三維地震在新疆澇壩灣煤礦勘探中的應用研究

吳 俠，白曉飛，皮 偉，鄧國成

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

三維地震勘探是一種旨在提高地下目標圖像清晰度、位置預測精準性的綜合性地球物理勘測技術[1-3]。近年來被廣泛運用于全球油、氣、煤等地下資源礦產(chǎn)的勘測中[4-8]。新疆瑪納斯縣澇壩灣煤礦位于準噶爾聚煤盆地南緣西段，整體為中等偏緩傾斜的單斜煤層，均分布于中侏羅系西山窯組含煤碎屑沉積地層中?？碧匠跗谠诰镏虚_展三維地震勘探技術，可對煤層底板構造形態(tài)、地下斷裂構造、煤厚變化與趨勢等進行分析處理，為鄰區(qū)地震勘探提供參數(shù)。

1 地質概況與地震條件

1.1 區(qū)域地質概況

(2)煤層。準南煤田瑪納斯縣澇壩灣研究區(qū)的煤層均分布于侏羅系中統(tǒng)西山窯組地層中，該組地層底部零星出露于井田南緣。區(qū)內為中等偏緩傾斜的單斜煤層，主要可采煤層共14層。其中，B1—B3層平均厚7.14 m，屬厚煤層，全區(qū)可采；B3—B4層平均厚1.13 m，屬薄煤層，為大部可采的較穩(wěn)定煤層；B5—B10層平均厚3.46 m，屬中厚—厚煤層，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層；B11層平均厚1.08 m，屬薄—中厚煤層，為局部可采的不穩(wěn)定煤層；B12—B13層平均厚2.52 m，屬薄—中厚煤層，為大部可采的較穩(wěn)定煤層；B14層平均厚1.30 m，屬薄—中厚煤層，為局部可采的不穩(wěn)定煤層。

(3)構造。井田巖層以單斜狀態(tài)產(chǎn)出，走向近EW，東段略有變化，呈NEE向，地層傾角總體為4°，東段局部36°～22°。受依連哈比爾尕推覆構造的影響，巖層傾角變化具一定規(guī)律，多在17°～25°，井田斷裂不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖，整體構造程度屬簡單類型。

1.2 地球物理特征

(1)地表條件。研究區(qū)地表復雜，標高+1 635～+2 184 m，高差大，溝谷發(fā)育。地形陡峭，切割劇烈，這些地表條件對地震施工十分不利。由于研究區(qū)交通極為不便，給野外數(shù)據(jù)采集帶來很大困難，同時也增大后期資料處理靜校正的難度。

(2)淺層地震地質條件。淺層地震地質條件復雜，部分地段有基巖出露，大部分區(qū)域被上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)殘坡積層覆蓋，厚度為2～3 m，最大厚度為30 m。在研究區(qū)內開展勘探工作，存在如下難點：①基巖出露區(qū)成孔困難；②有森林覆蓋的區(qū)域，表面有一層厚1～3 m的腐殖土；③坡積層區(qū)坡積物中含有碎石；④地形復雜，溝谷縱橫。前兩點易造成檢波器耦合條件差，次生干擾嚴重。后兩點既造成成孔困難，又影響地震波向下的傳播，三維靜校正問題特別突出。由于淺表層地震地質條件較為復雜，對該區(qū)施工難度大。

(3)深層地震地質條件。該區(qū)的各組煤與頂?shù)装宓哪唷⑸皫r存在較大的波阻抗差異，故而可形成能量強、波形穩(wěn)定、易對比追蹤的反射波。區(qū)內煤層多、間距太小導致形成復合波。

2 三維地震采集綜述

針對研究區(qū)復雜的地表條件及煤層多、間距小等特點，為取得較好的地震勘探效果，野外數(shù)據(jù)采集不僅要提高資料的信噪比，而且要設法提高資料的分辨率[9-13]。因此，必須在成孔、高程測量、檢波器埋置等方面嚴格要求。在接收排列和觀測系統(tǒng)的選擇上，要以多種形式突出區(qū)內特點。

由于區(qū)內及鄰區(qū)尚未開展地震勘探工作，缺乏可借鑒的施工參數(shù)，故在全區(qū)范圍內選取了3個試驗點開展綜合試驗。此次數(shù)據(jù)采集工作難點：①復雜的地形條件致使大部分區(qū)域成孔機械設備無法到位；②山高坡陡，土壤干硬。激發(fā)時聲波、面波等干擾嚴重；③基巖出露多，無法使用常規(guī)的成孔設備。

針對上述問題，在研究區(qū)內利用風鉆成孔，解決基巖出露區(qū)的成孔問題。在壓制干擾波方面，對激發(fā)井進行加水壓實，效果良好。第四系覆蓋處，利用洛陽鏟成孔和風鉆成孔，在相同條件下進行激發(fā)試驗，擇優(yōu)利用，施工參數(shù)見表1。

采用每束接收線8條，激發(fā)線8條(簡稱“8線8炮”)的觀測系統(tǒng)進行施工。線束方向為垂直地層走向，呈南北方向布置。

表1 試驗區(qū)施工參數(shù)Tab.1 Construction parameters of test area

為保證三維勘探野外資料采集的精度，以大地坐標X0=4 852 195.98，Y0=29 438 108.52為相對坐標原點建立坐標系，順時針旋轉9°，建立相對坐標系X′O′Y′，X′軸與Y′軸分別垂直、平行線束方向。X′軸、Y′軸單位編號為10、20 m。此坐標系的建立可確保每個接收點和炮點與大地坐標一一對應。

3 三維地震資料處理與解釋

針對本區(qū)地形復雜、原始資料信噪比不高的特點，處理重點[14-15]集中在：①針對野外采集不理想的資料，做好靜校正計算工作至關重要，提高資料的信噪比也不可或缺。需要在處理時采取多種新技術方法，壓制各種干擾波，取得高信噪比的疊加處理結果。②處理好各反射層，保持地震信號的相對振幅和反映地層界面特性的動力學特征，盡量少用修飾手段，保持地質信息真實。③地震速度解釋采用二次速度解釋。④位成像要準確。通過認真細致的偏移方法試驗，取得斷點清晰、歸位正確的成果資料。

3.1 試處理參數(shù)的選擇

試處理參數(shù)見表2。

表2 資料試處理參數(shù)Tab.2 Data trial processing parameters

3.2 三維地震資料解釋

3.2.1 層位解釋

(1)地質層位確定。制作合成記錄，與過孔的時間剖面對比分析，合成記錄B10、B7、B3對應的反射波與地質剖面中的主要層位對應起來，確定各地質層位反射波，如圖1所示。

(2)反射波的對比追蹤。主要目的層反射波為T1、T2、T3、T4和T5。

圖1 利用102鉆孔制作的合成記錄Fig.1 Synthetic record made by drilling hole 102

T1波是B1、B2、B3煤層形成的反射波。與上下圍巖存在較大的波阻抗差異，形成的反射波能量強，同相軸光滑連續(xù)，信噪比高。由于該組單層厚度都是厚煤層或巨厚煤層，但煤層之間的間距小，形成復合波部分區(qū)域存在分叉合并的現(xiàn)象(圖2)。

圖2 T1波分叉合并現(xiàn)象Fig.2 T1 wave bifurcation and merging phenomenon

T2波是B4、B5、B6、B7煤層形成的復合反射波。由于B7煤層在測區(qū)內穩(wěn)定性好，厚度較大，結構單一，形成的反射波能量強，同相軸光滑連續(xù)，信噪比高，易于全區(qū)連續(xù)追蹤。煤層數(shù)據(jù)表見表3。

表3 B1、B2、B3、B9、B10、B11煤層數(shù)據(jù)Tab.3 Data sheet of B1，B2，B3，B9，B10 and B11 coal seams m

T3波是B8、B9、B10、B11煤層形成的復合反射波。由于B10煤層在測區(qū)內穩(wěn)定性好，厚度較大，結構單一，形成的反射波能量強，同相軸光滑連續(xù)，信噪比高，易于全區(qū)連續(xù)追蹤。但是該組整體厚度大，部分區(qū)域的間距變化也較大，造成T3波分叉現(xiàn)象(圖3)。

圖3 T3波分叉合并現(xiàn)象Fig.3 T3 wave bifurcation and merging phenomenon

T4波是B12、B13煤層形成的復合反射波。由于該組煤層在測區(qū)內穩(wěn)定性好，結構單一，具有形成的反射波能量強，同相軸光滑連續(xù)，信噪比高的反射波的條件，由于受上部煤層的屏蔽及下步強反射層的影響，形成的反射波能量相對較弱，連續(xù)性差，依據(jù)上下煤層的反射波特征，全區(qū)可以連續(xù)追蹤。

T5波為B14煤層形成的反射波，由于該組煤層在測區(qū)內穩(wěn)定性好，結構單一，具有形成反射波能量強，同相軸光滑連續(xù)的反射波，信噪比高，易于全區(qū)連續(xù)追蹤。

3.2.2 構造解釋與巖性分析

(1)褶曲的解釋。處理成果中的時間剖面煤層反射波的起伏形態(tài)基本上反映了煤系地層的構造形態(tài)。在三維地質體上，可切出任意時間的等時切片用以反映地層變化。

(2)斷點解釋。解釋過程中要充分利用下列手段：①充分利用工作站解釋系統(tǒng)的放大、多窗動態(tài)顯示功能，做到垂直剖面與水平切片聯(lián)合解釋，垂直剖面上出現(xiàn)的斷點必須在水平切片上有所反映。②解釋時不但要看正相位的變化，還要注意負相位的變化。③利用輔助相位確定斷層的斷面線。④對于落差較小的斷點，時差較小，除利用解釋系統(tǒng)的放大、多窗動態(tài)顯示功能外，可以利用多種手段(如正反極性剖面，瞬時振幅、相位剖面)提高小斷點的解釋精度。此次斷點評級分A、B、C三級。其中，A級斷點能可靠確定斷層上、下盤；B級斷點：達不到A級又不是C級斷點者；C級斷點能基本確定斷層的一盤或升降關系。

3.2.3 煤厚的解釋

(1)振幅變化與煤層厚度的關系。入射波主頻分別為50、100 Hz時不同厚度煤層的地震響應如圖4所示，從上到下煤層厚度h分別為1、3、5、10、20、30 m。

圖4 不同厚度煤層的地震響應Fig.4 Seismic response of coal seams with different thickness

從圖4(a)可以看出，煤層厚度大于20 m (h>λ/2)后，煤層反射波由2個極性相反、波形相同、可以明顯分開的反射子波組成，強振幅出現(xiàn)的位置與煤層頂、底界面相對應；煤層厚度為10 m(h=λ/4)時，對應煤層頂、底界面的反射子波剛好為同相疊加，振幅達到最大值；煤層厚度小于10 m(h<λ/4)后，煤層反射波振幅隨煤層厚度的減小而逐漸減小，強振幅出現(xiàn)的位置與煤層頂、底界面不對應。

從圖4(b)中看出，煤層厚度為5 m(h=λ/4) 時，復合反射波振幅達到最大值。

通過統(tǒng)計煤層反射波振幅與煤層厚度的對應關系，得到了二者的關系曲線(圖5)。該曲線分為厚度較小時的線性段、厚度增大時的極值段和厚度達到一定程度時的平穩(wěn)段。①厚層區(qū)。此時h>λ/2，復合波已成為單界面的反射波，可識別煤層頂、底界面的反射。②厚層過渡區(qū)。當λ/4≤h≤λ/2時，煤層頂、底界面產(chǎn)生極性相反的反射波，振幅隨煤層厚度的增大而減小，非線性變化。③薄層過渡區(qū)。此時λ/8≤h≤λ/4，在此厚度范圍內，振幅與煤層厚度近似于線性變化。④薄層區(qū)。此時0≤h≤λ/8，煤層頂、底界面反射波時差在T/4以內變化?？紤]到二者極性相反，當厚度增加時，相互抵消作用減弱，因而振幅隨厚度的增大而增大，二者線性變化相關。

圖5 振幅與煤層厚度的關系Fig.5 Relationship between amplitude and coal seam thickness

(2)波形變化與煤層厚度的關系。入射波在煤層界面發(fā)生反射時，可視其具有濾波作用：①當煤層厚度由小變大時，反射波的主頻由高向低移動，極值點個數(shù)增加。②當煤層厚度由薄變到λ/4時，主頻成分增長較快，且高頻成分增加。③入射波主頻不變時，對應于不同的煤層厚度，反射波的主頻產(chǎn)生變化。④入射波主頻不同時，反射波表現(xiàn)出不同的頻率特征。

(3)煤層厚度預測。根據(jù)此次三維地震勘探地震波的主頻(40 Hz)和波速(3 200 m/s)，可計算出地震反射波的波長為80 m，其1/4波長為20 m，而本區(qū)的鉆孔揭露的煤層厚度為0～10 m，僅少數(shù)鉆孔揭露的煤層厚度超過10 m。可將其視為一薄層進行厚度計算：首先鉆孔揭示煤層厚度與振幅進行擬合，得到反射波振幅與煤層厚度的準線性關系，并由此計算全區(qū)煤層厚度的變化趨勢。

4 地質成果

此次工作針對復雜地形、施工難度大、成孔困難等許多難題，通過全面、認真的試驗工作，確定了最佳的技術措施和施工方法，獲得了理想的原始資料，經(jīng)過詳細的資料處理、認真的資料解釋等工作，在煤層底板構造形態(tài)、地下斷裂構造、煤厚變化與趨勢三方面取得成果。

4.1 煤層底板構造形態(tài)

研究區(qū)內各組煤層底板形態(tài)基本相似，參見B8煤層底板等高線(圖6)，總體為走向東西、傾向北的單斜構造，在單斜構造的主體框架上，發(fā)育有S1背斜、S2向斜、S3背斜、S4背斜、S5向斜和S6背斜，使局部地層走向、傾向發(fā)生改變。地層傾角一般在20°～28°。各煤層總體皆是南部淺、北部深。最深處位于研究區(qū)北東部，最淺處位于研究區(qū)最南部。

B8煤層底板標高在+1 170～+1 850 m，總體是南部淺、北部深，最深處位于勘探區(qū)北東部，ZK401孔附近，底板標高+1 170 m；最淺處位于勘探區(qū)最南部，ZK601孔附近，底板標高+1 850 m。

4.2 斷裂構造

總體來說，此次三維地震勘探區(qū)構造比較簡單，新發(fā)現(xiàn)DF1斷層，DF2斷層和DF3斷層都是落差小于5 m的斷層。

三維地震按40×80的網(wǎng)度，共解釋斷點23個，最終組合斷層3條，落差均小于5 m，按斷層的性質分，DF1斷層為正斷層，DF2斷層和DF3斷層為逆斷層。時間剖面特征顯示，煤層反射波錯斷明顯，斷點清晰，斷層特征明顯，見表4。

4.3 煤厚變化與趨勢

研究區(qū)內煤層多，間距小，由于厚度和層間距的變化造成在時間剖面上反射波的分叉合并頻繁，給煤厚變化的解釋與預測帶來很大困難。利用地震反射波的振幅進行正演模擬和反演解釋，結合地質因素對煤層厚度影響，制作了B1、B2、B3、B6、B7、B10、B13煤層厚度變化趨勢圖。B1煤厚5～9 m、B2煤厚4～9 m、B3煤厚4～7 m、B7煤厚2～7 m，B10煤厚4～6 m，B13煤厚1～2 m，屬于全區(qū)可采的穩(wěn)定厚煤層。B6煤厚2～4 m，勘探區(qū)大部分區(qū)域厚度為2 m，全區(qū)屬于穩(wěn)定可采的中厚煤層。

圖6 B8煤層底板等高線示意Fig.6 Contour map of B8 coal seam floor

表4 斷層性質Tab.4 Fault properties

5 結論

(1)風鉆成孔、加水壓實等措施能夠有效提高地震勘探激發(fā)效果。在新疆瑪納斯縣澇壩灣煤礦井區(qū)第四系覆蓋區(qū)，獲得了較好的三維地震勘探原始資料，為臨區(qū)地震工作提供經(jīng)驗參數(shù)。

(2)深入研究本區(qū)內各組煤層分布特征，各煤層底板形態(tài)基本相似，總體呈東西走向、傾向北的單斜構造，南部淺，北部深。全區(qū)可采煤層厚度穩(wěn)定。

(3)查明了區(qū)內斷層分布情況，新發(fā)現(xiàn)3條斷層，落差皆小于5 m。