復(fù)雜地表淺埋煤層三維地震勘探技術(shù)及應(yīng)用

摘 要：以山西某三維地震勘探區(qū)為例，分析了復(fù)雜地表?xiàng)l件下淺埋煤層區(qū)地震勘探存在的技術(shù)難點(diǎn)。采用小道距、高覆蓋次數(shù)、高速層激發(fā)等措施，應(yīng)用層析靜校正技術(shù)、振幅一致性補(bǔ)償和地表一致性反褶積等處理技術(shù)及人機(jī)交互式動(dòng)態(tài)解釋和屬性分析技術(shù)，得到了高品質(zhì)地震資料和豐富的地質(zhì)成果并得到鉆探、巷探和采掘資料的驗(yàn)證，表明三維地震勘探適用于復(fù)雜淺埋區(qū)采空區(qū)的探測(cè)。

關(guān)鍵詞：三維地震勘探；采空區(qū)；淺埋煤層；屬性分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.035

0 引言

隨著國家煤炭企業(yè)兼并重組與煤炭資源整合政策的實(shí)施，老窯采空區(qū)成為國有大型煤礦安全開采所面臨的最為嚴(yán)重的潛在隱患之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，老空區(qū)突水占礦井水害的88%以上。受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，小煤窯亂采亂掘，越界開采現(xiàn)象嚴(yán)重，小煤窯采空區(qū)位置分布的不規(guī)則性和不確定性，特別是小煤窯開采中遺留的采空區(qū)，沒有準(zhǔn)確的采空區(qū)位置，影響著煤礦綜采工作面的布置，給煤礦的安全生產(chǎn)留下了巨大的隱患。如未預(yù)先探明小煤窯采空區(qū)的分布，往往會(huì)導(dǎo)致突發(fā)的煤礦透水事故和有害氣體中毒事故，成為煤礦安全生產(chǎn)的巨大隱患，因此，探明小窯采空區(qū)的分布位置和范圍具有重大的意義[1-5]。 五家溝煤礦周邊分布有較多年代久遠(yuǎn)的老窯采空區(qū)，嚴(yán)重影響著該礦的安全生產(chǎn)，為煤礦安全生產(chǎn)提供地質(zhì)保障，本文應(yīng)用三維地震勘探技術(shù)，探查了小煤窯采空區(qū)的范圍。通過鉆探驗(yàn)證，應(yīng)用效果良好。

1 概況

研究區(qū)位于勘探區(qū)地處洪濤山脈西側(cè)，地形較為復(fù)雜，地表大面積被第四系黃土覆蓋，局部溝谷地段有基巖零星出露。通行困難，影響施工。第四系黃土覆蓋不均，較難選擇一個(gè)統(tǒng)一的激發(fā)深度，同時(shí)黃土土質(zhì)松散，波速低，造成地震波能量衰減很快，對(duì)激發(fā)和接收有不利影響。地層主要有中下太古界集寧群，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界上第三系、第四系。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。主要可采5號(hào)煤層，平均厚度10m，埋深100～290m。煤與圍巖物性差異較大，煤層與圍巖界面為良好的反射界面，但大部分地段埋深很淺，不利于避開面波干擾。此外，由于含煤段煤層層數(shù)多，層間間距小，各煤層反射波相互干涉，很難將其分開，也有可能造成煤層反射波的相削或相干加強(qiáng)，給處理和解釋工作造成很大困難，地震地質(zhì)條件應(yīng)屬一般。

2 淺埋煤層地震勘探難點(diǎn)

（1）地表復(fù)雜。研究區(qū)位于黃土區(qū)，地形起伏大、溝深坡陡，通行困難，給地震施工造成較大困難。區(qū)農(nóng)田、果樹及村莊比較密集，還有許多廢棄的窯洞，給檢波器的布設(shè)帶來一定的困難。

（2）煤層多、埋藏淺、間距小?？碧絽^(qū)內(nèi)共有煤層14層，主要可采煤層有5號(hào)煤層（5-1和5煤層）和8號(hào)煤層（8-1和8煤層），5-1號(hào)煤層厚度1.80～10.07m，埋深95.35～285.87m。5號(hào)煤層厚度1.10～16.76m，埋深101.85～290.30m。8-1號(hào)煤層厚度0.50～2.88m，埋深112.70～305.96m。8號(hào)煤層厚度0.75～2.55m，埋深115.40～317.88m。煤層間距在0～20m，常規(guī)地震勘探的分辨率很難達(dá)到。

（3）地震波吸收衰減嚴(yán)重。研究區(qū)地表被第四系干燥、松散黃土覆蓋層，厚度不均，不僅對(duì)地震有效波特別是高頻信息的吸收衰減作用較為強(qiáng)烈，還出現(xiàn)明顯的多次波、面波、側(cè)面波等干擾，造成深層反射波的信噪比降低，成像模糊，影響地質(zhì)成果分析。

3 淺埋煤層地震勘探技術(shù)對(duì)策

3.1 野外采集

（1）三維觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用小道距，小排列接收，確保目的層不發(fā)生畸變。綜合分析勘探區(qū)地表?xiàng)l件、煤層埋深情況和地質(zhì)任務(wù)要求，采用10線4炮制觀測(cè)系統(tǒng)，具體參數(shù)如下：線距20m，道距10m，70道/線，CDP網(wǎng)格5m×10m，覆蓋次數(shù)28次，束距100m。

（2）選擇良好的激發(fā)層位。在厚黃土區(qū)，激發(fā)層位為紅黏土中；在基巖區(qū)，采用風(fēng)鉆成孔，井深在2～3m；在過渡區(qū)，成孔至基巖面1m以下（井深不低于3m）。

（3）結(jié)合地質(zhì)任務(wù)，提前野外踏勘。充分了解工區(qū)地表?xiàng)l件和障礙物分布范圍，利用三維地震觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與監(jiān)控軟件，提前進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬，保證全區(qū)得到相對(duì)均勻的覆蓋次數(shù)。

（4）加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控。由于復(fù)雜地形影響歪曲了反射波的形態(tài)，強(qiáng)干擾掩蓋了目的層反射波的面目，依靠常規(guī)經(jīng)驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)難以準(zhǔn)確衡量野外監(jiān)視記錄的質(zhì)量，有必要借助于現(xiàn)場(chǎng)處理監(jiān)控，來加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量的監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控的結(jié)果，指導(dǎo)后續(xù)的采集工作，確保獲得的野外資料具有較高的信噪比。

3.2 資料處理

（1）精細(xì)靜校正。靜校正是地震資料處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。靜校正的正確性直接關(guān)系到疊加剖面的品質(zhì)，針對(duì)本區(qū)的特點(diǎn)，處理處理中采用層析靜校正方法，該方法利用層析反演的方法提取近地表速度模型，在此基礎(chǔ)上求取高精度的炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)靜校正量[6-9]，更真實(shí)的反映地下構(gòu)造。

（2）地表一致性補(bǔ)償。由于大地濾波的作用，地震波在傳播過程中能量衰減很多，尤其高頻成份損失嚴(yán)重。另外，震源能量差異、檢波器藕合差異也會(huì)對(duì)有效波振幅產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致接收到的振幅不能真實(shí)地反映地下介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特征及相互差異，采用地表一致性振幅補(bǔ)償對(duì)地震波能量加以恢復(fù)，使得淺、中、深空間能量得到了較好恢復(fù)。

（3）地表一致性反褶積，提高地震資料的主頻，進(jìn)而提高地震資料的分辨率。

（4）分頻去噪。通過對(duì)將地震信號(hào)分解成不同的頻率段，通過搜索不同頻率段的異常振幅來去除異常大振幅噪音，該方法對(duì)地震波的振幅完全沒有損害，是一種非常保幅的去噪方法。

3.3 資料解釋

資料解釋中采用人機(jī)交互式動(dòng)態(tài)解釋，利用常規(guī)縱橫剖面結(jié)合多屬性綜合方法圈定采空區(qū)范圍（圖2），結(jié)合采空區(qū)發(fā)育的地質(zhì)特征及其地震響應(yīng)，利用屬性分析驗(yàn)證解釋結(jié)果。

利用沿煤層的層間地震統(tǒng)計(jì)特征更有利于對(duì)煤層采空區(qū)等異常地質(zhì)體的識(shí)別。根據(jù)時(shí)間求取的屬性有助于分辨構(gòu)造細(xì)節(jié)。波形的弧長屬性便于分析小斷層、采空區(qū)。頻率屬性有助于揭示額外的地質(zhì)分層和巖性特點(diǎn)，進(jìn)而識(shí)別本區(qū)采空區(qū)、陷落柱、異常區(qū)。統(tǒng)計(jì)類的方差體技術(shù)，凸現(xiàn)構(gòu)造異常，幫助我們快速確定采空區(qū)、陷落柱、異常區(qū)?；旌蠈傩园苏穹皖l率成分，因此有利于地震反射波特征的測(cè)量。針對(duì)研究區(qū)的特征共提取了振幅、頻率、相位等的屬性圖。經(jīng)過對(duì)比優(yōu)化分析，采用總振幅（Sum_Amplitude）屬性時(shí)，采空區(qū)邊界顯著，易辯認(rèn)確定（圖2）。圖中粉紅色地區(qū)代表對(duì)應(yīng)數(shù)值比較低，是采空區(qū)分布區(qū)。

4 地質(zhì)成果與驗(yàn)證情況

本次地震資料的信噪比較高，通過合理的施工、處理流程及處理模塊，特別是應(yīng)用層析靜校正方法，選擇人機(jī)交互式動(dòng)態(tài)解釋與屬性分析，取得了良好的應(yīng)用效果，獲得了豐富的地質(zhì)成果：解釋斷層45條，均為正斷層，發(fā)現(xiàn)了陷落柱5個(gè)，圈定采空區(qū)21處。

資料解釋過程中，在5206工作面切眼以東，發(fā)現(xiàn)DX2陷落柱，五家溝煤礦對(duì)該陷落柱進(jìn)行井下驗(yàn)證，結(jié)果顯示，該陷落柱確實(shí)存在，平面位置大小與地震勘探解釋成果基本一致，平面位置向西北方向偏擺10m（圖4），其中藍(lán)色為地震勘探解釋陷落柱范圍，紅色為鉆探驗(yàn)證陷落柱范圍。

在5206工作面主運(yùn)順槽巷道掘進(jìn)中，距離設(shè)計(jì)切眼位置1320m處揭露一斷點(diǎn)，該斷點(diǎn)落差為13m，傾向SSE。地震勘探解釋結(jié)果中，距離設(shè)計(jì)切眼位置1310m左右處，DF27斷層經(jīng)過，該位置處，DF27斷層落差20m，走向SWW，傾向SSE。地震勘探結(jié)果與實(shí)際揭露結(jié)果基本一致（圖5），其中紅色為地震勘探解釋結(jié)果，藍(lán)色為巷道掘進(jìn)中實(shí)際揭露點(diǎn)。

5 結(jié)論

淺埋煤層黃土區(qū)開展三維地震勘探，會(huì)面臨到表層條件復(fù)雜，小煤窯分布多而亂；煤層埋深淺且間距??；厚薄不一的松散干黃土對(duì)高頻地震波的強(qiáng)烈吸收作用等不利條件。本次三維地震勘探在充分分析存在的難題，并在此基礎(chǔ)上采取針對(duì)性的技術(shù)對(duì)策。小道距、小線距、高覆蓋次數(shù)和高速層中激發(fā)是基礎(chǔ)。合理的處理流程和關(guān)鍵性的處理模塊是取得高品質(zhì)資料的保證。綜合運(yùn)用人機(jī)交互式動(dòng)態(tài)解釋和地震屬性解釋技術(shù)是準(zhǔn)確圈定小窯采空區(qū)和控制小斷層有效的解釋方法。實(shí)際資料表明，在淺埋煤層區(qū)進(jìn)行三維地震勘探探測(cè)采空區(qū)取得了一定的應(yīng)用效果，為煤礦的正常生產(chǎn)秩序和安全高效開采提供了可靠的地質(zhì)資料。

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作者簡介：凌國慶（1982-），男，工程師，主要從事地震勘探工作。