反射共偏移地震勘探技術在礦井地質異常帶探測中的應用

查華勝，甘志超，蘭鵬波，王宗濤

(1.安徽省惠洲地質安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

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反射共偏移地震勘探技術在礦井地質異常帶探測中的應用

查華勝1，甘志超2，蘭鵬波1，王宗濤1

(1.安徽省惠洲地質安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]采用反射共偏移地震勘探技術，對陳蠻莊煤礦3404工作面礦井地質異常帶進行探測。通過利用相同道間距多次覆蓋觀測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，壓制干擾波，提高信噪比，保留了原始地震資料的動力學以及運動學特征。根據(jù)后期打鉆驗證，探測區(qū)3404工作面內的地震反射異常條帶實際為DF24斷層網(wǎng)面內發(fā)育的隱伏斷層構造。預測結果真實地反映了工作面內實際地質構造情況，確保了陳蠻莊煤礦的安全開采和生產。

[關鍵詞]礦井地質構造；地震勘探；反射共偏移；射線平均速度；偏移成像

Application of Reflection Common-offset Exploration Technology in Mine Tectonic Detection

[引用格式]查華勝，甘志超，蘭鵬波，等.反射共偏移地震勘探技術在礦井地質異常帶探測中的應用[J].煤礦開采，2015，20(6)：27-30.

如何準確、高效獲得各種地質構造的具體空間位置及其延展情況，是煤礦安全生產迫切需要解決的地質問題。地震勘探是查明地下地質構造的一種最有效的方法，即基于巖石的彈性差別，利用人工方法激發(fā)地震波，研究地震波在地層中傳播的情況，以查明地下地質構造的空間分布、構造形態(tài)等[1]?；诖罅康牡V井地質構造探測實驗表明，反射共偏移地震勘探技術具有探測準、操作簡便、成本小等特點，對煤礦安全建設和生產具有極大的指導意義。

陳蠻莊煤礦3404工作面正處于回采階段，為確保其切眼順利施工，需查明回采工作面前方100m工作范圍內地質構造發(fā)育情況。

1地質概況

3404工作面3煤層為焦煤，煤巖層為單斜構造。煤層總厚度2.5~5.0m，平均3.4m；傾角25～32°，平均27°。基于前期三維地震資料以及地質資料分析，巷道掘進過程中有一個3煤異常區(qū)，表現(xiàn)為煤層逐漸變薄、分層、頂板較破碎，局部頂板有淋水現(xiàn)象，淋水水量沿掘進向前延伸方向逐漸變小；工作面內發(fā)育有DF24斷層，傾角70°，斷距0~10m，無陷落柱、古河流沖刷等地質現(xiàn)象。

2反射共偏移地震勘探技術

2.1基本原理

反射地震勘探是利用地層介質的彈性和密度差異[2-3]，通過觀察和分析地層介質的地震響應，繼而推斷地下地質構造性質和形態(tài)，具有勘查精度高、分層詳細等特點，優(yōu)于其他地球物理勘探方法。反射共偏移地震勘探技術是反射地震勘探的一個分支，是在共反射點方法的基礎上選擇一個最佳偏移距來進行地震探測，即依據(jù)地震反射波勘探原理，在單邊排列分析基礎上選定最佳偏移距(最佳反射窗口)，采用單道或多道疊加覆蓋觀測系統(tǒng)小步長順移前進采集地震數(shù)據(jù)[4-5]。由于該方法在進行地震資料處理時，不需要動校正處理，從而保留了原始地震資料的動力學以及運動學特征，提高了地下地質構造的細節(jié)再現(xiàn)性[6]。

反射共偏移地震勘探技術中的單邊排列觀測系統(tǒng)是指僅在接收點排列一側進行震源激發(fā)以及地震數(shù)據(jù)接收，圖1為單邊排列多次覆蓋觀測系統(tǒng)示意。其中單邊排列接收道數(shù)為R、道間距為I、偏移距為O、移動步距為P。根據(jù)幾何地震學可知，探測界面為水平時其反射段長度L=I·(R-1)/2。當反射段長度L大于移動步距P時，反射段會出現(xiàn)多次覆蓋。

圖1　單邊排列多次覆蓋觀測系統(tǒng)示意

2.2數(shù)據(jù)采集

根據(jù)研究區(qū)探測概況，基于單邊排列多次覆蓋觀測系統(tǒng)，以200g炸藥作為激發(fā)震源，選用KDZ1114-3型便攜式礦井地震儀以及TZBS系列(主頻為100Hz)傳感器進行地震數(shù)據(jù)采集。儀器采集參數(shù)設置如表1所示。

表1　儀器采集參數(shù)設置

基于對現(xiàn)場探測區(qū)域地震地質條件的噪聲調查結果，并結合井下實際工作條件，選擇出了最佳共偏移接收窗口以及窗口內的檢波器間距，將采用10道(接收道數(shù)R)共偏移連續(xù)追蹤的方式進行地震反射數(shù)據(jù)采集。炮點震源以及檢波器均布置于3404工作面軌道巷，第1炮點距離迎頭2m，激發(fā)間距為5m，道間距I為1m，偏移距O(第1道檢波器與炮點之間距離)為20m，移動步距P為5m。為了使預測結果更加接近實際的巷道地質構造形態(tài)，進行數(shù)據(jù)處理時將以實測點距帶入運算?，F(xiàn)場地震勘探布置如圖2所示，反射共偏移原始地震數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2　反射共偏移地震勘探現(xiàn)場布置

圖3　反射共偏移原始地震數(shù)據(jù)

2.3數(shù)據(jù)處理

反射共偏移原始地震數(shù)據(jù)可分別從時間域和深度域進行分析，將時間域地震信息轉化為深度域地震信息，結合實際地質資料，并以深度域反射相位同相軸追蹤對比進行地質解釋，最終形成其地質剖面。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)處理流程

2.3.1時間域

反射共偏移原始地震數(shù)據(jù)為一時間域地震剖面，基于KDZ2.8軟件平臺進行地震數(shù)據(jù)處理，主要過程：地震信號錄入、數(shù)據(jù)格式轉換、預處理、數(shù)字濾波、修飾處理、偏移剖面形成與顯示等。其中預處理包括文件拼接、道集重排、振幅平衡、靜校正、二次采樣等；修飾處理包括空間混波、變換、平滑處理等。

2.3.2深度域

為更容易識別礦井地質構造空間形態(tài)，對時間域地震資料進行速度分析、偏移成像處理，使其轉化為深度域地震信息，繼而結合研究區(qū)已知地質資料進行地質解釋。其中，關鍵步驟有：建立相對坐標系、定義射線平均速度、確定偏移范圍。

(1)建立相對坐標系建立震源激發(fā)點與檢波點的相對空間笛卡爾坐標系，需要按照實際采集時炮點與檢波器的相對位置進行定義。本次反射共偏移地震勘探的坐標零點定義在距3404工作面軌道巷迎頭22m處位置。

(2)定義射線平均速度在將時間域地震信息轉化為深度域地震信息時，需要確定偏移速度，即定義射線平均速度，它會隨探測深度、炮檢距的變化而變化。在進行反射共偏移地震勘探時，理論中的偏移速度是不同地震道需要應用不同偏移速度，但是基于實際運算量的限制，當炮檢距變化較小時，將采樣均方根速度作為實際偏移速度。經(jīng)多次反射共偏移地震勘探實驗表明，所獲得的疊加剖面與礦井巷道實際地質情況相符，應用效果較好。

均方根速度可由地震的速度譜資料進行求取。當煤巖層傾角較小時，均方根速度VR近似等于疊加速度Va；當傾角較大時，需要進行傾角校正，傾角校正公式為：

式中，Δt0/Δx為水平疊加時間剖面上反射同相軸的斜率。

(3)確定偏移范圍當偏移范圍大于反射點偏移距時，偏移歸位的地震剖面才與實際地質情況相符。反射點偏移距是記錄垂直反射的接收點與地下反射點之間的水平距離，用OO′表示，見圖5。

圖5　反射點偏移距計算

基于研究區(qū)地質概況及利用KDZ2.8軟件對原始地震資料的處理結果，偏移成像參數(shù)見表2。

表2　偏移成像參數(shù)表

確定研究區(qū)偏移范圍后，需要對其進行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格密度將依據(jù)勘探精度進行選取。在將探測范圍以單元格形式離散后，每一個單元格都可以被定義為地震波場的一個反射點，由這一點對應各震源所形成的道集即可稱為共像點地震道集，如圖6所示。

圖6　反射共偏移地震勘探探測模型離散化

3應用效果分析

通過前期地面三維地震勘探方法獲取了3404工作面地質構造變化信息，但其具有對某些小地質構造定義不準的局限性，因此需要使用反射共偏移地震勘探技術在井下對其進行探測確認。

經(jīng)過地震反射共偏移處理后，可以根據(jù)深度域地震信息剖面進行反射相位同相軸的追蹤對比，并結合實際地質資料進行地質解釋，形成最終符合實際巷道地質情況的地質剖面。通常情況下，若探測區(qū)域內存在較大的近似走向斷層或采空區(qū)等地質構造，那么在地震記錄上將會表現(xiàn)出高振幅(能量)，即表示有很強的能量經(jīng)地質界面被反射。因此，異常地質界面的具體位置則可以根據(jù)每一組反射波的旅行時間以及偏移速度進行確定。

本次研究區(qū)地震資料主頻信號豐富，范圍在50～450Hz之間，且采集的地震數(shù)據(jù)質量較好。3404工作面探測區(qū)域原始地震資料經(jīng)反射共偏移處理后，地震解釋成果如圖7所示，其中DF24斷層是基于前期地面三維地震資料解釋而得。

從圖中可以看出，探測區(qū)內存在一地震反射異常條帶(虛線區(qū)域)，結合該區(qū)實際地質資料，初步推斷為構造異常帶，可能存在隱伏斷層或煤層破碎帶。經(jīng)后期打鉆驗證，該構造為DF24斷層網(wǎng)面內發(fā)育的隱伏斷層構造。

圖8為反射共偏移地震處理成果圖。

圖8　反射共偏移地震處理成果

DF24斷層是后期井下揭露，從圖8中可以看出，反射共偏移地震勘探方法很好地彌補了地面三維地震方法對礦井某些小地質構造定義不準的局限。

陳蠻莊煤礦3404工作面地質異常帶反射共偏移地震勘探效果較好，符合巷道實際地質情況，確保了該工作面切眼的順利施工及煤礦的安全開采。

4結論

(1)根據(jù)工作面實際地質情況，采用反射共偏移地震勘探方法對3404回采工作面前方100m工作范圍內的地質構造進行探測，該方法彌補了地面三維地震方法對礦井某些小地質構造定義不準的局限。

(2)采用小道間距的多次覆蓋觀測系統(tǒng)的偏移成像地震勘探技術，通過多道接收地震數(shù)據(jù)，并定義出射線平均速度，將地震時間剖面轉化成深度空間剖面，從而壓制干擾波，增強有效波，提高了地震資料的信噪比，與陸地聲納技術較相似。

(3)在對射線平均速度進行定義時，必須要進行工作面基礎數(shù)據(jù)采集工作，目的是獲得煤巖體介質的速度參數(shù)，繼而提高地質成果解釋的準確性?？梢岳勉@孔波速測試方法進行獲取，或者根據(jù)研究區(qū)其他物探資料進行確定。

(4)反射共偏移地震勘探處理中，由于不需要對原始地震資料進行動校正處理。因此，其保留了原始地震反射波的許多原有特征，即其動力學以及運動學特征，從而提高了地下地質構造的細節(jié)再現(xiàn)性。

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[作者簡介]查華勝(1986-)，男，安徽安慶人，助理工程師，主要從事地震、電法勘探技術研究。

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.007

[收稿日期]2015-03-13

[中圖分類號]TD166；P631.4

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2015)06-0027-04