鄂爾多斯布爾臺煤礦三盤區(qū)三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用

徐偉瑜，任岐山，張震潤

（1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009）

煤炭作為我國最主要能源燃料，曾被冠以“黑金”、“工業(yè)糧食”等美稱，對人類社會的發(fā)展起到了巨大作用[1]。鄂爾多斯市是我國第一產(chǎn)煤大市，享有“海之鄉(xiāng)”的美譽(yù)，煤炭產(chǎn)業(yè)推動了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，布爾臺煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗布爾臺鄉(xiāng)境內(nèi)，可采儲量18.5億t。

為了保障布爾臺煤礦三盤區(qū)安全、高效生產(chǎn)，對其開展了三維地震勘探，旨在查明區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況及煤層賦存狀態(tài)，為合理布置巷道及采掘工作面提供地質(zhì)依據(jù)。

1 自然地理條件

井田位于鄂爾多斯高原東北部，屬黃土高原地帶，布爾臺到伊金霍洛旗阿鎮(zhèn)公路地帶的山梁部位較高，向北東、西南兩側(cè)變低；屬高原侵蝕性丘陵地貌，大部分地區(qū)為低矮山丘，植被稀疏，發(fā)育有大量季節(jié)性沖溝；位于烏蘭木倫河和呼和烏素溝之間，常年性地表河流，其河水量受大氣降水控制，夏秋水大，冬春水小；屬半沙漠—半干旱高原大陸性氣候，太陽輻射強(qiáng)烈，日照豐富，冬季漫長寒冷，夏季短暫炎熱，春秋干燥多風(fēng)，日夜溫差大，結(jié)冰期10月初至次年4月，最大凍土深度可達(dá)1.71 m；從未發(fā)生過較大的破壞性地震，亦無泥石流、滑坡及塌陷等不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

2 地質(zhì)概況

2.1 地層

勘探區(qū)位于東勝煤田的南部，地表主要為下白堊統(tǒng)志丹群（K1zh）和第四系（Q4）。據(jù)鉆孔資料，區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有：①上三疊統(tǒng)延長組（T3y）。黃、灰綠、紫、灰黑色中粗粒砂巖泥巖和煤線。②中下侏羅統(tǒng)延安組（J1-2y）。淺灰、深灰色砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖夾煤，為盆地的主要含煤地層，最多含可采煤層13層，一般3～6層，可采總厚最大27 m，單層最大厚度12 m。③中侏羅統(tǒng)直羅組（J2z）。灰白、灰綠、蘭灰色砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖。④安定組（J2a）。紫紅、暗紫色中粗粒長石砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖。⑤下白堊統(tǒng)志丹群（K1zh）。淺灰、灰綠、棕紅、灰紫色泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和礫巖。⑥第四系現(xiàn)代風(fēng)積中細(xì)沙及沙土。

2.2 煤層

區(qū)內(nèi)共有可采煤層8層，即12上、12、22、22下、42上、42、52、52下煤層，其中全區(qū)或基本全區(qū)可采煤層4層，分別為12上、22、42上、52下煤層，其他4層為局部可采煤層。

（1）12上煤層。位于延安組第三巖段的上部，全區(qū)可采，厚1.6～5.71 m，平均厚3.33 m；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸0～5層，為砂質(zhì)泥巖；層位較穩(wěn)定，但厚度變化較大；頂板為中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖；底板為粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。

（2）22煤層。位于延安組第一、二巖段的上部，屬于西部局部不開采、基本全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層，厚度范圍0.33～3.91 m，平均厚1.68 m；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸0～4層，為砂質(zhì)泥巖、泥巖。頂板為中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖；底板為中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖。

（3）42上煤層。位于延安組第一、二巖段的中部，全區(qū)可采，厚4.04～7.85 m，平均厚5.93 m；結(jié)構(gòu)較簡單，一般不含夾矸，層位穩(wěn)定。頂板為細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖；底板為粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。

（4）52下煤層。位于52煤層之下，三盤區(qū)基本全區(qū)可采，厚1.44～4.03 m，平均厚2.42 m；結(jié)構(gòu)較簡單，含0～2層夾矸，為砂質(zhì)泥巖、泥巖；煤層厚度變化較大，但煤層層位較穩(wěn)定。頂板以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主，粗粒砂巖、中粒砂巖次之；底板為中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。

此外，12煤層位于延安組第一、二巖段的頂部，厚0～1.69 m，平均厚0.99 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。22下和42煤層位于中上部，前者厚0.98～2.34 m，平均厚1.62 m，結(jié)構(gòu)較簡單；后者厚0.89～4.51 m，平均厚2.21 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。52煤層位于底部，厚0.22～1.93 m，平均厚0.67 m，結(jié)構(gòu)較簡單。

2.3 構(gòu)造

東勝煤田位于華北地臺鄂爾多斯臺坳東勝隆起，構(gòu)造形態(tài)為一向南西傾的單斜構(gòu)造，傾角一般為1°～5°，無明顯的褶皺及大的斷層，僅在煤田東部發(fā)育有少量高角度正斷層。

井田位于東勝煤田南部，其構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域構(gòu)造形態(tài)一致，主要煤層賦存形態(tài)表現(xiàn)為一由東北向西南傾斜的近水平產(chǎn)狀的單斜構(gòu)造。地層走向約NW20°，傾向約SW70°，地層傾角小于5°。地質(zhì)勘查階段未發(fā)現(xiàn)斷層，但礦井生產(chǎn)揭露斷層216條，三維地震發(fā)現(xiàn)斷層203條，均為正斷層。落差大于10 m的生產(chǎn)揭露斷層6條，三維地震發(fā)現(xiàn)斷層16條；落差5～10 m生產(chǎn)揭露斷層16條，三維地震發(fā)現(xiàn)斷層83條；落差小于5 m的生產(chǎn)揭露斷層88條，三維地震發(fā)現(xiàn)斷層104條。

2.4 巖漿巖

勘探區(qū)無巖漿巖侵入現(xiàn)象。

2.5 地震地質(zhì)條件

（1）表層地震地質(zhì)條件。地表高差較大，潛水面深度較深，地表大部為干滑沙化土質(zhì)，溝壑交錯，地形破碎，交通困難。西北邊界中段有房屋建筑，面積不大；中部有耕地、林地；東南部有沙場、水塘，復(fù)雜的地表條件給地震測線布置和野外施工帶來了一定困難。表層地震地質(zhì)條件較差。

（2）淺層地震地質(zhì)條件?？碧絽^(qū)大部分被第四系黃沙土覆蓋，厚0～17 m，其下為紅色砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，是良好的激發(fā)層位；部分地段在黃土覆蓋層下，有厚度不等的礫石層；淺表層巖性變化較快，給成井造成了一定困難。淺層地震地質(zhì)條件一般。

（3）深層地震地質(zhì)條件?？碧侥康膶佑?2上、22、42上、52下煤層，煤層中波速為2 200～2 600 m/s，圍巖中波速為3 000～3 800 m/s。主要原因是煤層與圍巖密度和速度差異較大，煤層與圍巖波阻抗差異明顯，能形成能量較強(qiáng)的煤層反射波[2-3]；但煤層層數(shù)較多，煤層間距變化較大，反射波大多以復(fù)合波的形式出現(xiàn)，反射波互相干涉，煤層反射波的一些屬性和煤層厚度的相關(guān)性變差，給煤層厚度解釋帶來了很大的難度。深層地震地質(zhì)條件一般。

總之，勘探區(qū)地震地質(zhì)條件中等，小斷層和煤厚解釋有一定難度。

3 數(shù)據(jù)采集、處理與解釋

3.1 數(shù)據(jù)采集

采用規(guī)則束狀12線6炮觀測系統(tǒng)，線束大體沿地層傾向布置，北偏西約29.4°。為保證三維地震勘探實(shí)際控制面積達(dá)到滿覆蓋次數(shù)，并考慮地層傾角影響，12線6炮觀測系統(tǒng)橫向外推6個炮點(diǎn)，中間激發(fā)炮點(diǎn)向邊界外推3個炮點(diǎn)，共布置三維地震觀測線束13束，線束物理點(diǎn)8 522個，合計8 568個（含試驗(yàn)物理點(diǎn)28個和低速帶物理點(diǎn)18個），施工面積12.65 km2，CDP覆蓋面積11.17 km2，滿覆蓋面積8.54 km2。

勘探區(qū)淺表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，橫向變化快，分為厚黃土區(qū)（黃土厚度大于3 m）、薄黃土區(qū)（黃土厚度小于3 m）、基巖出露區(qū)，有針對性地進(jìn)行觀測系統(tǒng)和采集參數(shù)試驗(yàn)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇施工參數(shù)如下：厚黃土區(qū)洛陽鏟成孔，成孔至紅色風(fēng)化砂巖，深度大于3 m，藥量1.0～1.5 kg；薄黃土區(qū)洛陽鏟與風(fēng)鉆配合成孔，入基巖1 m，井深不低于3 m，藥量1 kg；基巖出露區(qū)風(fēng)鉆成孔，井深2.5～3.0 m，藥量1 kg。采用428XL數(shù)字地震儀，采樣率0.5 ms，采樣長度2 s，全頻段接收；前放增益12 dB，接收線12條；對稱或不對稱中間點(diǎn)，單邊道數(shù)不大于80道；接收線距40 m，接收道距10 m；每束線與上一束重合9條接收線。

3.2 資料處理

勘探區(qū)地勢起伏較大，淺層地震地質(zhì)條件比較復(fù)雜，高程變化大，原始單炮記錄初至波跳躍劇烈，進(jìn)行靜校正[4]；淺層多次折射及工業(yè)干擾，原始資料信噪比差異較大、各類干擾嚴(yán)重，利用針對性的方法和參數(shù)，逐步地進(jìn)行合理的疊前去噪、壓制干擾波、提高資料的信噪比，突出有效波[5]；利用“載波調(diào)制”法雙向拓頻技術(shù)適度拓寬頻帶，提高地震資料的縱向分辨率；采用各向異性疊前時間偏移處理技術(shù)，解決復(fù)雜小斷塊準(zhǔn)確成像問題。

3.3 資料解釋

（1）主要目的層確定。利用地質(zhì)鉆孔柱狀與測井曲線制作合成地震記錄，與過孔時間剖面對比，確定各主要反射波所對應(yīng)的地質(zhì)層位（圖1）。

圖1 過鉆孔剖面與合成記錄對比Fig.1 Comparison between through borehole profile and synthetic record

12上煤層（T1-2s）能量最強(qiáng)，連續(xù)性好，全區(qū)可連續(xù)追蹤，主頻約為50 Hz，橫向上能量有所變化，主要與12上煤層厚度變化有關(guān)；22煤層（T2-2）能量較T1-2s波弱，基本全區(qū)可連續(xù)追蹤，主頻約為50 Hz，橫向上能量有變化，T2-2波上距T1-2s波27～42 ms，間距基本穩(wěn)定；42上煤層（T4-2s）能量較強(qiáng)（42上煤層厚度全區(qū)最厚），全區(qū)可連續(xù)追蹤，主頻為45～55 Hz，T4-2s波上距T2-2波40～50 ms，間距基本穩(wěn)定；52下煤層（T5-2x）能量較其他反射波弱，連續(xù)性一般，主頻為45～55 Hz，橫向上能量變化較大，T5-2x波上距T4-2波35～45 ms，間距基本穩(wěn)定。

（2）構(gòu)造解釋。褶曲為煤系地層整體形態(tài)為呈一近水平的單斜形態(tài)，偶爾有一些起伏（圖2（a）），但幅度較小。這些起伏不僅可以在地震時間剖面上直觀地反映出來，在其他一些屬性圖片上反映也比較明顯。

斷點(diǎn)：在時間剖面上，同相軸的錯斷、分叉、扭曲等（圖2（b）、圖2（c）），其中主要標(biāo)志是同相軸的錯斷，有一定的時差，在剖面上可以解釋[6-7]。

（3）煤厚解釋。區(qū)內(nèi)12上煤層厚1.0～6.0 m，22煤層厚1.0～3.5 m，42上煤層厚3～7.5 m，52下煤層厚1.0～3.5 m，煤層層速度為2 400～2 500 m/s，主頻在45～50 Hz附近，煤層反射波主波長在48～55 m，煤厚小于λ/4（薄層反射波波峰與波谷視時差近似為一個常數(shù)）[8]，煤厚與煤層反射波振幅呈準(zhǔn)線性，可用振幅來反演煤厚。此外，利用PETROL軟件提取了多種地震屬性，通過BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，優(yōu)選了6種屬性（平均能量、最大振幅、最小振幅、平均振幅、均方根屬性、主頻屬性）作為神經(jīng)元[9-10]，也對煤層進(jìn)行了解釋。

圖2 斷裂、褶曲和異常區(qū)在時間剖面上的反映Fig.2 Reflection of faults，folds and abnormal areas on time profile

4 地質(zhì)成果

勘探區(qū)構(gòu)造解釋以疊后時間偏移數(shù)據(jù)體為主，同時參考疊加數(shù)據(jù)體和分頻數(shù)據(jù)體[11-12]，并利用了提取的多種屬性成果圖件。

4.1 斷層與褶曲

（1）斷層。此次共解釋斷點(diǎn)276個，新發(fā)現(xiàn)正斷層43條。其中，落差5 ～ 10 m的斷層有2條（BF177、BF185），落差3 ～ 5 m的斷層12條（BF174、BF182、BF183、BF186、BF187、BF188、BF189、BF194、BF197、BF200、BF206、BF207）。

BF177斷層位于勘探區(qū)西部、鉆孔BK212西100 m，正斷層，走向NW，傾向SW，傾角65°左右，同時錯斷12上、22、42上、52下煤層（圖2（b）），在42上煤層上落差0～5 m，區(qū)內(nèi)延伸長度695 m。

BF185斷層位于勘探區(qū)中部、鉆孔BK195西80 m，正斷層，走向NW，傾向NE，傾角60°左右，該斷層錯斷12上煤層（圖2（c）），落差0～5 m，區(qū)內(nèi)延伸長度460 m。

BF189斷層位于勘探區(qū)中部、鉆孔BK194西40 m，正斷層，走向NW，傾向NE，傾角60°左右，該斷層錯斷12上煤層，落差0～4 m，區(qū)內(nèi)延伸長度477 m。

BF183斷層位于勘探區(qū)中部、鉆孔BK196與BK198之間，正斷層，走向NW，傾向SW，傾角55°左右，該斷層錯斷12上煤層，落差0～4 m，區(qū)內(nèi)延伸長度448 m。

（2）褶曲。此次共解釋出寬緩的褶曲構(gòu)造2個，分別為S1向斜和S2背斜（圖2（a））。前者位于勘探區(qū)西北部，軸部位置在鉆孔BK229、BK222、BK214、BK208附近，軸長約2 050 m，軸向由NNW轉(zhuǎn)為NS，向N傾伏，幅度約10 m，兩翼基本對稱；后者位于勘探區(qū)西北部，軸部位置在鉆孔BK236、BK153、BK111附近，軸長約2 100 m，軸向NNW，幅度約10 m，兩翼基本對稱。

（3）煤層頂板異常區(qū)。此次共解釋了煤層頂板異常區(qū)3處，分別位于22煤層（YC1）、42上煤層（YC2、YC3）。

22煤層解釋了1處煤層頂板異常區(qū)，位于勘探區(qū)東部，鉆孔BK129、BK172、BK57、BK130附近，勘探區(qū)內(nèi)面積約0.674 km2。在時間剖面上反映為反射波能量突然變?nèi)?、消失；在屬性切片上，該區(qū)域異常反映也比較明顯。根據(jù)鉆孔資料，該處22煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，推測頂板巖性變化導(dǎo)致波阻抗差異變小，在時間剖面上表現(xiàn)為反射波能量變?nèi)鮗13]。

42上煤層解釋了2處煤層頂板異常區(qū)，在時間剖面上反映為反射波能量突然變?nèi)?；在屬性切片上，該區(qū)域異常反映也比較明顯。其中，YC2位于勘探區(qū)中部、鉆孔BK196附近，勘探區(qū)內(nèi)面積約0.227 3 km2；YC3位于勘探區(qū)南部（圖2（d）），鉆孔BK198附近，勘探區(qū)內(nèi)面積約0.077 5 km2；據(jù)鉆孔（YC2鉆孔BK196、YC3鉆孔BK130和BK172）資料顯示頂部均為砂質(zhì)泥巖，推測頂板巖性變化導(dǎo)致波阻抗差異變小，在時間剖面上表現(xiàn)為反射波能量變?nèi)酢?/p>

4.2 主要煤層特征

區(qū)內(nèi)煤層（12上、22、42上和52下）較穩(wěn)定，起伏形態(tài)基本一致，底板、形態(tài)呈走向近NS的單斜構(gòu)造，向W向傾伏，傾角1°左右，在西部發(fā)育幅度約為10 m的褶曲。此外，發(fā)現(xiàn)3處薄煤區(qū)，在時間剖面上反映為反射波能量突然變?nèi)酰趯傩郧衅?，區(qū)域異常反映也比較明顯[11]。

（1）12上煤層特征。厚度由東向西變薄，厚 1.5～5.5 m，并解釋了2處（BM1和BM2）煤層厚度變薄區(qū)（圖3（a）、圖3（b））。BM1位于勘探區(qū)西部，鉆孔BK230附近，勘探區(qū)內(nèi)面積約0.091 4 km2，在鉆孔BK230處厚度為1.62 m，相對于周圍（鉆孔BK229、BK221、BK222、BK223、BK231）變薄。BM2位于勘探區(qū)東部邊界附近、鉆孔BK129東180 m處，勘探區(qū)內(nèi)面積約0.009 4 km2，在鉆孔BK20處厚度僅為0.87 m，相對于周圍（鉆孔BK92、BK129、BK97）變薄。另外根據(jù)巷道揭露情況，該處12上煤層厚度也突然變薄，與解釋結(jié)果一致。

（2）22煤層特征。煤層厚度由東向西變薄，厚0.3～3.8 m，并解釋了1處（BM3）煤層厚度變薄區(qū)（圖3（c）），薄煤區(qū)位于勘探區(qū)鉆孔BK236、BK153、BK118、BK208連線以西，區(qū)內(nèi)面積約2.052 km2，根據(jù)鉆孔（BK153、BK214、BK222、BK221、BK223等）資料，區(qū)域厚度均小于0.8 m。

圖3 主要煤層在時間剖面上的反映Fig.3 Reflection of main coal seams on time profile

此外，42上煤層由東向西變薄，厚4～8 m；52下煤層由西向東變薄，厚1.4～4.0 m。

4.3 勘探前后構(gòu)造對比

（1）煤層埋深及形態(tài)對比?？碧角昂螅饕刹擅簩有螒B(tài)變化不大，總體呈走向近NS的單斜構(gòu)造，向W向傾伏，傾角1°左右?？碧胶?，對主要可采煤層埋深和起伏形態(tài)的控制更為精細(xì)，另外在勘探區(qū)西部解釋了2個幅度約為10 m的褶曲。

（2）構(gòu)造對比。勘探后，新解釋了43條斷層（其中落差大于等于3 m的14條），3處煤層變薄區(qū)，3處煤層頂板異常區(qū)，2處異常區(qū)。如12上煤層新解釋斷層18條，煤層變薄區(qū)2處。

5 結(jié)語

（1）布爾臺煤礦三盤區(qū)共解釋斷層276條，新發(fā)現(xiàn)正斷層43條，均為正斷層；共解釋2個褶曲構(gòu)造和3處煤層頂板異常區(qū)。

（2）主要煤層較穩(wěn)定，起伏形態(tài)基本一致，呈走向近NS的單斜構(gòu)造，傾角1°左右，煤層厚1～8 m為主，且有3處薄煤區(qū)。

（3）勘探前后，主要可采煤層形態(tài)變化不大；構(gòu)造格架發(fā)生較大變化，新解釋43條斷層、3處煤層變薄區(qū)、3處煤層頂板異常區(qū)、2個褶曲構(gòu)造；為工作面采區(qū)和巷道布設(shè)提供了地質(zhì)依據(jù)。