復(fù)雜黃土塬區(qū)淺埋煤層三維地震勘探技術(shù)研究

湯紅偉

【摘 要】三維地震勘探技術(shù)是煤礦采區(qū)構(gòu)造勘探的主要手段，在地震地質(zhì)條件較好的區(qū)域取得了巨大的成功。但對(duì)于地震地質(zhì)條件較差的黃土塬區(qū)、特別是在煤層埋藏深度淺的區(qū)域效果不太理想。本文在對(duì)沙梁井田三維地震試驗(yàn)區(qū)地震地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，分析了地震勘探的技術(shù)難點(diǎn)，給出了技術(shù)對(duì)策；指出了數(shù)據(jù)處理與資料解釋的關(guān)鍵技術(shù)；得到了較準(zhǔn)確的地質(zhì)成果。實(shí)踐證明，在復(fù)雜黃土塬淺埋煤層區(qū)進(jìn)行三維地震勘探是可行的。

【關(guān)鍵詞】黃土塬；淺埋；三維地震勘探

中圖分類號(hào)： P631.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）19-0127-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.057

Research on 3D seismic exploration technology of shallow buried coal seam in complex loess tableland area

TANG Hong-wei

（China Coal Research Institute，Xian Branch，Xian City，Shaaxi Province，710077，China）

【Abstract】3D seismic exploration technology is the main method of structural exploration in coal mining areas，and has achieved great success in areas with good seismic and geological conditions.However，the effect is not ideal for loess tableland areas with poor seismic and geological conditions，especially for areas with shallow buried depth of coal seams. Based on the analysis of the seismic geological conditions in the 3d seismic test area of shaliang minefield，this paper analyzes the technical difficulties in seismic exploration and gives the technical countermeasures.The key technologies of data processing and data interpretation are pointed out.More accurate geological results have been obtained.Practice has proved that it is feasible to carry out 3-d seismic exploration in the shallow buried coal seam area of complex loess tableland.

【Key words】Loess tableland； Shallow burial； 3D seismic

1 概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)地形地貌

廟哈孤礦區(qū)位于府谷縣城西北部20km處，西北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗相鄰。沙梁三維地震試驗(yàn)區(qū)是礦區(qū)的一部分，試驗(yàn)區(qū)地表為典型的黃土梁峁地貌，地形復(fù)雜、溝壑縱橫（圖1），地勢(shì)東北部高，西南部低。沿北東向至南西向眾多的溝梁成為自然分水嶺。區(qū)內(nèi)最低海拔為1080m、最高海拔為1358.1m。

1.2 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)概況

1.2.1 地層

區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈、呈溝壑梁峁地勢(shì)，山梁、緩坡大部分被第四系黃土及新近系紅土覆蓋，溝谷、陡坡均為基巖出露區(qū)，根據(jù)鉆孔揭露、地表填圖觀測(cè)，區(qū)內(nèi)分布的地層由老至新有：三疊系上統(tǒng)永坪組、侏羅系下統(tǒng)富縣組、侏羅系中統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）、新近系及第四系，延安組為含煤地層。

1.2.2 煤層

主要可采煤層為22、31、42、51、52煤，煤層間距穩(wěn)定至較穩(wěn)定，變化范圍一般在30～50m左右，局部地段變化超過50m，屬穩(wěn)定層間距。22煤層底板標(biāo)高1082.71～1200.24m，煤層厚度0.31～5.00m，多數(shù)地段被剝蝕；31煤層底板標(biāo)高1020.36～1194.46m，煤層厚度0.50～1.72m，部分地段被剝蝕；42煤層底板標(biāo)高972.58～1198.41m，煤層厚度0.82～2.27m，全區(qū)分布；51煤層底板標(biāo)高928.53～1165.42m，煤層厚度0.50～2.36m，全區(qū)分布；52煤層底板標(biāo)高871.76～1169.06m，煤層厚度0.80～4.07m，全區(qū)分布。

2 地震地質(zhì)條件分析

2.2.1 表淺層地震地質(zhì)條件

試驗(yàn)區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜，地表高差最高可達(dá)200多米 ，地形切割強(qiáng)烈、呈溝壑梁峁地貌山梁、緩坡大部分被第四系黃土覆蓋、厚度較大。沿溝谷兩側(cè)階地及山梁廣為第四系黃土、褐黃色土、棕紅色亞粘土覆蓋，基巖局部出露，且風(fēng)化程度較高。較厚的黃土層對(duì)地震波高頻成分有較強(qiáng)的吸收衰減作用，不利于地震波的激發(fā)。

2.2.2 中深層地震地質(zhì)條件

本區(qū)煤系傾角較為平緩，主要標(biāo)志層間距變化小、巖性、巖相組合特征明顯，沉積旋迴清晰，物性差異較大，特別是煤層與圍巖頂界面都是良好的波阻抗分界面。能夠形成能量強(qiáng)、波形特征突出、穩(wěn)定的地震波；但是本區(qū)煤層埋藏深度較淺（10～380m）且變化范圍大，觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難，另外，煤層多且局部層間距小，可能會(huì)形成復(fù)合反射波，而且上組煤對(duì)下組煤有屏蔽作用。

總之，本區(qū)地震地質(zhì)條件較差。但具備完成地質(zhì)任務(wù)的物性條件。

3 地震勘探難點(diǎn)分析與技術(shù)對(duì)策

3.1 難點(diǎn)分析

（1）淺層地震地質(zhì)條件較差

黃土塬復(fù)雜的表層條件對(duì)地震勘探造成的影響在采集方面主要有以下幾點(diǎn)：首先黃土覆蓋區(qū)缺乏良好的激發(fā)和接收條件；第二，相干干擾、次生干擾、黃土諧振干擾極其嚴(yán)重；第三，復(fù)雜地形影響的空炮、空道造成的反射空白段，以及激發(fā)能量在懸崖、陡坎側(cè)面逸散，造成的不良反射段破壞了共反射點(diǎn)（反射面元）的屬性；第四，短波長、大靜校正的存在使記錄在未校正前，反射同相軸的識(shí)別難度大，不利現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量的監(jiān)控。另外，厚黃土層內(nèi)的虛反射界面可能產(chǎn)生的多次波對(duì)地震成果解釋精度的影響也不容忽視。

（2）煤層埋藏深度變化大

本區(qū)煤層埋深度變化大（約10～300m）。觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難，接收排列過長反射波容易發(fā)生畸變、且淺埋煤層有效覆蓋次數(shù)降低，設(shè)計(jì)排列短會(huì)影響速度分析精度。

（3）第四系厚度變化大

本區(qū)新生界厚度變化大（局部地區(qū)基巖出露）、無潛水位，激發(fā)深度選擇困難。

（4）地表高差大靜校正難度大

3.2 設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)策

（1）針對(duì)淺層地震地質(zhì)條件較差這一問題，井深因地制宜，厚黃土區(qū)深井為主；基巖埋深較淺區(qū)以淺井為主；溝底、河灘區(qū)域可考慮采用淺井組合。在規(guī)程允許的縱橫向偏移的范圍內(nèi)，在不影響覆蓋次數(shù)相對(duì)均衡的前提條件下，精選炮點(diǎn)位置，以提高激發(fā)效果。選擇炮點(diǎn)的原則有三點(diǎn)：一是避高就低；二是“喜舊厭新”——多次利用能取得好資料的炮點(diǎn)；三是避開懸崖、陡坎、孤峰等不利地形，減少能量側(cè)面逸散造成的不利影響。以保證得到較好的資料。

（2）針對(duì)煤層埋藏深度變化大的特征，選擇小線距、小道距、小面元網(wǎng)格、高覆蓋次數(shù)的觀測(cè)系統(tǒng)，確保速度分析精度與淺埋煤層的有效覆蓋次數(shù)。

（3）針對(duì)試驗(yàn)區(qū)無潛水位，激發(fā)深度選擇困難的特點(diǎn)，布置200m×200m網(wǎng)度的低速帶調(diào)查點(diǎn)，查清區(qū)內(nèi)低速帶的厚度變化趨勢(shì)，確保激發(fā)層位選擇在降速層中。

4 數(shù)據(jù)采集

4.1 試驗(yàn)工作

（1）低速帶調(diào)查

在地形條件較好區(qū)域采用用小折射的方法進(jìn)行低速帶調(diào)查，觀測(cè)時(shí)使用24道不等間距布置檢波器，總長度104m。在第1道和第24道兩處激發(fā)。

在地形變化劇烈區(qū)域采用微測(cè)井方法進(jìn)行低速帶調(diào)查，井深25m，從井底到井口每2m引爆1發(fā)雷管，檢波器在距井口20cm處布設(shè)3道，遠(yuǎn)離井口布設(shè)4道，道距10m。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)黃土區(qū)低速帶厚度變化范圍為3m～25m。

（2）井深試驗(yàn)

井深試驗(yàn)的目的是選擇良好的激發(fā)層位，以獲得高頻率、單一穩(wěn)定波形及高信噪比的目的層反射波。排列接收道數(shù)為120道、10m道距，中點(diǎn)激發(fā)。井深分別選擇5m～25m，藥量為1kg。

通過試驗(yàn)，認(rèn)為井深不能選擇確定的數(shù)字，需要保證進(jìn)入紅土層中激發(fā)才能獲得理想的單炮記錄。

（3）藥量試驗(yàn)

選擇固定井深，分別用0.5kg、1kg、1.5kg、2kg、2.5kg藥量進(jìn)行試驗(yàn)。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)0.5kg、1kg的炸藥量激發(fā)的單炮記錄能量較弱，1.5kg與2kg炸藥量激發(fā)的單炮記錄煤層反射波組能量較強(qiáng)、連續(xù)且頻率高，2.5kg藥量激發(fā)得到的煤層反射波能量強(qiáng)但頻率較低。綜合認(rèn)為在正式施工中采用1.5kg炸藥量激發(fā)為宜。

4.2 測(cè)網(wǎng)布置

本次三維地震勘探線束布置主要考慮勘探區(qū)地表?xiàng)l件、構(gòu)造發(fā)育、煤層埋藏深度、煤層傾角和地質(zhì)任務(wù)等情況，采用12線6炮制線束狀規(guī)則三維觀測(cè)系統(tǒng)。線束方向南北向，自西向東按序編號(hào)，依次為第1束、第2束……第54束，每束與上一束重合6條接收線，每束內(nèi)有測(cè)線12條，共布置線束54束。

5 數(shù)據(jù)處理主要模塊與資料解釋方法

（1）野外靜校正

靜校正是地震資料處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于地表高程及地表低（降）速帶厚度、速度存在橫向變化使得由此產(chǎn)生的地震波旅行時(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)用合適的靜校正方法和參數(shù)，可以消除這種時(shí)差，確保疊加剖面的質(zhì)量。本區(qū)通過不同靜校正方法的比較，最終選用初至折射靜校正方法，得出正確的炮、檢點(diǎn)靜校正值（圖2、圖3），確保疊加剖面的質(zhì)量。

（2）干擾波消除

針對(duì)單炮記錄中的線性噪音，聲波和面波等干擾，采用多種方法進(jìn)行去除。在時(shí)空域采用逐點(diǎn)多道識(shí)別、單道計(jì)算的方法來識(shí)別各種傾角的規(guī)則噪聲，并采用中值濾波和預(yù)測(cè)濾波對(duì)檢測(cè)到的規(guī)則噪聲進(jìn)行壓制，而且處理結(jié)果不產(chǎn)生假象。這不僅不會(huì)損害有效波成分，同時(shí)也可以提高資料的信噪比。

面波衰減：通過分析面波和有效波的特征，我們發(fā)現(xiàn)面波的頻帶和有效波的頻帶有較大差異，面波速度在600m/s～1000m/s之間，與有效波速度有很大差異，因此可以通過區(qū)域高通濾波將其衰減，高通濾波參數(shù)為H（20，25）。

線性噪聲衰減：?jiǎn)闻谏线€存在很多初至多次鳴震，它們的速度與初至波相同，位置與有效波相交叉，我們采用三維中值濾波技術(shù)將其衰減。

初至精細(xì)切除：由于本區(qū)目的層埋深較淺，初至波與反射波在大偏移距時(shí)相交，初至波的能量很強(qiáng)，通過線性噪聲衰減不能將其完全去除，因此采用小網(wǎng)度的精細(xì)切除技術(shù)將初至波切除，保留有效波，提高信噪比。

剔除壞道、不正常道、尖脈沖等：通過上述噪聲衰減手段，使噪聲得到壓制，有效波得到突出，資料的信噪比得到明顯提高。

（3）綜合層位標(biāo)定方法的實(shí)現(xiàn)步驟

首先根據(jù)鉆孔資料的煤層實(shí)際深度進(jìn)行速度分析、t0時(shí)間與煤層深度線性擬合；之后編輯聲波時(shí)差測(cè)井曲線、剔除曲線畸變，并結(jié)合單井合成記錄標(biāo)定層位，進(jìn)行粗框架地震剖面追蹤對(duì)比，檢查各反射波閉合情況，然后針對(duì)鉆孔分層數(shù)據(jù)不閉合的情況，調(diào)整不閉合井的合成記錄。

（4）采空區(qū)解釋

據(jù)了解房柱式采煤的采取率較低，煤層采空之后還存在大量煤柱，勘探后獲得微弱的反射波或得不到連續(xù)的反射波，在時(shí)間剖面上表現(xiàn)有三種現(xiàn)象，其一是煤層反射波變?nèi)酰诓煽諈^(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)，其下覆層位反射波很弱，而有采空區(qū)的地段煤層反射波同相軸表現(xiàn)微弱，其下覆層位反射波同相軸較強(qiáng)，形成明顯反差；其三是煤層被完全采空，殘余有少量煤柱，則在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為煤層反射波缺失。本區(qū)采空區(qū)在時(shí)間剖面上表現(xiàn)為同相軸變?nèi)?、上弱下?qiáng)（圖4）。

（5）無煤帶、薄煤帶的解釋

煤層變薄時(shí)，由于煤與圍巖的波阻抗差異小，導(dǎo)致形成反射波的能量發(fā)生變化，在時(shí)間剖面上，反射波表現(xiàn)為振幅削弱、反射波連續(xù)性變差、頻率增高等特征。無煤帶的存在會(huì)造成時(shí)間剖面上同向軸缺失。

6 地質(zhì)成果

按照40m×80m的網(wǎng)度對(duì)地震時(shí)間剖面進(jìn)行質(zhì)量評(píng)級(jí)，Ⅰ類剖面占55.49%、Ⅱ類剖面占39.56%、Ⅲ類剖面占4.95%、Ⅰ+Ⅱ剖面總和達(dá)到95.05%，滿足《規(guī)范》中Ⅰ+Ⅱ剖面總和不低于80%要求。

查明了試驗(yàn)區(qū)主要煤層的底板標(biāo)高、起伏形態(tài)。共解釋59條組合斷層，落差大于00m的斷層3條，落差大于50m的斷層1條，落差大于30m的斷層3條，落差大于10的斷層18條，落差大于5m的斷層9條，落差小于5m的斷層25條；圈定了22、31煤層的零點(diǎn)邊界和22、31、42、51、52煤層的不可采邊界；共解釋采空區(qū)6處，22煤層采空區(qū)5處，52煤層采空區(qū)1處。

7 結(jié)論

（1）對(duì)應(yīng)復(fù)雜淺埋煤層區(qū)域三維地震勘探來說，合理的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與激發(fā)參數(shù)選取是取得成功的基礎(chǔ)。

（2）合理的資料處理模塊與參數(shù)選擇，是獲得質(zhì)量較高地震數(shù)據(jù)體的關(guān)鍵；正確的異常識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)建立，是獲得準(zhǔn)確地質(zhì)成果的保障。

（3）復(fù)雜黃土塬區(qū)地表情況下淺埋煤層三維地震勘探是可行的。

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