井地層析成像法地震勘探在神寶能源公司露天煤礦的應(yīng)用

張東風(fēng)，張潤(rùn)廷，繆衛(wèi)峰

(神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021025)

井地層析成像法地震勘探在神寶能源公司露天煤礦的應(yīng)用

張東風(fēng)*，張潤(rùn)廷，繆衛(wèi)峰

(神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021025)

神寶能源公司露天煤礦由于歷史原因，地方小窯無序?yàn)E采濫挖，且開采方式為不負(fù)責(zé)任的“扒大窯”式的開采，頂板沒有任何支護(hù)。隨著時(shí)間的推移，一部分采空區(qū)頂板在各種壓力的作用下自然塌陷，在地表形成漏斗狀的塌陷坑，而一部分采空區(qū)依然“懸而未漏”，這些采空區(qū)無任何資料記載，且位于露天煤礦采場(chǎng)內(nèi)及端幫運(yùn)輸?shù)缆飞希瑖?yán)重威脅著神寶能源公司露天煤礦的安全生產(chǎn)，主要論述了井地地震層析成像技術(shù)在神寶能源公司露天煤礦采空區(qū)勘探的應(yīng)用。

采空區(qū)井地層析法地震勘探

1 概述

神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦，由于歷史原因，地方小窯無序?yàn)E采濫挖，頂板沒有任何支護(hù)，這些采空區(qū)無任何資料記載且位于露天煤礦采場(chǎng)內(nèi)及端幫運(yùn)輸?shù)缆飞?，?yán)重威脅著神寶能源公司露天煤礦的安全生產(chǎn)[1]。

同時(shí)，神寶露天煤礦采空區(qū)的深度較淺，對(duì)于淺層地震勘探，一方面反射波信號(hào)容易被面波干擾，另一方面淺層反射波和折射波同相軸靠的較近，在地震剖面解釋時(shí)容易混淆,常規(guī)地震勘探效果自然不是很理想。針對(duì)神寶露天煤礦特殊的地質(zhì)條件與小窯采空區(qū)高精度的探測(cè)要求，擬采用井地地震層析成像勘探方法。

2 井地地震層析成像方法原理

2.1 井地地震方法

井地地震方法（RVSP）[2-3]產(chǎn)生的地震剖面類似于常規(guī)VSP，但RVSP的資料采集比較迅速和經(jīng)濟(jì)。常規(guī)VSP的震源位于地面，檢波器置于井中，而RVSP的震源置于井中，檢波器位于地面。

井地地震是在井間地震方法基礎(chǔ)上提出的設(shè)計(jì)思想。井間地震是以一口井內(nèi)激發(fā)另一口井內(nèi)接收的方式，利用地震波穿過巖層介質(zhì)時(shí)其走時(shí)、頻率、振幅及波形等物理量的變化，通過層析成像技術(shù)得到地層內(nèi)部物性參數(shù)分布圖像的一種方法，已在不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集方法和處理手段也比較成熟[5-6]。但由于井間地震觀測(cè)方式的局限性，使得其研究范圍固定在井孔與井孔之間的剖面上，對(duì)于井孔周圍的其他區(qū)域由于沒有直接的地震信息，無法推斷周圍地質(zhì)構(gòu)造情況；如果井孔間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于井孔深度，井孔間地震波傳播射線大多是水平或近水平的，由前人對(duì)不同地質(zhì)模型反演結(jié)果表明，井間地震觀測(cè)系統(tǒng)覆蓋區(qū)域面上的垂向分辨率就比較低。不少專家和學(xué)者提出了提高垂向分辨率辦法：增加垂向或近垂向的射線數(shù)量以提高覆蓋區(qū)域面上的垂向分辨率[7-8]。

井地地震改善了上述井間地震觀測(cè)方法的缺陷，選擇一井孔作為接收井，在井孔四周設(shè)計(jì)一個(gè)盡可能大的激發(fā)區(qū)域，在工作量一定的情況下，為了保證探測(cè)目標(biāo)上最大覆蓋次數(shù)和覆蓋的均勻性，提高目標(biāo)層上的成像分辨率，考慮了增大離井口較遠(yuǎn)的炮檢距，減小井口附近炮間距，但偏移距不能太大，以防止其他續(xù)至波對(duì)初至波的干擾。井地地震方法原理如圖1所示。

2.2 層析成像

地震波透射層析成像是利用地震波對(duì)于地質(zhì)體的透射投影，來重新構(gòu)成地質(zhì)體內(nèi)部地震波速度的分布形態(tài)，根據(jù)地震波速度與地質(zhì)體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行巖體的分類和評(píng)價(jià)。

地震波速度和巖體特性一般都具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，致密完整的巖體地震波速度較高，而疏松破碎的巖體地震波速度較低。對(duì)于整個(gè)圍巖而言，當(dāng)其是均勻介質(zhì)時(shí)（沒有異常體），地震波的穿透速度是單一的，當(dāng)有低速介質(zhì)存在時(shí)（視為異常體），地震波穿透這些低速介質(zhì)時(shí)則產(chǎn)生時(shí)間差（旅行時(shí)增加）。根據(jù)一條射線所產(chǎn)生的時(shí)間差來判別低速介質(zhì)的具體位置是困難的，因?yàn)樗奈恢每赡茉谡麄€(gè)射線的任何一處，這時(shí)如果再有另一條（或多條）射線在同一低速介質(zhì)中穿透，則這一低速介質(zhì)就具有了一定的限定，采用相互交叉的致密射線穿透網(wǎng)絡(luò)，對(duì)低速介質(zhì)在空間上具較強(qiáng)的限定，層析成像就是利用適當(dāng)?shù)姆囱萦?jì)算方法構(gòu)制速度圖像，從而獲得低速介質(zhì)的分布位置。層析成像技術(shù)能夠通過接收炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)之間的地震波旅行時(shí)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)反演得到勘探區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)，從而為解決此問題提供了一個(gè)切實(shí)可行的方法。

圖1 井地層析成像方法原理示意圖

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 井地地震野外施工

圖2 測(cè)線布置圖

如圖2所示，本次井地地震勘探工作野外施工鉆孔4個(gè)，編號(hào)為ZK1、ZK2、ZK3和ZK4，根據(jù)工區(qū)內(nèi)的鉆孔的柱狀圖，從可以看到，ZK1、ZK4未見采空區(qū)，ZK2、ZK3均發(fā)現(xiàn)采空。

施工過程中采取孔中炸藥激發(fā)、地面接收的方式，地面沿東西向鋪設(shè)10條平行測(cè)線，共407道，道距近孔端為10m，遠(yuǎn)孔端為5m。在孔中自5#煤層以下向上激發(fā)，每次提升5m，總共激發(fā)100炮。具體觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 觀測(cè)系統(tǒng)俯視圖

3.2 資料分析

原始資料如圖4所示，從圖4中我們可以看到記錄初至清晰，面貌良好信噪比及分辨率較高。

在對(duì)資料初至進(jìn)行反復(fù)多次拾取以保證精度后，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料經(jīng)試驗(yàn)后確定800m/s作為本區(qū)層析反演的初始速度模型，速度約束范圍為800～3000m/s，網(wǎng)格采用5m×5m×5m進(jìn)行層析反演，得到的三維速度場(chǎng)反演結(jié)果縱向分層較好，橫向上具有連續(xù)性，與地質(zhì)資料吻合較好。

采用的井孔—地面多孔聯(lián)合層析成像方法是地面接收，多孔依次激發(fā)，一次反演成像，具有施工方便、精度高的特點(diǎn)，最終得到的三維數(shù)據(jù)體，可提取任意方向切片，方便解釋工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空異常體的準(zhǔn)確定位。

對(duì)層析反演結(jié)果沿測(cè)線方向提取2個(gè)剖面圖如圖5所示，由剖面圖可見縱向上速度遞變明顯，橫向上成層性較好，速度異常區(qū)域也較顯著，從圖5中我們可以看到速度異常區(qū)域明顯直觀，精度高，與實(shí)際鉆孔資料相吻合。在鉆孔ZK2、ZK3處有明顯的低速異常，在與鉆孔ZK2、ZK3處未見低速異常，鉆孔資料相吻合。

4 結(jié)束語

通過井地CT方法在神寶露天煤礦的應(yīng)用，提出疑似采空區(qū)8個(gè)，通過對(duì)勘探處的疑似采空區(qū)位置進(jìn)行打鉆驗(yàn)證，經(jīng)鉆探驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)6個(gè)采空區(qū)，準(zhǔn)確率為75%，并及時(shí)進(jìn)行了治理，消除安全隱患。

圖4 原始資料圖

圖5 反演結(jié)果剖面圖

在實(shí)際的采空區(qū)勘探過程中根據(jù)要探測(cè)的采空區(qū)的大小，要求地球物理方法探測(cè)采空區(qū)要有很高的分辨率。地球物理方法的分辨率取決于目標(biāo)體的埋藏深度，越淺分辨率越高。為此要在不同的階段采用不同的地球物理方法，采空區(qū)的勘查和治理應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。

采空區(qū)的探測(cè)是一項(xiàng)十分困難的工作，本區(qū)由于小煤窯開采方式多采用房柱式，采空區(qū)的存在形式有冒落、空洞、部分冒落和巷道等，對(duì)采空區(qū)的存在形式確定有較大難度。單一的物探方法很難達(dá)到勘探目的，可采用多種物探方法與鉆探方法相結(jié)合的方法來進(jìn)行采空區(qū)的勘探，從而提高采空區(qū)勘探準(zhǔn)確性，消除安全隱患。

[1]內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院.神寶能源公司露天煤礦改擴(kuò)建可行性研究報(bào)告[R].2010.

[2]胡明順.井地地震CT成像數(shù)值模擬研究與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2009（4）.

[3]李紅立.井地地震CT技術(shù)及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008（3）.

[5]裴正林.井間地震層析成像應(yīng)用研究[J].勘察科學(xué)技術(shù),2001 (2)：56-57.

[6]劉躍華，趙殿棟，于世煥，等.井間地震野外采集方法試驗(yàn)研究[J].石油物探,1999,38(4)：74-75.

[7]陳國(guó)金，曹輝，吳永檢，等.最短路徑層析成像技術(shù)在井間地震中的應(yīng)用[J].石油物探,2004,43(4)：327-330.

[8]宋煒，羅大清，吳律，等.雙井與地面數(shù)據(jù)集的透射與反射層析成像[J].石油地球物理勘探,1999,34(2)：149-154.

P631.4

B

1004-5716(2015)03-0153-04

2014-07-03

2014-08-07

張東風(fēng)（1962-），男（漢族），山東德州人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事露天煤礦采礦、經(jīng)濟(jì)、安全管理工作。