大同石炭系煤田三維地震精細化解釋及應用

劉 銳 姜士鵬 孫殿宇

1 引言

近十余年，同煤集團對深部石炭系煤層進行開采，并建成數個千萬噸礦井，為企業高效安全生產提供了有力保障。由于石炭系經歷多期構造應力作用以及機械化開采程度對地質構造掌握程度要求越來越高，根據以往鉆孔和三維地震初期解析成果難以精確分析和預測礦井煤層地質構造，特別是工作面煤層標高起伏狀態和斷裂構造分布規律。因此，本次研究充分應用同發東周窯和馬道頭井田三維地震資料，結合區域構造演化和應力背景，建立了三維地震精細構造解析方法流程，精細構造解析成果不僅可提前預測構造規模，并有效指導了工作面部署和巷道掘進，實際應用效果良好。

2 三維地震精細構造解析流程

2.1 數據加載

首先將三維地震數據加載到Petrel或Geoframe地震解釋工作平臺上，然后把井口坐標、鉆井分層、測井數據、高程數據等分別進行加載。

2.2 層位精細標定

層位（煤層）精細標定是構造解析的基礎，是溝通地震信息與地質研究的橋梁和紐帶，層位標定的正確與否直接影響三維地震精細構造解釋的精度。首先對地層對比成果、地震反射特征、目的層測井響應進行綜合研究，在此基礎上，選取地質層位完整、測井數據較齊全、曲線特征明顯的鉆孔作為關鍵井，選取合適的子波和頻率合成地震記錄，與實際地震反射特征反復對比，不斷調整子波長度，使兩者波組關系對應良好，進而確定研究區內5（3+5）號和8號煤的地震反射特征及層位（圖1）。

圖1馬道頭井田5號煤合成記錄標定特征

東周窯井田三維區發育太原組5（3+5）號、8號煤，T5波為5（3+5）號煤層形成的地震波，由于5號煤在區內屬穩定煤層，厚度大，平均厚度可達9.51 m，結構相對簡單，與上覆厚層砂巖存在較大的波阻抗差異，形成強振幅、高連續性，頻率穩定的反射波，視周期16 ms～20 ms，頻率 50 Hz～ 60 Hz，在時間剖面上極易識別和對比追蹤，但局部受煌斑巖的侵入，地震反射軸發生不規則錯段或雜亂反射（圖2）。T8波為8號（8-1+8-2）煤層形成的地震波，在內屬于較穩定煤層，厚度較薄，前者平均厚度為1.67 m，后者為1.93 m，與5號煤層近平行，間距穩定，受上部5號煤強反射屏蔽的影響，形成弱-中等振幅，中等連續性，波形變化較大的反射波，全區基本可連續追蹤對比。

圖2東周窯井田5號和8號煤層地震發射特征

2.3 層位解釋

在鉆孔合成記錄制作的基礎上，通過井-震聯合對比，確定主力煤層地震響應特征，并將其外推，首先沿著主測線、聯絡測線和任意時間剖面，按50 m×50 m網格密度進行粗框架精細解釋，逐步加密到5 m×5 m網格密度，實現了從點到線，從線到面逐步控制，杜絕層位局部突然變化，最終實現5號和8號煤層地震同相軸全閉合，明確主采煤層時間域的起伏狀態（圖3）。

圖3東周窯井田二盤區5號煤層位解釋結果

圖4東周窯井田二盤區5號煤相干體切片

2.4 斷層解釋

斷層解釋是三維地震地質構造解析的關鍵環節，也是準確的煤層底板等高線編制的依據。三維地震精細解析首先應了解和掌握區域構造期次、應力場背景、斷裂褶皺幾何學特征和形成機制，指導三維區斷層解釋；其次在Geoframe或Petrel等地震解釋軟件中沿主測線、聯絡測線，按“由粗到細的網格密度、先解釋大斷層后解釋小斷層”進行解釋，然后將時間剖面解釋的斷點投影到平面上，進行斷層平面組合。通常，經歷多期構造應力作用，多期不同走向的斷層交錯切割，就應從平、剖面斷層切割關系、以及拉任意測線對斷層組合情況驗證，以及應用相干體、螞蟻體和方差體屬性切片等技術方法聯合識別和組合斷層（圖4），總體遵從“切片定走向，剖面定傾向，共同定產狀，任意線驗證”的解釋原則，提高斷層解釋的精確度。

大同煤田石炭系較大中型斷層斷點常表現為煤層反射波同相軸突然錯斷、產狀突變、反射零亂、強相位轉換等特征，比較容易識別。落差小于5 m的小斷層也比較發育，但斷點識別比較困難，主要表現為反射波同相軸扭曲、振幅變弱等，應結合方差體或螞蟻體進行識別。

2.5 時深轉換

三維地震采集、處理后的數據體通常是時間域的，以至解釋的煤層和斷層均呈現時間域特征，其與實際情況還有一定差異性，必須經時深轉換將時間域的煤層和斷層等地質信息轉換為深度域，才可體現煤層或斷層地下的真實形態。而速度是聯系時間域和深度域的紐帶，因此，速度的求取和成圖方法的選擇對提高成圖精度至關重要。

由于煤田鉆孔多，且分布均勻，主要利用研究區內鉆孔及巷道小孔信息，統計鉆孔的煤層標高及埋藏時間深度，求取鉆孔位置煤層的平均速度，然后插值獲得煤層平均速度圖，再利用煤層平均速度圖與時間域構造圖進行乘法運算，進而獲得煤層深度域構造圖（圖5）。

圖5三維區5號煤底板構造圖與斷裂褶皺構造樣式

3 東周窯井田二盤區的應用效果

通過對東周窯井田二盤區三維地震精細解析，二盤區共揭露斷層400余條，均為正斷層，NW-NNW和NEE-NE向為優勢方向，通往基底的斷裂少，NWNNW向斷層多形成早中侏羅前，NE-NEE向斷層多形成于第四紀。垂向上，多組斷層呈平行或Y字形，與擠壓反轉構造形成的褶皺相組合形成斷背斜、塹-壘相間、順向斷階、反向斷階等構造樣式[2,5]。平面上，褶皺與斷裂構造相互疊加切割，呈現“寬緩背斜、窄深向斜”，構造形態凹凸相間，西北高、東南底，褶皺、向斜走向近NE-NEE和NW向，并被NW、NE-NEE向斷裂切割嚴重，導致褶皺局部發生扭轉，甚至錯斷，形成網格狀構造塊體（圖5），并根據構造復雜程度將盤區劃分為北部斷裂構造復雜區和南部褶皺斷裂疊加區，

3.1 北部斷裂構造復雜區

該區構造以大中型斷層為主，大中型斷層分布于中部，以NW向斷層為主，落差普遍大于20 m，最大可達50 m，垂向多為壘-塹構造樣式，局部見小型Y字形構造樣式，平面呈平行和雁列狀斜角組合，導致該區形成多個斜交和近平行斷塊，寬度小于120 m，長度小于550 m，不規則分布（圖5），以至于西北部與東北部不易部署整裝的工作面，可順著地塹穩定區進行部署。中小型及小型斷層多分布于本區西部和中東部，NW向為主，對工作面部署整體影響不大。

3.2 南部褶皺斷裂疊加區

該區構造以NEE-NE褶皺疊加NW-NWW及NE-NEE向斷裂，形成網格狀構造塊體，導致褶皺和向斜發生扭動，形成寬緩的背斜和窄深的向斜，而寬緩背斜區是該區構造變形穩定區，有利于沿背斜軸向部署工作面，窄深的向斜區幾乎不看部署整裝工作面。

3.3 在2203工作面掘進應用

在三維地震精細構造解析的基礎上，順2203巷切取地震剖面和預想剖面，揭示 7條斷層，呈壘塹構造樣式，煤層起伏大，并可見煌斑巖侵入異常反映（圖6），最終與巷道掘進實測剖面對比，煤層起伏形態、斷層規模及煌斑巖異常體吻合率較高，進一步驗證了三維地震解析技術對井田工作面部署和巷道掘進有重要的指導意義。

圖6 2203巷三維地震解析預想剖面與實測剖面對比

4 結論

（1）建立了以區域構造演化和應力場背景指導為基礎，采取動靜結合，多方法、多資料印證的三維地震精細構造解析流程，可精細刻畫和預測煤層幾何形態、斷裂、褶皺及陷落柱的規模和分布規律。

（2）本技術方法在同發東周窯和馬道頭井田進行應用，對兩個井田三維區構造規律和煤層賦存形態進行研究，并指導了工作面部署和巷道掘進，對地質構造及異常體超前預測取得了一定成效。