基于褶積模型的波阻抗反演技術在煤炭資源儲量管理中的應用

趙啟生 褚洪偉 尹 聰

（山東濟寧礦業集團有限公司安居煤礦，山東 濟寧 272100）

1 概述

濟寧礦業集團有限公司安居煤礦（以下簡稱“安居煤礦”）隸屬濟寧礦業集團有限公司，為地方國有企業。礦井位于濟寧市任城區內兗新鐵路以南、濟徐高速以東、京杭運河以西，行政區劃屬濟寧市任城區管轄。

安居煤礦煤層賦存-820m～ -1800m，屬千米深井，且屬于地質類型復雜礦井，礦井自投產以來井下開拓布局受構造影響較大，斷層、古河流沖刷帶等構造嚴重影響礦井的正常生產，給礦井煤炭資源儲量管理工作帶來了較大難度。

在礦井煤炭資源儲量管理中煤厚的預測精度對儲量估算起著至關重要的作用。傳統的煤厚預測方法主要是利用地質鉆孔或井下實際揭露的煤厚進行插值獲得，獲得的煤厚分布規律與區鉆孔的密度及取芯質量有直接的關系，鉆孔越稀疏，誤差越大。安居煤礦屬千米深井，地質鉆孔單孔造價平均為80萬元，單純依靠施工地質鉆孔獲得煤厚信息的方式將給企業帶來很大的經濟壓力。

為準確掌握煤層厚度變化情況，安居煤礦地質技術人員通過利用波阻抗反演技術獲取了科學準確的煤厚信息。從而相對準確地估算出礦井資源儲量，為礦井煤炭資源儲量管理提供了可靠的基礎數據依據。

2 基于褶積模型的波阻抗地震反演技術

隨著我國華北地區淺部煤炭資源日益開采殆盡，煤炭資源的開采逐漸向深部延伸。傳統的以構造勘探為目的的地震勘探技術已不能滿足礦井生產需求，除摸清地質構造外，地層厚度、巖性及含流體成分等巖性信息對現場生產指導也有極大作用。為滿足這種需求，巖性勘探技術應運而生。

地震反演技術是巖性勘探發展的一種重要手段[1]，它綜合利用地震、測井、地質和鉆井等資料揭示煤的空間幾何形態（包括煤厚、變化情況、可采情況、尖滅情況等）和煤層結構特征[2]。

基于褶積模型的波阻抗反演方法利用井旁地震道與測井資料（速度、密度等）獲得地震子波和反子波，然后以褶積模型為基礎外推反射系數序列，經測井標定后求出整個剖面的波阻抗值或層速度值。

基于褶積模型的波阻抗反演方法主要有直接反演、稀疏脈沖法、以模型為基礎的反演方法。以模型為基礎的反演方法是先構造一個地震參數初始模型，然后將合成記錄與實際地震資料進行對比，利用對比結果通過線性化反演技術迭代更新模型，直至兩種資料吻合為止[3]。由于以模型為基礎的反演方法與前兩種方法相比具有分比率高的特點，因此本次煤厚反演采用以模型為基礎的反演方法。

3 地震反演技術在煤炭資源儲量管理中的應用

3.1 煤厚反演的方法

根據首采區北翼三維地震勘探資料并結合采區內鉆孔及測井資料和井下實際揭露地質情況進行地震技術反演。反演采用以模型為基礎的反演方法，具體采用Hampson-Russell公司的Strata軟件進行。

波阻抗反演法求取煤厚的步驟如下：

（1）進行時深轉換。即利用三維地震獲取的時間信息與測井、地質等信息相結合，進行聯合反演，獲得含有地層深度信息的地震數據體。

（2）分析總結出煤層的擬阻波抗值，煤層的擬阻波抗值大致穩定在一定區間。

（3）通過對全區追蹤獲得煤層頂底板數據。

（4）將頂底板數據做差可得出煤厚。

（5）將預測結果與實際鉆井結果進行匹配，可獲得煤厚預測結果。并利用計算機繪制形成煤厚變化趨勢圖[4]。

煤厚變化趨勢圖中具有煤層等厚線，根據煤層厚度采用藍--黃--紅等顏色進行直觀表示，煤厚變化情況及任意區域的煤厚一目了然。

3.2 運用傳統方法對首采區北翼儲量計算成果

由于首采區北翼鉆孔施工密度較小，共包含3個見煤鉆孔：X6、X10、X30鉆孔，煤厚分別為2.1m、3.0m、2.32m，利用鉆孔所揭露的煤厚進行插值獲得首采區北翼平均煤厚為2.51m，如圖1。根據DZ/T 0215-2002《煤、泥炭地質勘查規范》規定，煤層傾角小于15°時（3上煤層傾角均小于15°），采用地質塊段法在水平投影圖上估算資源儲量。

估算公式：

式中：

Q-資源儲量，萬t；

S-水平投影塊段面積，m2；

D-視密度，t/m3；

M-塊段煤層鉛直厚度，m。

圖1 利用鉆孔數據計算首采區北翼資源儲量圖

可估算出首采區北翼儲量為458.6萬t，按照85%的采區回采率計算預計采出量為389.8萬t。

3.3 利用反演成果對首采區北翼進行儲量計算成果

通過對三維物探資料進行反演技術處理，得出了安居煤礦首采區北翼3上煤層厚度變化趨勢圖[5]。根據該圖顯示，首采區北翼中部存在一條狹長的煤層變薄區，該區域平均長約2200m，寬約180m，區域內平均煤厚僅1m左右（后經實際揭露被證實為一條近南北走向的古河流沖刷帶，區內煤厚平均0.8m，局部為無煤區），見圖2。根據煤層等厚線圖，首采區北翼厚度為0.5～32m，平均為2.15m。根據儲量估算公式：

Q-資源儲量，萬t；

S-水平投影塊段面積，m2；

D-視密度，t/m3；

M-塊段煤層鉛直厚度，m。

可估算出首采區北翼儲量為356.8萬t，按照85%的采區回采率計算預計采出量為303.3萬t。

3.4 首采區北翼實際采出儲量計算

安居煤礦首采區北翼自2015年3月開始生產，截至2018年10月，已先后完成1305、1304、1306、1307工作面和1309工作面的煤炭資源開采工作，采區內資源開采基本結束。根據前期首采區北翼各工作面煤炭資源實際產出量，可以得出首采區北翼實際采出量為283.7萬t（回采率為85%）。

3.5 對比分析

首采區北翼實際采出煤量283.7萬t，采用傳統手法估算出采區儲量為389.8萬t，采用地震反演技術預測煤厚估算儲量為303.3萬t。通過上述兩種不同計算方法估算對比分析，可得利用反演成果進行儲量計算估算儲量結果更接近實際，從而能夠相對準確地估算礦井資源儲量，為礦井開拓設計提供了可靠的地質基礎數據。

4 結 論

采用波阻抗地震反演技術，對原有三維地震勘探資料進行反演，可獲得反映出煤層厚度變化趨勢及規律的資料，能科學合理地預測出煤層厚度，從而能夠相對準確地估算礦井或采區資源儲量，為礦井或采區煤炭資源儲量管理提供了可靠的基礎數據依據。

圖2 利用地震反演煤厚數據計算首采區北翼資源儲量圖

由于波阻抗地震反演技術目前在煤厚分析方面還未充分運用，因此在今后的工作中，還應進一步加強對煤厚和關鍵層厚度反演技術的研究，以便更好地為煤礦安全高效開采服務。