三維地震及瞬變電磁綜合勘探在煤田構(gòu)造探測中的應(yīng)用

劉 毅，曹武慶，薛 江，穆曉強(qiáng)，弓江豪

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

山西下合煤礦位于山西省武鄉(xiāng)縣城東南的韓北鄉(xiāng)下合村境內(nèi)。井田位于太行山西麓，為地形切割較強(qiáng)的中低山黃土地貌。區(qū)內(nèi)黃土陡坎、沖溝發(fā)育，黃土塬、梁、峁廣泛分布，井田總的地勢為東部和西北部梁峁高，中南部的下合溝河床低，最高點位于井田北部的山梁頂，標(biāo)高為+1 030.25 m，最低點位于井田南部邊界下合溝底，標(biāo)高為+899.00 m，最大相對高差為131.25 m。在井田內(nèi)大面積出露第四系地層，厚度變化大，第四系地層以角度不整合于下伏不同地層之上。第四系中上更新統(tǒng)一般為10.00～65.00 m，平均厚度為35.00 m，巖性主要為灰黃色、棕色粉質(zhì)黏土，局部夾砂、礫石層。第四系全新統(tǒng)主要為現(xiàn)代沖積物，分布于下合溝河谷，為砂礫、卵石、泥沙混合物，厚度0～15.00 m，平均厚度為8.00 m。井田總體呈北西傾伏的單斜構(gòu)造，井田地層總體走向NE-NNE，傾向為NW-NWW，傾角4°～8°，井下巷道揭露斷層共3條，陷落柱4個，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入。

水文地質(zhì)情況為井田內(nèi)無常年性河流及地表水體，只發(fā)育季節(jié)性排洪沖溝或溝河，平時干涸，雨季匯聚洪水，大部向井田中南部的下合溝排泄，局部向井田東南部邊界處的另一條主沖溝排泄，2條主沖溝(河)在井田南部邊界附近匯合后注入洪水河，向西南匯入濁漳河北源，濁漳河向東南—東流出本省。井田屬海河流域漳河水系濁漳河支流。主要含水層為第四系松散層孔隙砂礫石含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組砂巖及石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。主要隔水層為二疊系砂巖含水層層間隔水層、上石炭統(tǒng)的太原組底部泥巖隔水層、中石炭本溪組隔水層組。

探測的目的煤層主要為石炭系上統(tǒng)太原組的15號煤層。為了查明15號煤層的斷層、陷落柱、采空區(qū)等構(gòu)造及采空積水的具體分布范圍，需對該礦新增區(qū)進(jìn)行三維地震及瞬變電磁綜合勘探工作。

1 數(shù)據(jù)采集與分析

1.1 儀器設(shè)備與參數(shù)

三維地震勘探試驗所用儀器為英國BP公司研制的Stryde節(jié)點儀器，檢波器類型為1c壓電式加速度檢波器，該儀器輕巧便攜，性能穩(wěn)定，動態(tài)范圍大，頻帶寬度為1～125 Hz。在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，可以大大提高地形復(fù)雜的黃土塬地段施工效率。

瞬變電磁勘探試驗所用儀器為美國ZONGE公司研發(fā)的GDP-32Ⅱ電法工作站，信號發(fā)射采用配套的GGT-10發(fā)射機(jī)。該儀器對異常體反應(yīng)靈敏，體效應(yīng)小，分辨率高，施工高效快捷，特別是采用大定源內(nèi)回線裝置探測分辨率更高。為提高信噪比，加大勘探深度，可通過加大發(fā)射功率來增強(qiáng)二次場[1 -3]。同時可通過多次脈沖激發(fā)場的疊加和空間域多次覆蓋技術(shù)來提高信噪比，可應(yīng)用于各種噪聲干擾大、工作復(fù)雜的施工環(huán)境[4 -7]。

1.2 試驗工作

1.2.1 三維地震勘探試驗工作

為確?？碧饺蝿?wù)的完成，獲取高品質(zhì)的原始資料，為資料采集及處理提供可靠的施工參數(shù)和處理參數(shù)，通過處理能夠獲得高信噪比、高分辨率、高保真度的原始數(shù)據(jù)，真實地呈現(xiàn)勘探區(qū)內(nèi)時間域的地下構(gòu)造成像，需進(jìn)行詳細(xì)的生產(chǎn)前激發(fā)和接收參數(shù)試驗及淺層地質(zhì)調(diào)查工作。激發(fā)試驗主要根據(jù)勘查區(qū)內(nèi)的地形及地震地質(zhì)條件進(jìn)行井深6 m、8 m、10 m、12 m(紅土層內(nèi)2 m)、14 m、18 m、20 m等不同井深的對比試驗、藥量1 kg、2 kg、3 kg的藥量對比試驗及單井和3井組合的對比試驗。通過對試驗結(jié)果的頻率、能量和信噪比分析，最終選擇單井、井深12 m或紅土層內(nèi)2 m、藥量2 kg的激發(fā)參數(shù)。圖1為單井、井深12 m(紅土層內(nèi)2 m)、藥量2 kg的原始單炮地震記錄。

圖1 原始單炮地震記錄Fig.1 Original single gun earthquake record

1.2.2 瞬變電磁勘探試驗工作

地面瞬變電磁勘探試驗的主要目的是檢測儀器的穩(wěn)定性、一致性、方法有效性以及選擇最佳數(shù)據(jù)采集參數(shù)，了解勘探區(qū)的地電條件、干擾背景以及勘探區(qū)的地球物理特征，采用不同的裝置參數(shù)組合進(jìn)行采集，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算，繪制不同參數(shù)條件下的處理圖件，再結(jié)合34鉆孔和511鉆孔揭露地層情況，確定適合本次勘探工作的最佳施工參數(shù)。由于勘查區(qū)內(nèi)煤層埋深變化較大，北部埋藏較深，最大深度約400 m；南部埋藏較淺，最淺深度約180 m。為了兼顧深部和淺部煤層的探測，將勘查區(qū)分為北部深區(qū)和南部淺區(qū)。通過對各參數(shù)試驗結(jié)果分析，最終確定對于北部深區(qū)采用發(fā)射線框320 m×320 m，發(fā)射頻率16 Hz，電流12 A，采樣延時300 μs，疊加次數(shù)12次。北部深區(qū)試驗線成果如圖2所示。對于南部淺區(qū)采用發(fā)射線框240 m×240 m，發(fā)射頻率為16 Hz，電流為12 A，采樣延時270 μs，疊加次數(shù)128次。南部淺區(qū)試驗線成果如圖3所示。

1.3 探測效果分析

1.3.1 三維地震探測效果分析

三維地震勘探采用12L×6S×80T×3R×24次線束狀觀測系統(tǒng)，該觀測系統(tǒng)方位角更寬，有利于煤層埋深變化較大區(qū)域的探測。圖4為該觀測系統(tǒng)炮檢距及方位角分布。本次野外施工共完成地震測線15束，總計獲得地震物理點1 650個：其中生產(chǎn)物理點1 619個，甲級物理點1 001個，甲級率61.83%；乙級物理點617個，合格率99.94%；試驗物理點有31個，合格率100%?？碧矫娣e2.07 km2，CDP覆蓋面積4.12 km2，滿覆蓋面積2.22 km2，施工面積5.45 km2。各項質(zhì)量指標(biāo)均符合“規(guī)范”和“設(shè)計”要求。區(qū)內(nèi)主要可采煤層15號煤層厚度較穩(wěn)定，圍巖基本上以砂巖為主，煤層與圍巖巖性特征差異較明顯，可形成穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)反射波。圖5為勘查區(qū)疊加剖面，明顯可見目的層15號煤層。

圖2 北部深區(qū)試驗線成果Fig.2 Results of the northern deep zone test line

圖3 南部淺區(qū)試驗線成果Fig.3 Results of the southern shallow zone test line

圖4 炮檢距及方位角分布Fig.4 Gun detection distance and azimuth distribution

1.3.2 瞬變電磁探測效果分析

瞬變電磁勘探共完成瞬變電磁物理點2 909個，其中試驗點85個(全部合格)，坐標(biāo)點2 713個，檢查點111個(占總物理點數(shù)的4.09%)。經(jīng)評級，甲級點2 218個，甲級率為81.75%，乙級點483個，乙級率為17.80%，丙級點12個，丙級率為0.45%，全區(qū)檢測點平均均方相對誤差6.09%，符合規(guī)范要求。不同巖層具有不同的導(dǎo)電性，一般泥巖、粉砂巖、中粗砂巖電阻率值依次增高。煤系地層有層狀分布特點，在橫向上沿地層走向?qū)щ娦韵鄬?，縱向上視電阻率的變化規(guī)律基本一致。如果巖層中有充水裂隙、采空積水區(qū)等構(gòu)造存在，或受斷層切割，破碎帶含水、導(dǎo)水時，由于水體良好的導(dǎo)電性，使其與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，也是用電法進(jìn)行水文地質(zhì)探測的地球物理前提。區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組地層，煤層采空后如若存在積水情況，視電阻率會出現(xiàn)明顯降低的特征反映；圖6為勘查區(qū)196線(鉆孔34附近)典型TEM等視電阻率斷面，由圖易知，視電阻率值從縱向上呈逐漸升高趨勢，與地層情況相吻合；橫向上，煤系地層層位穩(wěn)定，等值線平滑成層。部分地段(圖中藍(lán)色圈閉區(qū)域)出現(xiàn)等值線下凹，與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，視電阻率降低特征，分析為上覆巖層較富水的特征反映。

圖5 勘查區(qū)疊加剖面Fig.5 Stacked section of exploration area

2 勘探成果解釋

2.1 三維地震勘探結(jié)果解釋

三維地震數(shù)據(jù)通過CGG軟件處理后，形成可供解釋的三維地震偏移數(shù)據(jù)體。利用已知鉆孔進(jìn)行人工合成記錄，確定出15號煤層反射波。根據(jù)反射波同向性、振幅強(qiáng)、波形相似及連續(xù)性，對全區(qū)目的層反射波進(jìn)行追蹤，并按照40 m×80 m的網(wǎng)格抽取時間剖面。根據(jù)同相軸的錯斷、終止、扭曲、產(chǎn)狀突變、分叉合并、相位轉(zhuǎn)換、斷面波、繞射波等標(biāo)志識別斷點[8]，并結(jié)合地震屬性技術(shù)[9 -11]進(jìn)行斷層和陷落柱、采空區(qū)等構(gòu)造的解釋。圖7為不同構(gòu)造在不同地震屬性上的顯示。

圖6 196線(鉆孔34附近)典型TEM等視電阻率斷面Fig.6 196-line(near drilling hole 34)typical TEM isoapparent resistivity section

圖7 不同構(gòu)造在不同地震屬性上的顯示Fig.7 Display of different structures on different seismic properties

2.2 瞬變電磁勘探結(jié)果解釋

對已知鉆孔孔旁瞬變電磁法單點曲線分析，得到區(qū)內(nèi)各地層與電性層的對應(yīng)關(guān)系，總結(jié)出本區(qū)總的解釋原則，再結(jié)合地質(zhì)、含水層視電阻率值的大小及層厚和埋深等因素，由點到線，由線到面，劃分、圈定各含水層富水異常區(qū)。一般情況下，地層含水時的電阻率值較不含水時低，含水性越強(qiáng)，電阻率值越低。瞬變電磁勘探所用的參數(shù)為視電阻率，該物性參數(shù)與電阻率密切相關(guān)，基本可以反映地層的電性變化。結(jié)果解釋主要依據(jù)視電阻率斷面圖和異常平面圖進(jìn)行綜合分析。由于瞬變電磁勘探獲得的測線有43條，經(jīng)處理解釋后獲得的斷面圖有43幅。現(xiàn)僅以204線作為代表性斷面圖予以解釋。圖8為204線瞬變電磁綜合解釋斷面。

地質(zhì)解釋斷面圖中土黃色填充部分為第四系，黑色實線為15號煤底板。根據(jù)測區(qū)地質(zhì)資料，結(jié)合資料解釋情況，將勘查區(qū)內(nèi)各測線等視電阻率斷面自上而下大致劃分為3組電性層：第1組電性層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組地層，其視電阻率較低，一般為25～45 Ω·m；第2組電性層為石炭系太原組和本溪組上統(tǒng)含煤地層，視電阻率較高，為35～55 Ω·m左右；第3組電性層為奧陶系地層，視電阻率一般大于50 Ω·m，為明顯高阻層。

從視電阻率斷面圖中可以看出視電阻率等值線變化特征為：縱向上，視電阻率隨深度的增加呈逐漸升高趨勢，淺部低阻層為二疊系地層特征反映，而深部高阻層則為奧陶系地層反映；橫向上視電阻率等值線基本呈水平層狀，反映了地層層狀分布的特點；在部分地段如在1960～2040段石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組附近出現(xiàn)等值線明顯下凹陷特征，分析認(rèn)為該段附近地層含水可能性較大，而在15號煤附近的3040～3680段則出現(xiàn)等值線向下凹陷及低阻圈閉狀，電阻率降低的特征反映，結(jié)合井下探水孔和已知資料分析認(rèn)為該段附近為15號煤頂板巖層較富水的特征反映。

2.3 三維地震及瞬變電磁勘探成果綜合解釋

將三維地震勘探成果及瞬變電磁勘探成果放在一起進(jìn)行綜合分析對比，可以進(jìn)一步提高解釋精度?？梢园l(fā)現(xiàn)，地震時間剖面Inline 396線的Cdp 490至610段波組紊亂，同相軸變形；瞬變電磁196測線的3 120～3 700段呈低阻反應(yīng)，如圖9所示。經(jīng)換算后發(fā)現(xiàn)2種方法解釋的異常位置基本吻合，初步判斷為采空積水。

圖8 204線瞬變電磁綜合解釋斷面Fig.8 Comprehensive interpretation section of line 204 transient electromagnetic

圖9 采空積水在地震時間剖面和TEM等視電阻率斷面Fig.9 Seismic time profile and TEM isoapparent resistivity profile of water in goaf

3 結(jié)論

(1)通過三維地震及瞬變電磁勘探技術(shù)，解釋5條落差大于5 m的斷層，8個長軸直徑大于30 m的陷落柱，圈定1處面積約0.132 km2采空積水范圍，基本完成地質(zhì)任務(wù)要求。

(2)通過后期鉆孔驗證，施工所得結(jié)論正確，為礦方下一步施工提供參考。同時證明三維地震及瞬變電磁綜合勘探在構(gòu)造解釋中的適用性和準(zhǔn)確性。