屯留地區(qū)采區(qū)三維地震勘探激發(fā)參數(shù)研究

張超

（中國煤炭地質(zhì)總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

隨著科技水平的提高，煤礦開采逐步向智能化、自動化綜合開采發(fā)展?，F(xiàn)代化煤礦建設(shè)對煤礦地質(zhì)情況的要求也相應(yīng)提高，更精確的地質(zhì)構(gòu)造資料是煤礦開采的有力保障。

三維地震勘探以其經(jīng)濟性、全面性的控制地質(zhì)構(gòu)造情況，被廣泛應(yīng)用于煤礦采區(qū)勘探。三維地震勘探是一種間接勘探手段，勘探成果的精度主要受限于三維地震勘探數(shù)據(jù)體的品質(zhì)，而數(shù)據(jù)體的品質(zhì)又受限于野外施工所采集的原始數(shù)據(jù)[1]。激發(fā)參數(shù)作為三維地震勘探野外數(shù)據(jù)采集的重要影響因素，其選擇是否科學(xué)、合理，將直接決定原始數(shù)據(jù)質(zhì)量和施工成本，進而影響最終的勘探效果。因此，對激發(fā)參數(shù)進行細(xì)致的研究，能提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量并降低施工的經(jīng)濟風(fēng)險、節(jié)約勘探成本，提高勘探成功率[2]。

1 概 況

山西余吾煤礦位于山西省長治市屯留縣境內(nèi)，地理位置位于沁水煤田東部中段，地處太行山脈西側(cè)、山西上黨盆地西部，屬潞安礦區(qū)。井田內(nèi)地表廣為第四系黃土層覆蓋，北、西部屬高原丘陵地貌，地形復(fù)雜，地表沖溝發(fā)育，在溝谷地帶有二疊系基巖零星出露；中部絳河由西向東流入漳澤水庫，形成河谷階地，局部溝壑較發(fā)育，河道多淤積泥沙，含卵礫石；南部地形較平緩，多被改造為農(nóng)業(yè)用地或林地，村莊、工廠、養(yǎng)殖場也多分布于此[3]。

野外數(shù)據(jù)采集試驗工作所使用儀器設(shè)備為SERCEL公司的428XL數(shù)字地震儀，SJ-60檢波器（主頻60 Hz），成孔方式為人工水鉆，激發(fā)方式為地震勘探專用電雷管配合地震勘探專用高爆速成型炸藥[4]。

2 淺、表層類型劃分

根據(jù)對勘探區(qū)踏勘情況，全區(qū)淺、表層大致可以劃分3個類型（圖1），北部為絳河及其河灘，潛水位較淺，表、淺層為河道淤積的泥沙，多含卵石；中北部為較平坦的農(nóng)田，表層為第四系黃土覆蓋，因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動變?yōu)楦餐粒瑴\層有較穩(wěn)定的厚黏土層，一般呈棕紅色，局部為灰黑色；中南部為低山丘陵，地形復(fù)雜，沖溝發(fā)育，溝底偶有基巖出露，坡上黃土中含有鈣質(zhì)結(jié)核（礓石塊）或鈣質(zhì)硬層（礓石層）。

圖1 勘探區(qū)內(nèi)各淺、表層類型分布范圍示意Fig.1 Distribution scope of shallow and surface types in exploration area

勘探區(qū)內(nèi)所包括的3個淺、表層類型，涵蓋了井田的主要淺、表層類型[5]。本文對勘探區(qū)的三維地震勘探激發(fā)參數(shù)進行研究，其成果對該井田后續(xù)的地震勘探工作有較大指導(dǎo)意義。

3 激發(fā)參數(shù)對比分析

試驗工作是獲得三維地震勘探采集參數(shù)，尤其是激發(fā)參數(shù)的重要手段。通過對不同表、淺層類型的范圍進行踏勘，在勘探區(qū)內(nèi)布設(shè)試驗點，確保每種表、淺層類型范圍內(nèi)均有試驗點。

在試驗過程中，嚴(yán)格遵循由已知到未知、由簡單到復(fù)雜及單一因素變化的原則，先使用相同的藥量進行井深試驗（激發(fā)層位試驗），再利用井深試驗（激發(fā)層位試驗）所獲得的最佳井深（激發(fā)層位）結(jié)論，分別進行井組合試驗和藥量試驗，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析對比，以確定不同表、淺層類型最合適的激發(fā)參數(shù)。

3.1 平地類型

試驗點位于勘探區(qū)中部，屬中部平坦的農(nóng)田地形。接收排列檢波器為198道，三支串聯(lián)，扎堆插置，道距10 m。

井深試驗使用炸藥量2 kg，井深范圍6~30 m，井深間隔2 m。通過對比單炮記錄及分析對應(yīng)的振幅—頻譜分布范圍[6]（圖2）可知，井深為16 m時，有效波主頻突出，約為40 Hz，信噪比較高[7]；當(dāng)井深減小到10 m時，有效波主頻降低至不足20 Hz，能量降低為16 m時的0.7~0.8倍，同時低頻的面波掩蓋掉有效波；當(dāng)井深增加到22 m時，有效波主頻降低至20~25 Hz，能量降低為16 m時的0.8倍。因此當(dāng)井深減小時，有效波主頻逐步降低，面波能量增強，信噪比降低；當(dāng)井深增加時，雖然面波得到了抑制，但由于穿過了合適的激發(fā)層位，有效波主頻不突出或不穩(wěn)定，能量也有所降低。

圖2 井深試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.2 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

結(jié)合成孔時的巖性（土質(zhì)）記錄分析[8]，在試驗位置16 m井深處有1層厚度約1.5~2 m的黏土層；根據(jù)對該范圍內(nèi)的其他試驗成果以及施工過程中的成孔情況和監(jiān)視記錄對比，該黏土層是最佳激發(fā)層位，且在較平坦的地形范圍內(nèi)普遍存在，厚度和深度變化不大。

藥量試驗采用井深試驗成果，井深16 m，炸藥量0.5~3 kg。通過對比單炮記錄及分析對應(yīng)的振幅-頻譜分布范圍（圖3），可知藥量為0.5 kg時，有效波主頻較高，約為60 Hz，信噪比較高，但能量較弱，約為藥量2 kg時的0.8倍；藥量為3 kg時，有效波和面波能量較強，約為藥量2 kg時的1.1倍，主頻較低，約為20 Hz，信噪比較低；藥量為2 kg時，可以在能量與主頻之間獲得較好的平衡。因此，減小激發(fā)藥量，可以獲得頻率更高的有效波，但犧牲了能量；增加激發(fā)藥量，有效波能量略有增加，但干擾波能量增加明顯，且頻率也大幅降低，激發(fā)藥量的選擇需要兼顧有效波能量和頻率[9]。

圖3 藥量試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.3 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of explosive dose test

3.2 低山丘陵類型

試驗點位于勘探區(qū)中南部，屬低山丘陵，地形復(fù)雜，沖溝發(fā)育。接收排列檢波器為156道，三支串聯(lián)，扎堆插置，道距10 m。

井深試驗使用炸藥量2 kg，井深范圍為9~22 m，井深間隔1~2 m。通過對比單炮記錄及分析對應(yīng)的振幅—頻譜分布范圍（圖4）可知，井深為14 m時，有效波主頻突出，信噪比較高；井深為10 m時，有效波主頻降低，約為20~25 Hz，面波能量有所增強，信噪比降低；井深為20 m時，有效波主頻和能量相較于14 m時變化不大。因此，當(dāng)井深減小時，有效波主頻也隨之降低，面波能量隨之增強，信噪比降低；當(dāng)井深增加時，有效波主頻和能量變化不大，但施工成本增加，不利于施工的經(jīng)濟性。

圖4 井深試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.4 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

結(jié)合成孔時的巖性（土質(zhì)）記錄綜合分析，在試驗位置14 m井深處有1層厚度約0.3~0.5 m的礓石層。同時對比該范圍內(nèi)施工過程中的成孔情況和監(jiān)視記錄，該礓石層是最佳激發(fā)層位，且在勘探區(qū)該地形范圍內(nèi)大面積存在，但由于低山丘陵范圍內(nèi)地形起伏變化大，該礓石層的埋深也有較大變化。

藥量試驗結(jié)論與上述試驗基本一致。

3.3 河灘類型

試驗點位于勘探區(qū)北部，屬于絳河河灘，地表覆蓋物以河沙和淤泥為主，局部含卵石。接收排列檢波器為150道，三支串聯(lián)，扎堆插置，道距10 m。

河沙和淤泥覆蓋的河灘的井深試驗使用炸藥量2 kg，井深范圍為14~26 m，井深間隔1~2 m。通過對比單炮記錄及分析對應(yīng)的振幅—頻譜分布范圍（圖5）可知，井深為20 m時，有效波主頻突出，約為35 Hz，信噪比較高；井深為16m時，有效波主頻略有降低，約為30 Hz，低頻率的面波的能量略有增強；井深為24 m時，有效波頻率變化不大，但能量降低為井深為20 m時的約0.7倍。因此當(dāng)井深減小時，有效波主頻隨之降低，面波能量增強，信噪比降低；當(dāng)井深增加時，主要影響有效波能量。

圖5 井深試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.5 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

藥量試驗結(jié)論與上述試驗基本一致。

含卵石的河灘分布在靠近主河道處，潛水位較淺，成孔困難，最大孔深約2 m，考慮到施工的安全性，限定單孔藥量在1 kg以內(nèi)，且針對性進行了井組合對比試驗[10]，包括單井和雙井組合。通過對比單炮記錄及分析對應(yīng)的振幅—頻譜分布范圍（圖6）可知，在相同井深情況下，井組合與炸藥量變化對地震資料的影響不大，但組合井的能量略強，主頻略高，說明較淺的潛水位有利于地震波的激發(fā)。

圖6 井組合試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.6 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well combination test

4 結(jié) 論

激發(fā)井深（激發(fā)層位）方面，在勘探區(qū)南部的低山丘陵地帶，適合的激發(fā)層位為埋深約14 m的礓石層，受地形影響，在無法探測到礓石層的范圍，應(yīng)采用14~20 m作為最佳激發(fā)井深范圍；在平坦農(nóng)田范圍，應(yīng)重點將激發(fā)層位限定在埋深約16 m的厚黏土層中，施工中要注意該黏土層的埋深變化，遵循“層位優(yōu)先于井深”的原則；在河灘范圍，河沙覆蓋區(qū)采用20 m井深，卵石分布的河灘，因井深較淺，宜采用組合井。激發(fā)藥量方面，在井深能保證安全的情況下，使用2 kg；卵石河灘范圍，組合井的單井藥量為0.5~1 kg。

（1）在地形起伏和表、淺層類型具有一定變化的區(qū)域，激發(fā)參數(shù)的選擇上要更加注重激發(fā)層位，把握“層位優(yōu)先于井深”的大原則。

（2）通過定量化分析有效波的頻率和能量，可以更精準(zhǔn)的選擇最佳激發(fā)參數(shù)。

（3）激發(fā)藥量要與激發(fā)層位相適應(yīng)，既要保證能量也要保證頻率。