西太原組（11#煤）、二疊系太原組（2#煤）。2#煤下距11#煤層間距為79.37～94.17m，平均87.87m，平均埋深100～200m。煤層厚度為0.70～2.52m，平均1.44m；位于太原組下段頂部的9、10、11號合并層，統(tǒng)稱11#煤層，厚度為5.60～7.45m，平均6.71m，平均埋深200～300m。

3.2 三維地震勘探主要參數(shù)

觀測系統(tǒng)類型：非縱規(guī)則束狀8線8炮中間激發(fā)（40C+40C）；接收道數(shù)：80×8=640道；接收線數(shù)：8條；接收道距：10m；接收線距：40m；疊加次數(shù)：8×4=32次（縱向8次，橫向4次）；地面采樣間隔：40m×10m；CDP網格：10m×5m；縱向最大炮檢距：395m；橫向最大炮檢距：210m；最大炮檢距：447.35m；縱向最小炮檢距：5m；橫向最小炮檢距：10m；最小炮檢距：11.18m；炮點網度：50m×20m；檢波點網度：10m×40m。

3.3 三維地震數(shù)據處理

在常規(guī)處理的基礎上，結合本區(qū)的地質特征，通過對本區(qū)資料分析，為了達到“三高”的地震數(shù)據處理目的，重點加強以下幾個技術環(huán)節(jié)工作：

（1）做好疊前面波、聲波及隨機干擾消除。

（2）做好振幅恢復及補償處理工作。

（3）做好反褶積測試工作，在兼顧信噪比的前提下，盡最大限度提高地震資料的分辨率。

（4）特別須做好靜校正工作，徹底消除炮點、檢波點及其他因素等產生的靜校正量的影響。

（5）由于目的層較淺，要特別做好初至、動校正切除工作。

（6）做好常規(guī)速度分析和三維疊前時間偏移速度分析工作。扎實有效建立準確的三維疊前時間偏移速度場。

（7）疊前時間偏移處理技術。疊后偏移要求輸入為自激自收剖面，而多次覆蓋觀測系統(tǒng)下，只有基于地下介質為水平層狀和各向同性，才可以通過水平疊加直接得到自激自收剖面。然而，地下地質形態(tài)并非總是水平層狀，且本區(qū)采空區(qū)分布廣泛，嚴重破壞了介質的各向同性，共中心點水平疊加技術在介質有傾角時不但得不到自激自收剖面，反而會由于NMO的傾角濾波作用破壞有效信號。解決此問題的辦法是直接進行疊前偏移，這樣既避開了地層傾角的影響，又實現(xiàn)了偏移歸位。

本次處理過程也試驗了疊前時間偏移，采用了GEOcluster系統(tǒng)疊前克?；舴蚶@射積分法疊前時間偏移方法。處理中通過對偏移孔徑、偏移角度等的測試來確定最佳偏移參數(shù)。從試驗結果來看，疊前時間偏移比疊后時間偏移斷點更清楚，信噪比更高，對構造的分辨率也得以提高。

3.4 地震地質成果

本次三維地震勘探共組合斷層共94條，其中可靠斷層35條，較可靠斷層19條，落差小于5m斷層40條。

（1）查明了勘探區(qū)內落差3m以上的斷層。對落差3～5m的斷點做出解釋，并盡量給予了組合，共解釋斷層94條。

（2）查明了勘探區(qū)內5m以上的褶曲，并查明了區(qū)域內次級小褶曲，同時部分較小斷層與褶曲共生。

（3）查明了主要可采煤層2煤、11煤層的賦存狀態(tài)，編制了煤層底板等高線圖。

（4）預測了2煤、11煤煤層厚度變化趨勢，共解釋了6個陷落柱。

（5）基本查明了測區(qū)內老窯采空區(qū)分布（見圖3、圖4）。

圖3 時間剖面上采空區(qū)的解釋

圖4 2#煤層采空區(qū)分布圖（填充部分為采空區(qū)）

4 結束語

采空區(qū)及其下組煤層勘探是煤礦安全生產迫切需要解決的技術難題，采用高覆蓋、寬方位角、小面元、中低頻檢波器采集方法；數(shù)據處理過程中，做好靜校正、速度分析、反褶積、常規(guī)偏移、疊前偏移等，特別注意采空區(qū)位置的低速異常；在資料解釋方面，充分運用各種地震屬性技術進行綜合對比，重視目的層同相軸“彎曲”、“下陷”等假褶曲現(xiàn)象，不能簡單地追蹤強相位。本次三維地震勘探所解釋的采空區(qū)、下組煤構造，在后續(xù)煤礦整合地質調查、開采中得了很好的驗證。證明了三維地震勘探探測采空區(qū)及其下組煤層是可行的，值得在各老礦區(qū)、資源整合煤礦推廣應用。

[1]程建遠，孫洪星，孫慶彪，等.老窯采空區(qū)的探測技術與實例研究[J].煤炭學報，2008，33（3）：251-255.

[2]程建遠，張廣忠，李林元，等.老窯采空區(qū)地震探測新技術及其應用前景[J].中國煤田地質，2003，15（5）：50-53.

[3]王建文，孫秀容，王宏科，夏學禮，崔若飛.綜合地震勘探方法在陜北煤田采空區(qū)探測中的應用[J].中國煤炭地質，2010（9）：48-54.

[4]田偉，常鎖亮，陳強.觀測系統(tǒng)類型及參數(shù)對采空區(qū)探測的影響[J].物探與化探，2012（10）：70-77.

[5]楊雙安，寧書年.老窯采空區(qū)的地震探測與應用[J].中國煤炭地質，2004，16（1）：44-47.

[6]王俊如，張龍起.淺層地震勘探在采空區(qū)勘測中的應用[J].物探與化探，2002，20（1）：75-78.

[7]王緒松，錢雪峰，李波濤.第一菲涅爾帶半徑與地震資料的橫向分辨力[J].勘探地球物理進展，2006，29（4）：244-248.

[8]王小江，張保衛(wèi)，柴銘濤，王廣科.縱橫波聯(lián)合勘探在淺層地震中的應用[J].物探與化探，2010，34（6）：824-827.

[9]王鶴宇.采空區(qū)地球物理勘探技術方法[J].物探與化探，2012，36（10）：34-39.

[10]王立國.三維地震勘探技術在查找煤礦采空區(qū)、陷落柱等地質異常中的應用[J].西部探礦工程，2013，25（8）：142-148.

TD82

A

1004-5716(2015)01-0101-04

2014-02-19

2014-03-03

劉兆國（1974-），男（漢族），四川廣安人，高級工程師，現(xiàn)從事地震勘探工作。