三維地震勘探技術(shù)在寶力根煤礦的應(yīng)用

亓增剛

（中國煤炭地質(zhì)總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引言

自20 世紀70 年代以來，三維地震勘探技術(shù)一直在礦產(chǎn)勘探中發(fā)揮著重要的作用，一般采用炸藥或可控震源激發(fā)，由于地下地層有波阻抗差異，檢波器接收到的地層反射波也就在傳播過程中攜帶了不同的地層信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理提取出對勘探開發(fā)有利的信號，通過與鉆探、測井等地質(zhì)信息的比對分析得到地層和信號的對應(yīng)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)開展構(gòu)造解釋等工作。該項技術(shù)廣泛的應(yīng)用于煤田勘探開發(fā)階段，是采區(qū)工作面部署設(shè)計的重要技術(shù)支撐。此次研究主要是為了查明內(nèi)蒙正鑲白旗寶力根套海煤田地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過地震野外數(shù)據(jù)采集、資料處理、資料解釋3 個階段的細致工作，了解寶力根煤礦的煤層賦存和構(gòu)造發(fā)育情況，為下一步煤礦開采工作提供安全技術(shù)保障。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)地層自下而上為侏羅系上統(tǒng)張家口組（J3z），白堊系下統(tǒng)巴彥花組（K1b）；古近系（E）和第四系（Q）。煤系地層為白堊系下統(tǒng)巴彥花組，陸相沉積環(huán)境決定了其巖性巖相變化較大，其分布范圍為探礦權(quán)中南部4 條斷層所圍割的矩形斷陷盆地內(nèi)。據(jù)該區(qū)鉆孔揭露資料顯示，煤系最大厚度超過1155 m，平均509 m，含煤25 層，分上下2段。上段為主含煤段，含1 ～15 號煤，其中10號、15 號煤為主要可采煤層。下段為次含煤段，含煤10 層，勘探深度內(nèi)均為不可采煤層，平均煤層總厚度為18.56 m，含煤系數(shù)為3.6%。含煤地層中未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入現(xiàn)象。

2 研究區(qū)地震地質(zhì)條件

2.1 表淺層地震地質(zhì)條件

研究區(qū)地面標高為1222.3 ～1238.2 m，變化不大，總體上呈東南高西北低的趨勢。地表為草原覆蓋，潛水位約2 ～6 m，表層為新生界第四系黃土，新生界厚度平均約130 m。研究區(qū)內(nèi)有林場村、花淖爾等村莊，零散居住的牧民及其牧場占地面積較大，柵欄較多。此外，施工期間正值嚴冬，地表凍土較厚。這些不利因素對施工都造成了一定的影響。

2.2 深層地震地質(zhì)條件

勘探內(nèi)新生界厚度較適宜，平均厚度約130 m，且與下伏地層有一定的波阻抗差異，可形成新生界底界面反射波。該區(qū)含煤地層為陸相沉積環(huán)境，巖相變化較大。煤層總體為走向北西，傾向北東的單斜構(gòu)造，15 號煤層為該區(qū)大部可采的較穩(wěn)定型煤層，埋深165 ～698 m，傾角10°～25°。由于煤層頂、底板主要為泥巖和砂巖，與煤層的密度不同，對應(yīng)的地震波速度差異也很大，即為不同的波阻抗界面，可形成能量強、波形穩(wěn)定的反射波。其中15 號煤層反射波為能量最強、波形穩(wěn)定、連續(xù)性最好的標志反射波，10 號煤層反射波隨煤層厚度的變化，其能量、波形穩(wěn)定性和連續(xù)性變化較大。

總體而言，研究區(qū)地震地質(zhì)條件為復雜區(qū)。

3 野外數(shù)據(jù)采集

3.1 施工參數(shù)的確定

施工參數(shù)的確定主要分為2 方面，第一是觀測系統(tǒng)的設(shè)計，第二是通過試驗確定各項參數(shù)并驗證設(shè)計的合理性。

此次觀測系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮了目的煤層埋深、構(gòu)造走向和表淺層地震地質(zhì)條件等因素，從測線布設(shè)方向、覆蓋次數(shù)、面元邊長、空間采樣間隔、最大炮檢距、鑲邊寬度、記錄長度等多個角度分析論證，最終選擇了14L×4S×72T×7R×24 次線束狀非對稱觀測系統(tǒng)，縱向滾動60 m，橫向重復7 條線，該觀測系統(tǒng)方位角與炮檢距分布相對均勻（圖1），橫縱比合適，不易產(chǎn)生靜校正耦合問題，能夠獲取精度較高的地震資料。

圖1 方位角（左） 和炮檢距（右） 分布Fig.1 Azimuth(left)and offset(right)distribution

在試驗過程中，嚴格按照單一因素變化的原則確定試驗方法，遵循從已知到未知，從簡單到復雜，循序漸進的原則，選擇有代表性的、有鉆孔揭露的煤層發(fā)育好、激發(fā)接收條件有利的地段進行試驗。此次共選擇2 個試驗點位，主要開展了波場調(diào)查、可控震源激發(fā)因素（包含震動次數(shù)、驅(qū)動幅度、掃描長度、掃描頻率等） 的試驗。試驗時，接收參數(shù)為道距10 m，接收道數(shù)100 道，排列長度990 m，中間放炮，偏移距0；儀器參數(shù)為428XL數(shù)字地震儀，采樣間隔1 ms，全頻帶接收。

通過試驗獲得的單炮記錄（圖2） 可以確定該區(qū)面波視速度約300 ～500 m/s，視頻率在8 ～15 Hz，視波長約為45 m；煤層反射波隨深度的變化在250 ～300 ms 隨之增加，有效波接收窗口在炮檢距300 ～400 m，視速度約為2300 m/s，頻率約為55 Hz?？煽卣鹪醇ぐl(fā)，型號為KZ-620，驅(qū)動幅度75%，震動次數(shù)4 次，在遇到村莊、養(yǎng)殖場、公路等人文建筑時可以酌情減少震動次數(shù)，但要保證資料的連續(xù)性，掃描長度14 s，掃描頻率10～110 Hz。

圖2 試驗典型單炮記錄Fig.2 Typical single shot record in test

3.2 施工技術(shù)措施

（1） 冬季氣溫低，凍土層較厚，插置檢波器有一定難度。因此為放線人員每人配備橡膠錘，用橡膠錘敲擊檢波器盡量使檢波器插實、插深；中午溫度升高凍土變軟，安排專人巡視測線，如發(fā)現(xiàn)有傾倒檢波器，及時插好，保證檢波器與地面耦合良好。

（2） 地表凍土層，樁號無法插實，易出現(xiàn)樁號丟失情況。在巡視過程中如發(fā)現(xiàn)測量檢波點樁號丟失或記號模糊無法辨認的現(xiàn)象時，及時調(diào)動測量組對這些區(qū)域補測樁號，杜絕無樁號放線。

（3） 在遇到障礙物無法按照設(shè)計炮、檢點布設(shè)時，采用恢復性變觀的方式進行特殊觀測系統(tǒng)設(shè)計，局部根據(jù)實際情況設(shè)計獨立的特殊觀測系統(tǒng)，基本原則是保證不同觀測系統(tǒng)之間的銜接和障礙物區(qū)覆蓋次數(shù)相對均勻。

3.3 施工質(zhì)量

此次三維地震完成的4288 個物理點合格率為100%。其中線束物理點共4250 個，甲級品2838個，甲級率66.78%，乙級品1412 個，乙級率33.22%，廢品0 個；試驗記錄34 張，低速帶調(diào)查物理點4 個，均為合格。從圖3 研究區(qū)覆蓋次數(shù)分布圖可以看出，此次獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)計算研究區(qū)內(nèi)覆蓋次數(shù)比較均勻，且覆蓋次數(shù)均在24 次以上，滿足質(zhì)量要求。

圖3 研究區(qū)覆蓋次數(shù)分布圖Fig.3 Coverage times distribution in the study area

4 資料處理

4.1 資料處理重點工作

（1） 做好野外靜校正工作，重點利用折射波靜校正和分頻技術(shù)消除各類波長靜校正問題的影響。

（2） 做好疊前去噪工作，區(qū)內(nèi)干擾波主要為面波、聲波和隨機干擾。在采取疊前組合去噪時，盡量保護有效波的頻率和波形，消除面波、聲波等干擾影響，為后續(xù)統(tǒng)計振幅、子波、速度分析提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3） 選擇合適的預測反褶積步長，在不損傷有效波信噪比的前提下，盡可能地去除非地表一致性的影響因素，最大限度的提高主頻。采用地表一致性振幅補償、地表一致性預測反褶積技術(shù)消除由于采集過程中因激發(fā)接收條件的不同形成的地震記錄面貌的較大差異，以達到提高垂向分辨率的目的。

（4） 做好精細速度分析，由于研究區(qū)煤層煤陸相沉積地層，地震波能量變化大，部分地段構(gòu)造復雜，因此需要提高疊加速度分析，結(jié)合常速掃描和速度譜分析技術(shù)，準確分析疊加速度，不僅是保證疊加成像的質(zhì)量，也是確保偏移成像質(zhì)量的關(guān)鍵。

4.2 資料處理質(zhì)量

此次三維地震數(shù)據(jù)處理在通過原始單炮的仔細對比研究，點、線、段全面的參數(shù)試驗，選擇了最佳的處理流程和方法參數(shù)，最終獲得空間、時間采樣間隔為5 m×5 m×1 ms 的疊前時間偏移數(shù)據(jù)體。依據(jù)《煤田地震勘探規(guī)范》 （DZ/T 0300-2017），對地震數(shù)據(jù)主要目的層的品質(zhì)在平面上進行了評價，圈出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類分布范圍，計算其面積：Ⅰ類品質(zhì)面積5.28 km2，占88.29%；Ⅱ類品質(zhì)面積0.59 km2，占9.87%；Ⅲ類品質(zhì)面積0.11 km2，占1.84%；Ⅰ+Ⅱ類品質(zhì)面積5.87 km2，占98.16%。該區(qū)地震目的層品質(zhì)評級分布示意如圖4 所示，從圖4 中可以看出，地震數(shù)據(jù)主要目的層的品質(zhì)總體以Ⅰ類品質(zhì)為主，非Ⅰ類品質(zhì)范圍位于研究區(qū)南部和北部，品質(zhì)降低的主要原因是受地表村莊的影響所致。

圖4 三維地震數(shù)據(jù)體及質(zhì)量評價Fig.4 Three dimensional seismic data volume and quality evaluation

5 資料解釋

地震資料解釋采用技術(shù)人員和專業(yè)解釋工作站人機聯(lián)作的方式，充分結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造規(guī)律認識，通過地震合成記錄取得反射波和地層對應(yīng)關(guān)系，立體化地震時間剖面對比，精細化構(gòu)造解釋，時深轉(zhuǎn)換成圖等多個步驟的嚴格質(zhì)量管控，仔細分析解釋，獲得了以下地質(zhì)成果。

（1） 查明了研究區(qū)內(nèi)主要可采煤層的埋深及起伏形態(tài)，編制出了基本等高距為5 m 的煤層底板等高線圖。10 號煤層底板賦存形態(tài)受區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育的控制和影響，煤層總體為走向北西、傾向北東的單斜構(gòu)造。研究區(qū)內(nèi)以寬緩的褶曲構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造次之，斷層集中于工區(qū)的中東部。煤層在研究區(qū)西南部埋藏最淺，東南部地段以露頭形式出現(xiàn)，東北部埋藏最深，底板標高變化范圍較大，自南西向北東埋深呈逐漸變大的趨勢，標高在742—1126 m，煤層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大于10 m 的褶曲，煤層傾角一般在10°～34°，平均約25°。

15 號煤層與10 號煤層等煤層底板形態(tài)基本一致，煤層在研究區(qū)東南部埋藏最淺，東北部埋藏最深，標高在528 ～1102 m，煤層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大于10 m 的褶曲，煤層傾角一般在8°～29°，平均約20°。

（2） 查明了研究區(qū)內(nèi)主要可采煤層中落差≥5 m 的斷層性質(zhì)、產(chǎn)狀及其延伸情況；解釋了落差3～5 m 的斷層，對小于3 m 的斷點、疑點做出了解釋。此次勘探共查明落差≥5 m 的斷層2 條，落差＜5 m 的斷層11 條。圖5 為斷層在地震時間剖面上的反應(yīng)。

圖5 斷層在地震時間剖面上的反應(yīng)Fig.5 Faults response on seismic time profile

6 結(jié)語

通過充分收集分析已有地質(zhì)資料，結(jié)合研究區(qū)地震地質(zhì)條件，精細計算了觀測系統(tǒng)參數(shù)，充分試驗獲得了野外數(shù)據(jù)采集的最佳施工參數(shù)。經(jīng)過認真分析原始地震數(shù)據(jù)特點，提出了適合本區(qū)的資料處理重點，取得了高信噪比、高保真度的三維地震數(shù)據(jù)體；利用人機聯(lián)作解釋的方式，結(jié)合井田構(gòu)造規(guī)律和波組特征，進一步查明了煤層賦存形態(tài)和斷層發(fā)育情況。本次研究的三維地震勘探解釋成果為礦方開采部署工作面和安全生產(chǎn)提供了可靠技術(shù)支撐，具有較高的技術(shù)參考價值。