三維地震動態(tài)解釋及應(yīng)用

吳曉春

(山西陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陽泉 045000)

0 引言

我國主要煤礦均開展了采區(qū)三維地震勘探工作，獲得了大量的三維地震數(shù)據(jù)。煤礦采區(qū)三維地震勘探已成為詳細(xì)查明井下可采煤層中小斷層、小褶曲、陷落柱、采空區(qū)、沖刷帶等影響煤炭安全生產(chǎn)的地質(zhì)構(gòu)造的主要手段，可以有效地指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。但是，技術(shù)人員在使用三維地震勘探成果的過程中發(fā)現(xiàn)許多問題，主要包括：地震成果的利用率低；無法實時獲得沿巷道方向的地震剖面；無法對煤層底板等高線的誤差進(jìn)行及時修正；無法利用生產(chǎn)實見的礦井地質(zhì)信息等。因此，需要把三維地震勘探成果與煤礦生產(chǎn)過程中獲得的礦井地質(zhì)信息相融合，更有效地的解決與煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)的地質(zhì)問題?；邶堒汫IS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)不僅可以對三維地震解釋成果進(jìn)行可視化展示，而且能夠利用礦井地質(zhì)和測量資料對地震解釋成果進(jìn)行動態(tài)修正，為煤礦的安全生產(chǎn)提供堅實的技術(shù)保障。

1 三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)

1.1 功能模塊設(shè)計

總所周知，三維地震勘探技術(shù)是一種間接手段，主要是通過反射地震波信息推測地下地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育與巖性，其解釋成果存在多解性，已知的地質(zhì)信息越多，越有利于技術(shù)人員排除多解性，從而提高解釋精度。煤礦開采是一個動態(tài)過程，其井巷資料從無到有，隨著井下采掘的進(jìn)行，已知地質(zhì)信息也在不斷增多?；邶堒汫IS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)，利用不斷增加的地質(zhì)資料對三維地震的解釋方案進(jìn)行及時修正更新，排除多解性，不斷提高三維地震解釋成果的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)，為煤礦的安全開采提供技術(shù)支持。

基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)，結(jié)合礦井地測部門在生產(chǎn)過程中的實際需求，設(shè)計的主要功能有：三維地震數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)解釋、地震屬性及可視化顯示等，如圖1所示。通過這些設(shè)計，使煤礦采區(qū)三維地震成果融入到龍軟GIS平臺地測空間數(shù)據(jù)庫中，充分發(fā)揮采區(qū)三維地震勘探對地測系統(tǒng)功能的補充作用。

圖1 三維地震動態(tài)解釋模塊功能設(shè)計Figure 1 Design of 3D seismic dynamic interpretation module function

基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)以采區(qū)三維地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合動態(tài)更新的地質(zhì)數(shù)據(jù)及井巷資料，對三維地震解釋成果進(jìn)行動態(tài)解析修正，實現(xiàn)構(gòu)造精細(xì)解釋、煤層底板等高線動態(tài)更新、巷道及工作面前方地質(zhì)預(yù)測預(yù)報等功能。

1.2 主要功能

1.2.1 地質(zhì)基礎(chǔ)信息的數(shù)據(jù)共享

基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)實現(xiàn)了地質(zhì)基礎(chǔ)信息的數(shù)據(jù)共享。它既可以利用龍軟GIS地測空間信息管理系統(tǒng)中地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中大量的礦井地質(zhì)信息(比如鉆孔數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)等)；同時，又可以調(diào)入相關(guān)的采區(qū)三維地震解釋成果，保存到地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中，更新數(shù)據(jù)庫信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.2.2 動態(tài)更新煤層底板等高線

基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)實現(xiàn)了煤層底板等高線的動態(tài)更新。傳統(tǒng)地質(zhì)方法繪制煤層底板等高線主要是基于已知的井巷資料和地質(zhì)鉆孔資料，直接利用插值算法進(jìn)行插值，在距離鉆孔較遠(yuǎn)的地方，生成的煤層底板等高線誤差較大，難以指導(dǎo)煤礦實際生產(chǎn)。開展采區(qū)三維地震以后，煤層底板等值線的繪制方法如下：利用鉆孔揭露的煤層深度和煤層反射波時間值，求得鉆孔處煤層的平均速度。利用鉆孔處的煤層平均速度對采區(qū)三維地震勘探的速度場進(jìn)行標(biāo)定，得到采區(qū)速度場，經(jīng)過時深轉(zhuǎn)換，即可得到勘探區(qū)煤層的底板深度，從而繪制煤層底板等高線。當(dāng)勘探區(qū)的鉆孔資料較少時，煤層平均速度不能得到較好的標(biāo)定，經(jīng)時深轉(zhuǎn)換后得到的煤層底板等高線誤差較大。隨著煤礦井下采掘的進(jìn)展，煤層底板標(biāo)高的資料越來越多，可以利用基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)對煤層底板等高線進(jìn)行及時動態(tài)修正。

1.2.3 生成地震剖面與地質(zhì)剖面

煤礦采區(qū)三維地震剖面反映地震波的運動學(xué)特征，提供了煤層起伏形態(tài)、構(gòu)造等信息，龍軟地測空間信息管理系統(tǒng)中包含了大量地質(zhì)、測量數(shù)據(jù)。基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)將二者聯(lián)合對比，既能借助采區(qū)三維地震數(shù)據(jù)對地質(zhì)剖面進(jìn)行修改，又可以依據(jù)實見巷道地質(zhì)資料修正更新地震解釋成果，為掘進(jìn)與回采的地質(zhì)預(yù)測工作提供更為豐富的基礎(chǔ)資料。

2 應(yīng)用實例

2.1 陽煤集團(tuán)新元礦四采區(qū)

以陽煤集團(tuán)新元礦四采區(qū)為例來說明這個修正更新過程。

陽煤集團(tuán)新元礦四采區(qū)的鉆孔數(shù)目較少，煤層底板等高線的誤差較大。巷道掘進(jìn)以后，把每個見煤點的底板標(biāo)高作為虛擬鉆孔資料，重新對采區(qū)的三維地震速度場進(jìn)行標(biāo)定，由于增加了鉆孔數(shù)量，標(biāo)定的煤層平均速度場精度得以提高。利用基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)，通過插值算法動態(tài)更新了煤層底板等高線，見圖2，左邊(a)為更新前的煤層底板等值線，右邊(b)為更新后的煤層底板等值線。

2.2 陽煤集團(tuán)二礦九采區(qū)

陽煤集團(tuán)二礦九采區(qū)于2006年進(jìn)行了采區(qū)三維地震勘探工作，對3煤層、9煤層和15煤層進(jìn)行了構(gòu)造解釋，圖3中的綠色等值線為15煤層底板等高線。2008年，在15煤層巷道掘進(jìn)過程中遇到一個構(gòu)造，地層傾角突然增加20°，圖3中的黑色等值線是根據(jù)井巷工程獲得的實際地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)。從圖3中可以看到15煤層的實際地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)與采區(qū)三維地震解釋成果存在較大誤差，表現(xiàn)為煤層底板形態(tài)大相徑庭。

圖4為沿巷道切的三維地震剖面，從圖中可以看出，大號端由于位于工區(qū)邊緣，覆蓋次數(shù)不夠，導(dǎo)致地震數(shù)據(jù)信噪比降低。在剖面(410-480CDP)處，地震波同相軸品質(zhì)變差。解釋過程中，煤層反射波同相軸追蹤時存在誤差，T3與T15兩波的時間間距小號端為70～75ms，而剖面大號端，兩波的時間間距變?yōu)?5～90ms，顯然違反本區(qū)域地層沉積穩(wěn)定的規(guī)律。利用基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)對回采區(qū)域的T15波進(jìn)行了重新對比追蹤，見圖5。對比的基本原則是：在整張地震剖面上，T3波(黃線)與T15波(綠線)的時間間距保持在70～75ms，最終獲得了新的煤層層位解釋剖面。

通過重新對比，在地震剖面上重新認(rèn)識了巷道掘進(jìn)時發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造。圖5的P69點是構(gòu)造的起始點，小號方向的T15波可以連續(xù)追蹤，而大號方向的T15波突然消失。結(jié)合T3波、T6波和T12波的波形特征，發(fā)現(xiàn)盡管反射波同相軸消失點的位置不同，但只要通過該點，反射波便開始上翹。這種現(xiàn)象的地質(zhì)解釋是：地震波可以連續(xù)追蹤的區(qū)域，煤層傾角不大，有利于反射波的接收；地震波不能連續(xù)追蹤的區(qū)域，煤層傾角變大，不利于反射波的接收。因此，可以可以從地震波同相軸的這個特征來確定地質(zhì)構(gòu)造的存在。由此可見，利用不斷豐富的礦井地質(zhì)資料，基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)，可以根據(jù)巷道掘進(jìn)情況及時修正更新采區(qū)三維地震勘探成果，力求及時準(zhǔn)確地預(yù)測未掘進(jìn)部分影響煤礦安全生產(chǎn)的地質(zhì)構(gòu)造，為煤礦安全生產(chǎn)提供有效的地質(zhì)支撐。

圖2 新元煤礦11煤層更新前(a)后(b)底板等高值線Figure 2 Xinyuan coalmine coal No.11 floor contours before (a) and after (b) update

圖3 煤層地震解釋成果和地質(zhì)解釋成果Figure 3 Results from coal seam seismic interpretation and geological interpretation

圖4 原始地震剖面Figure 4 Original seismic sections

圖5 重新對比后的地震剖面Figure 5 Seismic sections after re-comparison

3 結(jié)論

基于龍軟GIS平臺的三維地震動態(tài)解釋系統(tǒng)以龍軟GIS地測空間信息管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用煤礦開采過程中增加的礦井地質(zhì)信息， 對采區(qū)三維地震勘探成果及時修正更新，將生產(chǎn)專題圖件、實見構(gòu)造信息與三維地震數(shù)據(jù)、解釋成果相結(jié)合，及時準(zhǔn)確地預(yù)測未掘進(jìn)部分的地質(zhì)構(gòu)造，為煤礦安全生產(chǎn)提供堅實的技術(shù)保障。