三維地震勘探技術(shù)在明業(yè)煤礦的應(yīng)用

張 鋒

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)明業(yè)煤礦有限公司,山西 寧武 036707)

煤礦開采前需進(jìn)行前期的地質(zhì)勘探,以查明區(qū)內(nèi)煤層賦存情況和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征,這對(duì)于安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[1]。目前,煤礦采掘前的常規(guī)勘探方法主要包括地質(zhì)鉆孔勘查、地面高精度三維地震勘查和電磁法勘查等[2]。其中,地面高精度三維地震勘探技術(shù)能夠?qū)γ簩淤x存情況、斷層分布、陷落柱的空間位置等地質(zhì)條件的空間分布具有較好的探測效果,因此,該方法是目前煤礦勘探前期工作的首選方法[3]。

1 勘探區(qū)概況

明業(yè)煤礦有限公司井田位于寧武縣城以南,位于寧武縣西馬坊鄉(xiāng)姚家溝、榆林溝、小峪村三個(gè)村子圍定的區(qū)域之內(nèi),直距寧武縣城約60 km。井田位置位于呂梁山北段蘆芽山脈東麓,東倚汾河,中生代以來的長期隆起和新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形狀起伏變化較大,總體地勢西高東低,溝谷發(fā)育。井田內(nèi)發(fā)育有姚家溝河、榆林溝河、小溝河三條季節(jié)性河流,在井田東南部外圍合為一條韓家溝河,河水流量較小。韓家溝河由西向東匯入汾河,為季節(jié)性河流,區(qū)內(nèi)無常年溪流。

1.1 地質(zhì)概況

明業(yè)煤礦所屬井田位于寧武—靜樂塊坳的南段,大致位于姚家溝、榆林溝、小峪村三個(gè)村子圍定的區(qū)域之內(nèi)。井田受一大型單斜構(gòu)造控制,地層傾角變化較大。井田內(nèi)未見斷層、陷落柱及巖漿巖侵入體等構(gòu)造體,井田內(nèi)部整體上構(gòu)造相對(duì)簡單。地層整體表現(xiàn)為走向NNE-SSW,傾向?yàn)镋S。其中西北部大同組地層產(chǎn)狀陡立,傾角40°～55°,從WN—ES,地層產(chǎn)狀變緩到近水平,呈5°～10°。井田內(nèi)出露地層主要有三疊系和侏羅系,從下至上有三疊系中統(tǒng)延長組,侏羅系中統(tǒng)大同組一、二、三段,云崗組一、二段,天池河組一、二、三段。在山坡及溝谷中有第四系上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)黃土層分布。其中,侏羅系大同組上段地層主要為含煤地層,可采煤層為侏2#、侏3#地層,煤層累計(jì)平均厚度4.0 m。其中侏2#煤層厚度0～5.44 m,平均2.60 m；該煤層結(jié)構(gòu)簡單,含0～2層夾矸,夾矸為泥巖及炭質(zhì)泥巖,厚度為0～0.80 m；頂板為黑色泥巖少數(shù)為細(xì)粒砂巖,厚度為1.85 m～4.12 m,平均3.50 m左右；底板為黑色泥巖及砂質(zhì)泥巖。侏3#煤層厚為0.97 m～1.65 m,平均1.40 m；頂板一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,厚度為2.12 m～4.50 m,平均3.12m；底板為泥巖、中細(xì)粒砂巖,厚度2.42 m～4.80 m,平均3.50 m,厚度穩(wěn)定。

1.2 地球物理特征

1)淺層地震地質(zhì)條件:區(qū)內(nèi)地形較復(fù)雜,高差變化較大,標(biāo)高在1 468～1 633 m。溝谷發(fā)育,莊稼等植被較多,主要為基巖裸露區(qū)和黃土覆蓋區(qū)。地表?xiàng)l件惡劣,鉆孔困難,激發(fā)和接收條件復(fù)雜,屬表層地震地質(zhì)條件較差的地區(qū)。

2)深層地震地質(zhì)條件:地層主要受一單斜構(gòu)造影響,但煤系地層沉積穩(wěn)定,主要煤層厚度變化較小,巖性、巖相組合特征清楚,沉積旋回清晰,煤層與其圍巖物性差異明顯,其頂、底板均為強(qiáng)反射界面。煤層與其圍巖物性差異明顯,其頂、底板均為強(qiáng)反射界面，屬典型的山地勘探。

2 野外勘探

2.1 野外采集施工

2.1.1采集參數(shù)試驗(yàn)

為更好地了解研究區(qū)的地球物理響應(yīng)特征,以及選取更合適的采集參數(shù)。本次采用法國Sercel公司產(chǎn)428XL高分辨地震儀分別對(duì)黃土覆蓋區(qū)和基巖出露區(qū)內(nèi)包括炮孔深度、放炮藥量等激發(fā)條件進(jìn)行了采集相關(guān)參數(shù)實(shí)驗(yàn)。

通過現(xiàn)場布置的15個(gè)物理點(diǎn)的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),在基巖區(qū)內(nèi)激發(fā)得到的單炮頻率比黃土中激發(fā)的單炮頻率高。在厚黃土區(qū)6 m以上井深,1.5 kg藥量激發(fā)效果較好。在基巖出露區(qū),4 m井深,1.5 kg藥量激發(fā)效果較好。因此,現(xiàn)場施工盡量避免在黃土區(qū)成孔,無法避免時(shí)需要穿透薄黃土層。在基巖出露區(qū),遇到成孔困難通過適當(dāng)降低井深(不低于3 m)進(jìn)行。所有炮孔均采用悶井激發(fā),以避免聲波、壓制面波等的干擾。

2.1.2野外采集

觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為8線8炮,滿覆蓋次數(shù)為20次,檢波線距40 m,檢波器采用3只串60 Hz檢波器,10 m道距,640道(8×80),中間放炮,20次覆蓋(橫4次×縱5次),面元大小5 m×10 m,如圖1所示。實(shí)際完成線束15束,完成炮點(diǎn)共計(jì)1629個(gè)。其中:甲級(jí)品934個(gè),甲級(jí)率57.3%;乙級(jí)品672個(gè),乙級(jí)率41.3%;廢品23個(gè),廢品率1.4%;合格率98.6%。空炮3個(gè),空炮率0.18%。

圖1 8線8炮束狀觀測系統(tǒng)Fig.1 8-8 beam observation system

2.2 地震資料處理

2.2.1原始資料品質(zhì)分析

在數(shù)據(jù)處理前,首先要對(duì)原始資料進(jìn)行全面的分析。只有對(duì)原始資料的各種特征有了充分的認(rèn)識(shí),才能選取合理的處理手段,得到真實(shí)可靠的處理成果。主要包括靜校正分析、干擾波分析、頻率分析、信噪比分析、能量分析等。

通過原始資料品質(zhì)分析(如圖2)可知:基巖裸露區(qū)和黃土覆蓋區(qū),工區(qū)地表地質(zhì)條件復(fù)雜,低降速帶厚度和速度橫向變化較大,受高程及地表低降速帶的橫向速度和厚度變化的影響,靜校正問題突出;不同炮間偏移距分布差異大;資料信噪比低,干擾波嚴(yán)重,有效信號(hào)較弱,炮記錄品質(zhì)差;目的層面波和聲波干擾尤其嚴(yán)重;地震資料能量差異大。

圖2 原始炮記錄(shot1374)Fig.2 Original gun records (shot 1374)

2.2.2資料處理

針對(duì)原始資料的特點(diǎn),可知在后期處理中需要重點(diǎn)關(guān)注靜校正、噪聲壓制和振幅補(bǔ)償?shù)裙ぷ鳌Ｔ谧龊们捌跍?zhǔn)備工作后開展處理工作。

1)折射靜校正。本次采集中低速帶厚度和橫向速度變化大,造成不同的檢波點(diǎn)接收到的地震波至?xí)r間出現(xiàn)延遲,反射波時(shí)距曲線畸變嚴(yán)重。初至波拾取的結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)有著較穩(wěn)定的折射層,可更好地開展折射靜校正[4-6],折射靜校正屬于層狀近地表模型的反演方法,相對(duì)于層析方法,滿足折射靜校正條件的近地表計(jì)算速度更快,穩(wěn)定性更高,如圖3所示。

圖3 shot580折射靜校正應(yīng)用前(上)、后(下)單炮對(duì)比圖Fig.3 Comparison of front (top) and rear (bottom) single gun before refraction static correction (shot 580)

2)振幅補(bǔ)償。地震波隨傳播時(shí)間呈現(xiàn)為能量衰減的現(xiàn)象,這表現(xiàn)為淺部能量強(qiáng)、深部能量弱。球面擴(kuò)散補(bǔ)償可以補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄏ蛳聜鞑ミ^程中由于球面擴(kuò)散而造成的能量衰減,使淺、中、深層能量均衡[7]。地表一致性振幅補(bǔ)償,主要消除由于采集過程中地表?xiàng)l件的差異引起的振幅變化。

3)多域分步疊前噪聲壓制。工區(qū)地震資料信噪比低,面波、聲波、線性干擾、環(huán)境噪聲干擾和隨機(jī)干擾等較大,目的層面波和聲波干擾尤其嚴(yán)重,有效信號(hào)較弱,炮記錄品質(zhì)差[8]。通過采用分頻的方法,多域壓制面波、聲波和異常干擾,提高資料品質(zhì)。

4)地表一致性預(yù)測反褶積。黃土、農(nóng)田、基巖初露等地表的特點(diǎn)表明,地震激發(fā)接受條件差異大,子波自相關(guān)一致較差。地表一致性預(yù)測反褶積,不但可以提高整體地震頻率,而且更能有效地消除頻率的不一致性。

5)地表一致性剩余靜校正。本次采集資料的靜校正問題比較突出,靜校正的質(zhì)量對(duì)于地震資料品質(zhì)影響較大,前期的折射靜校正很好地解決了地震資料的長波長靜校正問題;而通過剩余靜校正和速度分析的多輪次循環(huán)迭代,可以逐步解決中短波長靜校正問題,使有效信號(hào)實(shí)現(xiàn)同相疊加,達(dá)到提高信噪比和改善連續(xù)性的目的[9]。

6)疊后時(shí)間偏移。地震的采集并非完全理想的自激自收模式,而是存在炮檢距的采集系統(tǒng)。因此,需要通過偏移,將地震反射波校正至真實(shí)的反射界面,這可更加真實(shí)地表明接口地層、構(gòu)造特征。

7)疊前時(shí)間偏移。疊前時(shí)間偏移相對(duì)于疊后偏移成像更精確,更適用于復(fù)雜構(gòu)造區(qū),更實(shí)用于大傾角地層,分辨率更好,可以有效解決復(fù)雜構(gòu)造成像問題。

2.3 地震資料解釋

在充分分析井田地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,熟知煤礦地質(zhì)規(guī)律,初步了解煤礦的地質(zhì)構(gòu)造特征、煤層發(fā)育特征。以現(xiàn)有鉆井資料為出發(fā)點(diǎn),進(jìn)行井震聯(lián)合的人工合成記錄標(biāo)定,確定煤層的地震波反射同相軸特征,進(jìn)行煤層層位追蹤。再對(duì)比水平疊加、疊后偏移、疊前偏移等多個(gè)不同參數(shù)處理剖面,依據(jù)反射波特征和地震屬性特征進(jìn)行斷層、陷落柱等不良構(gòu)造的分析。最后通過建立速度場進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換,將時(shí)間域解釋成果轉(zhuǎn)換為地質(zhì)成果,從而得到煤層構(gòu)造特征和煤層厚度分布特征。

區(qū)內(nèi)目的層侏2#煤層、侏3#煤層反射波波組特征明顯(如圖4、圖5)。侏2#煤層的反射波定為T2波,屬振幅強(qiáng)、連續(xù)性好、波形穩(wěn)定的反射波,視周期20 ms～25 ms左右,頻率40 Hz～50 Hz,在時(shí)間剖面上極易識(shí)別和對(duì)比追蹤。由侏3#煤層形成的反射波定為T3波,在本區(qū)由于侏2#煤層的屏蔽反映較弱,但連續(xù)性尚好,全區(qū)可連續(xù)追蹤對(duì)比。

圖4 ZK4-1孔人工合成記錄Fig.4 Synthetic record of the ZK4-1 hole

圖5 ZK4-1目標(biāo)煤層反射波組特征圖Fig.5 Characteristic diagram of reflection wave group of the target coal seam (ZK4-1)

經(jīng)反射波特征分析、地震屬性分析,未見兩煤層發(fā)育斷層、陷落柱,僅在局部地區(qū)發(fā)育背向斜。

利用T2波和T3的能量(振幅值的平方),采用譜矩法對(duì)侏2#煤層厚度和侏3#煤層厚度進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算過程中使用鉆孔煤層厚度值做了必要的約束,從而可得到煤層厚度分布情況。

2.4 地質(zhì)成果

經(jīng)過井震標(biāo)定、層位追蹤、構(gòu)造分析、時(shí)深轉(zhuǎn)換、煤厚分析等資料解釋,得到了最終的侏2#、侏3#煤層的地質(zhì)成果。

勘探區(qū)煤層形態(tài)變化規(guī)律明顯(如圖6),整體為一單斜構(gòu)造,但是煤層傾角變化較大,從東南向西北方向煤層傾角迅速變大,從5°增大至35°以上。區(qū)內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱和采空區(qū),也未見煤層風(fēng)氧化帶、沖刷構(gòu)造帶等地質(zhì)異常,僅發(fā)育褶曲構(gòu)造。次級(jí)褶曲構(gòu)造多垂直或近垂直向斜構(gòu)造,主要以背向斜的形式出現(xiàn),全區(qū)共解釋褶曲3個(gè),其中背斜1個(gè),向斜2個(gè)。

圖6 侏2#煤層底板等高線圖Fig.6 Floor contour map of Jurassic formation No.2 coal seam

圖7顯示侏2#煤層在整個(gè)區(qū)內(nèi)都有發(fā)育,但是厚度變化較大,從東北區(qū)域的5 m多向西南方向逐漸減小為1 m左右;圖8表明侏3#煤層全區(qū)厚度變化不大,平均厚度1.4 m左右。

圖7 侏2#煤層厚度變化趨勢圖Fig.7 Trend of coal seam thickness of Jurassic formation No.2 coal seam

圖8 侏3#煤層厚度變化趨勢圖Fig.8 Trend of coal seam thickness of Jurassic formation No.3 coal seam

3 結(jié)論

在山西明業(yè)煤礦開展的三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用,通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到了采集參數(shù),完成了現(xiàn)場采集工作。后期的靜校正、噪音壓制、振幅補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)處理工作得到了高品質(zhì)地震資料。利用該處理成果進(jìn)行的解釋分析揭露了煤層由東南向西北傾斜發(fā)育,傾角變化較大為5°～35°;2#煤厚變化也較大,為1 m～5 m;3#相對(duì)穩(wěn)定,在1.4 m左右。此外還確定了區(qū)內(nèi)無明顯斷層、陷落柱、采空區(qū)等地質(zhì)異常,僅發(fā)育褶曲。

分析礦區(qū)內(nèi)14個(gè)鉆孔資料,可見區(qū)內(nèi)無明顯斷層等異常地質(zhì)構(gòu)造;2#煤層厚度平均值約為3.07 m,其中ZK1-2孔2#煤層最薄,為0.58 m,ZK6-1孔2#煤層最厚,為5.34 m;3#煤層厚度相對(duì)穩(wěn)定,其中ZK8-1孔3#煤層最薄,為0.97 m,ZK1-2孔3#煤層最厚,為1.65 m,煤層基本呈由東南向西北傾斜狀,與三維地震解釋成果一致性較好。

三維地震勘探技術(shù)在明業(yè)煤礦取得了較好的應(yīng)用結(jié)果,為下一步煤礦安全生產(chǎn)提供地質(zhì)技術(shù)指導(dǎo),具有較高的應(yīng)用意義。