基于褶積模型的波阻抗反演技術(shù)在煤炭資源儲量管理中的應(yīng)用

趙啟生 褚洪偉 尹 聰

（山東濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司安居煤礦，山東 濟(jì)寧 272100）

1 概述

濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司安居煤礦（以下簡稱“安居煤礦”）隸屬濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司，為地方國有企業(yè)。礦井位于濟(jì)寧市任城區(qū)內(nèi)兗新鐵路以南、濟(jì)徐高速以東、京杭運(yùn)河以西，行政區(qū)劃屬濟(jì)寧市任城區(qū)管轄。

安居煤礦煤層賦存-820m～ -1800m，屬千米深井，且屬于地質(zhì)類型復(fù)雜礦井，礦井自投產(chǎn)以來井下開拓布局受構(gòu)造影響較大，斷層、古河流沖刷帶等構(gòu)造嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)，給礦井煤炭資源儲量管理工作帶來了較大難度。

在礦井煤炭資源儲量管理中煤厚的預(yù)測精度對儲量估算起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的煤厚預(yù)測方法主要是利用地質(zhì)鉆孔或井下實(shí)際揭露的煤厚進(jìn)行插值獲得，獲得的煤厚分布規(guī)律與區(qū)鉆孔的密度及取芯質(zhì)量有直接的關(guān)系，鉆孔越稀疏，誤差越大。安居煤礦屬千米深井，地質(zhì)鉆孔單孔造價平均為80萬元，單純依靠施工地質(zhì)鉆孔獲得煤厚信息的方式將給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)壓力。

為準(zhǔn)確掌握煤層厚度變化情況，安居煤礦地質(zhì)技術(shù)人員通過利用波阻抗反演技術(shù)獲取了科學(xué)準(zhǔn)確的煤厚信息。從而相對準(zhǔn)確地估算出礦井資源儲量，為礦井煤炭資源儲量管理提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 基于褶積模型的波阻抗地震反演技術(shù)

隨著我國華北地區(qū)淺部煤炭資源日益開采殆盡，煤炭資源的開采逐漸向深部延伸。傳統(tǒng)的以構(gòu)造勘探為目的的地震勘探技術(shù)已不能滿足礦井生產(chǎn)需求，除摸清地質(zhì)構(gòu)造外，地層厚度、巖性及含流體成分等巖性信息對現(xiàn)場生產(chǎn)指導(dǎo)也有極大作用。為滿足這種需求，巖性勘探技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

地震反演技術(shù)是巖性勘探發(fā)展的一種重要手段[1]，它綜合利用地震、測井、地質(zhì)和鉆井等資料揭示煤的空間幾何形態(tài)（包括煤厚、變化情況、可采情況、尖滅情況等）和煤層結(jié)構(gòu)特征[2]。

基于褶積模型的波阻抗反演方法利用井旁地震道與測井資料（速度、密度等）獲得地震子波和反子波，然后以褶積模型為基礎(chǔ)外推反射系數(shù)序列，經(jīng)測井標(biāo)定后求出整個剖面的波阻抗值或?qū)铀俣戎怠?/p>

基于褶積模型的波阻抗反演方法主要有直接反演、稀疏脈沖法、以模型為基礎(chǔ)的反演方法。以模型為基礎(chǔ)的反演方法是先構(gòu)造一個地震參數(shù)初始模型，然后將合成記錄與實(shí)際地震資料進(jìn)行對比，利用對比結(jié)果通過線性化反演技術(shù)迭代更新模型，直至兩種資料吻合為止[3]。由于以模型為基礎(chǔ)的反演方法與前兩種方法相比具有分比率高的特點(diǎn)，因此本次煤厚反演采用以模型為基礎(chǔ)的反演方法。

3 地震反演技術(shù)在煤炭資源儲量管理中的應(yīng)用

3.1 煤厚反演的方法

根據(jù)首采區(qū)北翼三維地震勘探資料并結(jié)合采區(qū)內(nèi)鉆孔及測井資料和井下實(shí)際揭露地質(zhì)情況進(jìn)行地震技術(shù)反演。反演采用以模型為基礎(chǔ)的反演方法，具體采用Hampson-Russell公司的Strata軟件進(jìn)行。

波阻抗反演法求取煤厚的步驟如下：

（1）進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換。即利用三維地震獲取的時間信息與測井、地質(zhì)等信息相結(jié)合，進(jìn)行聯(lián)合反演，獲得含有地層深度信息的地震數(shù)據(jù)體。

（2）分析總結(jié)出煤層的擬阻波抗值，煤層的擬阻波抗值大致穩(wěn)定在一定區(qū)間。

（3）通過對全區(qū)追蹤獲得煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)。

（4）將頂?shù)装鍞?shù)據(jù)做差可得出煤厚。

（5）將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際鉆井結(jié)果進(jìn)行匹配，可獲得煤厚預(yù)測結(jié)果。并利用計(jì)算機(jī)繪制形成煤厚變化趨勢圖[4]。

煤厚變化趨勢圖中具有煤層等厚線，根據(jù)煤層厚度采用藍(lán)--黃--紅等顏色進(jìn)行直觀表示，煤厚變化情況及任意區(qū)域的煤厚一目了然。

3.2 運(yùn)用傳統(tǒng)方法對首采區(qū)北翼儲量計(jì)算成果

由于首采區(qū)北翼鉆孔施工密度較小，共包含3個見煤鉆孔：X6、X10、X30鉆孔，煤厚分別為2.1m、3.0m、2.32m，利用鉆孔所揭露的煤厚進(jìn)行插值獲得首采區(qū)北翼平均煤厚為2.51m，如圖1。根據(jù)DZ/T 0215-2002《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定，煤層傾角小于15°時（3上煤層傾角均小于15°），采用地質(zhì)塊段法在水平投影圖上估算資源儲量。

估算公式：

式中：

Q-資源儲量，萬t；

S-水平投影塊段面積，m2；

D-視密度，t/m3；

M-塊段煤層鉛直厚度，m。

圖1 利用鉆孔數(shù)據(jù)計(jì)算首采區(qū)北翼資源儲量圖

可估算出首采區(qū)北翼儲量為458.6萬t，按照85%的采區(qū)回采率計(jì)算預(yù)計(jì)采出量為389.8萬t。

3.3 利用反演成果對首采區(qū)北翼進(jìn)行儲量計(jì)算成果

通過對三維物探資料進(jìn)行反演技術(shù)處理，得出了安居煤礦首采區(qū)北翼3上煤層厚度變化趨勢圖[5]。根據(jù)該圖顯示，首采區(qū)北翼中部存在一條狹長的煤層變薄區(qū)，該區(qū)域平均長約2200m，寬約180m，區(qū)域內(nèi)平均煤厚僅1m左右（后經(jīng)實(shí)際揭露被證實(shí)為一條近南北走向的古河流沖刷帶，區(qū)內(nèi)煤厚平均0.8m，局部為無煤區(qū)），見圖2。根據(jù)煤層等厚線圖，首采區(qū)北翼厚度為0.5～32m，平均為2.15m。根據(jù)儲量估算公式：

Q-資源儲量，萬t；

S-水平投影塊段面積，m2；

D-視密度，t/m3；

M-塊段煤層鉛直厚度，m。

可估算出首采區(qū)北翼儲量為356.8萬t，按照85%的采區(qū)回采率計(jì)算預(yù)計(jì)采出量為303.3萬t。

3.4 首采區(qū)北翼實(shí)際采出儲量計(jì)算

安居煤礦首采區(qū)北翼自2015年3月開始生產(chǎn)，截至2018年10月，已先后完成1305、1304、1306、1307工作面和1309工作面的煤炭資源開采工作，采區(qū)內(nèi)資源開采基本結(jié)束。根據(jù)前期首采區(qū)北翼各工作面煤炭資源實(shí)際產(chǎn)出量，可以得出首采區(qū)北翼實(shí)際采出量為283.7萬t（回采率為85%）。

3.5 對比分析

首采區(qū)北翼實(shí)際采出煤量283.7萬t，采用傳統(tǒng)手法估算出采區(qū)儲量為389.8萬t，采用地震反演技術(shù)預(yù)測煤厚估算儲量為303.3萬t。通過上述兩種不同計(jì)算方法估算對比分析，可得利用反演成果進(jìn)行儲量計(jì)算估算儲量結(jié)果更接近實(shí)際，從而能夠相對準(zhǔn)確地估算礦井資源儲量，為礦井開拓設(shè)計(jì)提供了可靠的地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

采用波阻抗地震反演技術(shù)，對原有三維地震勘探資料進(jìn)行反演，可獲得反映出煤層厚度變化趨勢及規(guī)律的資料，能科學(xué)合理地預(yù)測出煤層厚度，從而能夠相對準(zhǔn)確地估算礦井或采區(qū)資源儲量，為礦井或采區(qū)煤炭資源儲量管理提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖2 利用地震反演煤厚數(shù)據(jù)計(jì)算首采區(qū)北翼資源儲量圖

由于波阻抗地震反演技術(shù)目前在煤厚分析方面還未充分運(yùn)用，因此在今后的工作中，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對煤厚和關(guān)鍵層厚度反演技術(shù)的研究，以便更好地為煤礦安全高效開采服務(wù)。