三維地震勘探技術(shù)在寧夏任家莊煤礦的應(yīng)用

邢中海，任岐山，王大光，王少輝

(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)

勘查區(qū)域及附近已開(kāi)展了多期三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用，其中甘肅煤田地質(zhì)局分別在2005年、2010年分別對(duì)勘查區(qū)11采區(qū)、21采區(qū)進(jìn)行了三維地震勘探工作，累計(jì)控制面積6.26 km2，完成生產(chǎn)物理點(diǎn)9 544個(gè)[1-5]。通過(guò)勘查區(qū)11、21采區(qū)的開(kāi)采驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)11采區(qū)解釋成果與實(shí)際揭露情況基本吻合，精度較高；21采區(qū)解釋成果存在一定偏差，給礦井開(kāi)采帶來(lái)困難[1-3]。經(jīng)綜合研究分析發(fā)現(xiàn)，由于解釋人員對(duì)任家莊井田構(gòu)造規(guī)律的認(rèn)識(shí)不夠，個(gè)別斷層性質(zhì)判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致整體解釋方案出現(xiàn)問(wèn)題[2-10]。

此次工作通過(guò)做好靜校正、反褶積工作，盡可能消除地表起伏大、煤層傾角大帶來(lái)的影響[1-9]；采用疊前時(shí)間偏移技術(shù)，使構(gòu)造歸位準(zhǔn)確，反映清晰；研究以往11、21采區(qū)三維地震勘探成果，分析構(gòu)造展布規(guī)律，使用地震屬性、方差體、層拉平等新技術(shù)、新方法，解釋方案經(jīng)院、隊(duì)、監(jiān)理方、礦方多級(jí)審核，提高對(duì)構(gòu)造的解釋精度和準(zhǔn)確性，更好地為礦井開(kāi)采提供依據(jù)[4-15]。

1 地質(zhì)概況及地震地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)概況

礦區(qū)出露地層主要為奧陶系下統(tǒng)水泉嶺組，奧陶系中統(tǒng)三道溝組，石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，古近系及第四系。巖性主要為灰?guī)r、薄煤層、砂巖、粉砂巖、泥巖、黏土巖等。任家莊含煤層系多達(dá)23層，主要為山西組和太原群，此次勘探對(duì)象主要為三、五、九煤層。三煤層：位于山西組上部，全區(qū)無(wú)夾矸，均可采，是主要煤層之一。受斷層影響，煤層受擠壓而變薄，煤層厚3.5～5.0 m。五煤層：位于山西組下部，厚度大，一般厚5.5～6.5 m，無(wú)夾矸，是主要煤層之一。九煤層：位于太原群中部，厚度很大，是主要煤層之一。煤層夾矸多，一般是細(xì)中砂巖、粉砂巖。但至紅石灣井田以北此夾矸變厚而成粗中粒砂巖，從而使煤層總厚加大?？偟内厔?shì)是紅石灣井田厚度略大于任家莊井田，在傾向上無(wú)明顯規(guī)律。

任家莊井田位于華北地臺(tái)鄂爾多斯地塊西緣褶皺帶，受東西方向構(gòu)造壓應(yīng)力的作用形成了近SN向壓性結(jié)構(gòu)面[1-6]?？碧絽^(qū)總體為走向近SN、傾向E的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育有褶曲和斷層(圖1)。①褶曲：勘探區(qū)內(nèi)發(fā)育2條褶曲，自南西向北東依次為三道溝背斜、黃草溝向斜，向、背斜附近煤層底板發(fā)生彎曲變化。②斷層：勘探區(qū)共解釋斷層29條，F(xiàn)2、F4、F15、F18、F19、DF16為勘探前存在的斷層，新解釋斷層23條，編號(hào)DF30至DF52。正斷層16條，逆斷層13條；落差大于等于5 m的斷層24條，落差小于5 m的5條；斷層的走向主要為NW、NWW向，其次為NE、NEE向。

圖1 井田構(gòu)造綱要Fig.1 Structure outline of minefield

1.2 地震地質(zhì)條件

(1)表淺層地震地質(zhì)條件?？碧絽^(qū)地勢(shì)西高東低、南高北低，海拔+1 200～+1 400 m。區(qū)內(nèi)地形平坦，但被南東、北東向的沖溝所切割。北部有煤廠、樹(shù)林、炸藥庫(kù)，南部有沙場(chǎng)、煤矸石堆，西部有高壓線，東部有鐵路、公路，均給施工帶來(lái)較大影響?？碧絽^(qū)表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜。

(2)淺層地震地質(zhì)條件?？碧絽^(qū)為第四系覆蓋，上部為沙、風(fēng)成沙；中部為礫石層，結(jié)構(gòu)松散，礫徑較大，最大礫徑可達(dá)30～40 cm(沖溝顯示)，厚度及分布不均，對(duì)地震波的激發(fā)不利；下部為紅色黏土層，是良好的激發(fā)層位?？碧絽^(qū)淺層地震地質(zhì)條件復(fù)雜。

(3)深層地震地質(zhì)條件?？碧絽^(qū)煤間距穩(wěn)定，三、五煤層平均間距35 m，五、九煤層平均間距60 m。煤層頂?shù)装寤旧弦陨皫r、粉砂巖、泥巖為主，煤層與圍巖的波阻抗差異明顯，可產(chǎn)生地震反射波的地質(zhì)層位有新生界底界面、三、五、九煤層底板，新生界底界面與下覆煤層為角度不整合接觸。新生界底界面、三、五煤所產(chǎn)生的反射波波形穩(wěn)定、能量強(qiáng)、連續(xù)性好，易于對(duì)比追蹤。九煤由于受到上部煤層的屏蔽作用，反射波能量變?nèi)?，連續(xù)性變差，對(duì)比追蹤相對(duì)困難?？碧絽^(qū)深層地震地質(zhì)條件較好。

2 野外數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗(yàn)點(diǎn)布置

試驗(yàn)工作完成順序?yàn)?、3、2，共完成試驗(yàn)點(diǎn)3個(gè)，物理點(diǎn)50個(gè)；試驗(yàn)段1條，物理點(diǎn)70個(gè)；小折射6個(gè)，物理點(diǎn)12個(gè)。試驗(yàn)共完成物理點(diǎn)132個(gè)(圖2)。

圖2 試驗(yàn)點(diǎn)及小折射點(diǎn)分布示意Fig.2 Distribution of test points and small refraction points

2.2 激發(fā)因素

(1)井深試驗(yàn)。以藥量3 kg為基準(zhǔn)，進(jìn)行了6、8、10、11、12、13、14、16、18 m井深對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)單炮對(duì)比分析，井深12 m以深反射波能量強(qiáng)、頻率高、目的層清晰[10-12]，因此確定該試驗(yàn)點(diǎn)井深為12 m。

(2)藥量試驗(yàn)。以井深12 m為基準(zhǔn)，進(jìn)行了1、2、3、4、5 kg對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)單炮對(duì)比分析，不同藥量對(duì)資料影響不大，目的層反射波能量均較強(qiáng)，頻率高，連續(xù)性好，最終確定該試驗(yàn)點(diǎn)藥量定為2 kg[15-17]。

(3)接收因素。儀器類型為428XL遙測(cè)數(shù)字地震儀，接收道數(shù)為淺部96道、深部120道中間點(diǎn)接收，檢波器為60 Hz檢波器，2串2并，挖坑堆放；采樣間隔為1 ms，記錄長(zhǎng)度為2 s，前放增益為12 dB。

2.3 地震波特征

(1)煤層反射波分布特征。煤層反射波能量強(qiáng)、頻率高，主要在150～600 ms，主頻25～80 Hz?？碧絽^(qū)主要有4組反射波[8-16]，反射波的波組特征如下：①TE波是新生界底界面形成的反射波，由2個(gè)相位構(gòu)成，能量較強(qiáng)，頻率較高，連續(xù)性較好，一般可連續(xù)對(duì)比追蹤。②T3波是三煤形成的反射波，由1個(gè)強(qiáng)相位構(gòu)成，能量強(qiáng)，頻率高，連續(xù)性好，易連續(xù)對(duì)比追蹤。③T5波是五煤形成的反射波，由1個(gè)強(qiáng)相位構(gòu)成，能量強(qiáng)，波組特征清晰，連續(xù)性較好，易連續(xù)對(duì)比追蹤。④T9波是九煤形成的反射波，由1個(gè)相位構(gòu)成，能量較弱，頻率較低，連續(xù)性較差，一般可連續(xù)對(duì)比追蹤。

(2)干擾波分布特征?？碧絽^(qū)面波普遍發(fā)育，速度為300～800 m/s，頻率15～30 Hz。另外，隨機(jī)噪音也是主要干擾波[12-14]。

3 地震波地層及煤層底板的反映

3.1 層位解釋

從時(shí)間剖面上可以看出，勘探區(qū)地層基本分為上下2組，2組為角度不整合接觸[8-13]。上組近水平，反射波能量較強(qiáng)，連續(xù)性較好，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鉆孔揭露的地層判斷，為新生界地層形成的反射波。下組傾角大，反射波組多，利用測(cè)井曲線，制作了合成記錄(圖3)。

上部波組能量強(qiáng)、頻率高、連續(xù)性好，根據(jù)合成記錄確定其為三煤、五煤形成的反射波；下部波組能量較弱、頻率較低、連續(xù)性較差，確定其為九煤形成的反射波。

3.2 煤層底板形態(tài)

本次采用波形振幅方法結(jié)合鉆孔資料對(duì)煤厚進(jìn)行了解釋，煤層為三煤、五煤、九煤，根據(jù)已知鉆孔和三維地震資料顯示，煤層間距穩(wěn)定，三煤、五煤平均間距35 m，五煤、九煤平均間距60 m，各煤層底板形態(tài)基本相同?？碧絽^(qū)內(nèi)煤層底板形態(tài)總體為走向近SN、傾向E的單斜，西南部和東北部均有褶曲發(fā)育，底板形態(tài)有一定的彎曲變化。煤層傾角15°～25°，西南部背斜西翼傾角達(dá)45°。

圖3 鉆孔合成記錄Fig.3 Synthetic record of boreholes

(1)三煤底板形態(tài)。三煤厚度0.1～6.2 m，由西向東逐漸變厚。底板形態(tài)總體為走向近SN、傾向E的單斜，傾角15°～25°，勘探區(qū)西南部背斜西翼傾角達(dá)45°。底板標(biāo)高為+500～+1 090 m，煤層隱伏露頭位于勘探區(qū)西部。煤層總體由西向東逐漸變深，西南部由于受背斜的影響，由東向西變深。煤層埋藏最深處位于東部邊界外，埋深約800 m，煤層埋藏最淺處位于西部，埋深約200 m。

(2)五煤底板形態(tài)。五煤厚度0.4～9.2 m，由西向東逐漸變厚。底板形態(tài)總體為走向近SN、傾向E的單斜，傾角15°～25°，勘探區(qū)西南部背斜西翼傾角達(dá)45°。底板標(biāo)高為+470～+1 070 m，煤層隱伏露頭位于勘探區(qū)西部。煤層總體由西向東逐漸變深，西南部由于受背斜的影響，由東向西變深。煤層埋藏最深處位于東部邊界外，埋深約830 m，煤層埋藏最淺處位于西部，埋深約230 m。

(3)九煤底板形態(tài)。九煤厚度1.5～8.2 m，由西南向東北逐漸變厚。底板形態(tài)總體為走向近SN、傾向E的單斜，傾角15°～25°，勘探區(qū)西南部背斜西翼傾角達(dá)45°。底板標(biāo)高為+400～+1 060 m，煤層隱伏露頭位于勘探區(qū)西部。煤層總體由西向東逐漸變深，西南部由于受背斜的影響，由東向西變深。煤層埋藏最深處位于東部邊界外，埋深約900 m，煤層埋藏最淺處位于西部，埋深約240 m。

4 地震波構(gòu)造特征的反映

4.1 褶曲

勘探區(qū)內(nèi)發(fā)育2條大的褶曲，自南西向北東依次為三道溝背斜、黃草溝向斜。

(1)三道溝背斜。該背斜位于勘探區(qū)西南部，軸部位于222、237鉆孔連線一帶，軸向近SN，波幅50 m左右，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度1 100 m，兩翼不對(duì)稱，西翼較陡，傾角25°～45°，東翼較緩，傾角15°～20°，在時(shí)間剖面上反映明顯，如圖4所示。

圖4 三道溝背斜在時(shí)間剖面上的顯示Fig.4 Display of Sandaogou anticline in time section

(2)黃草溝向斜。該向斜位于勘探區(qū)東北部，軸部位于451、162鉆孔連線一帶，軸向NW，波幅30 m左右，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度1 320 m，兩翼不對(duì)稱，西翼較緩，傾角15°～20°，東翼較陡，傾角20°～25°，在時(shí)間剖面上反映明顯，如圖5所示。

圖5 黃草溝向斜在時(shí)間剖面上的顯示Fig.5 Display of Huangcaogou syncline in time section

4.2 斷層

(1)斷點(diǎn)解釋。斷點(diǎn)解釋是一個(gè)關(guān)鍵而復(fù)雜的問(wèn)題，由正演得知，當(dāng)?shù)貙诱r(shí)，時(shí)間剖面上反射波同相軸穩(wěn)定、連續(xù)性好、無(wú)畸變[11-16]。若時(shí)間剖面上標(biāo)準(zhǔn)反射波同相軸發(fā)生錯(cuò)斷、強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換、分叉合并、同相軸數(shù)目增多或發(fā)生扭曲畸變等，是識(shí)別斷層的依據(jù)[6-16](圖6)。三維地震資料處理為資料解釋提供了5 m×5 m的三維偏移數(shù)據(jù)體，斷點(diǎn)成像清晰，為斷點(diǎn)解釋提供了保證。

圖6 斷層在時(shí)間剖面上的顯示Fig.6 Display of fault on time profile

(2)斷點(diǎn)評(píng)級(jí)。依據(jù)斷點(diǎn)在時(shí)間剖面上的顯示特征，分A、B、C三級(jí)[15-17]。①A級(jí)斷點(diǎn):反射波可靠，斷點(diǎn)清晰，能可靠確定斷層上、下盤(pán)；②B級(jí)斷點(diǎn):達(dá)不到A級(jí)又不是C級(jí)斷點(diǎn)者；③C級(jí)斷點(diǎn):兩盤(pán)反射波連續(xù)性較差，有斷點(diǎn)顯示，但標(biāo)志不夠清晰，能基本確定斷層的一盤(pán)或升降關(guān)系。

(3)斷層解釋。勘探區(qū)共解釋斷層29條，錯(cuò)斷三煤的斷層28條、錯(cuò)斷五煤的斷層26條、錯(cuò)斷九煤的斷層25條、錯(cuò)斷3層煤的斷層24條。主要斷層：①F2斷層。位于勘探區(qū)南部邊界，與DF30連通，逆斷層，走向NNE，傾向NWW，傾角70°，落差0～15 m，錯(cuò)斷三、五、九煤，斷點(diǎn)清晰可靠(圖7)。

圖7 F2斷層在時(shí)間剖面上的顯示Fig.7 Display of F2 fault on time profile

按40 m×80 m的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)斷點(diǎn)共11個(gè)。其中，A級(jí)斷點(diǎn)6個(gè)、B級(jí)斷點(diǎn)3個(gè)、C級(jí)斷點(diǎn)2個(gè)，A級(jí)斷點(diǎn)占55%，A+B級(jí)斷點(diǎn)占82%，屬控制可靠斷層。②DF49斷層。位于勘探區(qū)北部，正斷層，走向NW，傾向NE，傾角45°，落差10～30 m，錯(cuò)斷3、5、九煤，斷點(diǎn)清晰可靠(圖8)。按40 m×80 m的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)斷點(diǎn)共71個(gè)，其中A級(jí)斷點(diǎn)40個(gè)、B級(jí)斷點(diǎn)18個(gè)、C級(jí)斷點(diǎn)13個(gè)，A級(jí)斷點(diǎn)占56%，A+B級(jí)斷點(diǎn)占82%，同時(shí)有166、165鉆孔控制，屬控制可靠斷層。

圖8 DF49斷層在時(shí)間剖面、地震屬性上的顯示Fig.8 Display of DF49 fault in time section and seismic attribute

5 結(jié)論

通過(guò)三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用，詳細(xì)研究了煤層深度及起伏形態(tài)，而小斷層在時(shí)間剖面上的反映特征，可提高對(duì)小斷層的解釋精度。結(jié)合已知資料，由已知到未知，得出主要結(jié)論如下。

(1)本次勘探共完成試驗(yàn)點(diǎn)3個(gè)，物理點(diǎn)50個(gè)；試驗(yàn)段1條，物理點(diǎn)70個(gè)；小折射6個(gè)，物理點(diǎn)12個(gè)。試驗(yàn)共完成物理點(diǎn)132個(gè)。

(2)控制了波幅大于5 m的褶曲，主要為三道溝背斜和黃草溝向斜；查明了三煤、五煤和九煤落差≥5 m的斷層，并對(duì)落差3～5 m的斷點(diǎn)盡可能進(jìn)行了解釋，全區(qū)共解釋斷層29條，新發(fā)現(xiàn)斷層23條。

(3)控制了新生界厚度，為130～240 m，自西南向東、北逐漸變厚。查明了煤層的底板形態(tài)，總體為走向近SN、傾向E的單斜?？刂屏嗣簩拥牡装鍢?biāo)高，底板標(biāo)高為+400～+1 090 m。

(4)未發(fā)現(xiàn)煤層受古河床、古隆起、巖漿巖的影響及其他地質(zhì)異?，F(xiàn)象。