三維地震勘探技術在寶力根煤礦的應用

亓增剛

（中國煤炭地質總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引言

自20 世紀70 年代以來，三維地震勘探技術一直在礦產勘探中發揮著重要的作用，一般采用炸藥或可控震源激發，由于地下地層有波阻抗差異，檢波器接收到的地層反射波也就在傳播過程中攜帶了不同的地層信息，經過數據處理提取出對勘探開發有利的信號，通過與鉆探、測井等地質信息的比對分析得到地層和信號的對應關系，以此為基礎開展構造解釋等工作。該項技術廣泛的應用于煤田勘探開發階段，是采區工作面部署設計的重要技術支撐。此次研究主要是為了查明內蒙正鑲白旗寶力根套海煤田地質結構，通過地震野外數據采集、資料處理、資料解釋3 個階段的細致工作，了解寶力根煤礦的煤層賦存和構造發育情況，為下一步煤礦開采工作提供安全技術保障。

1 研究區地質概況

研究區地層自下而上為侏羅系上統張家口組（J3z），白堊系下統巴彥花組（K1b）；古近系（E）和第四系（Q）。煤系地層為白堊系下統巴彥花組，陸相沉積環境決定了其巖性巖相變化較大，其分布范圍為探礦權中南部4 條斷層所圍割的矩形斷陷盆地內。據該區鉆孔揭露資料顯示，煤系最大厚度超過1155 m，平均509 m，含煤25 層，分上下2段。上段為主含煤段，含1 ～15 號煤，其中10號、15 號煤為主要可采煤層。下段為次含煤段，含煤10 層，勘探深度內均為不可采煤層，平均煤層總厚度為18.56 m，含煤系數為3.6%。含煤地層中未發現巖漿巖侵入現象。

2 研究區地震地質條件

2.1 表淺層地震地質條件

研究區地面標高為1222.3 ～1238.2 m，變化不大，總體上呈東南高西北低的趨勢。地表為草原覆蓋，潛水位約2 ～6 m，表層為新生界第四系黃土，新生界厚度平均約130 m。研究區內有林場村、花淖爾等村莊，零散居住的牧民及其牧場占地面積較大，柵欄較多。此外，施工期間正值嚴冬，地表凍土較厚。這些不利因素對施工都造成了一定的影響。

2.2 深層地震地質條件

勘探內新生界厚度較適宜，平均厚度約130 m，且與下伏地層有一定的波阻抗差異，可形成新生界底界面反射波。該區含煤地層為陸相沉積環境，巖相變化較大。煤層總體為走向北西，傾向北東的單斜構造，15 號煤層為該區大部可采的較穩定型煤層，埋深165 ～698 m，傾角10°～25°。由于煤層頂、底板主要為泥巖和砂巖，與煤層的密度不同，對應的地震波速度差異也很大，即為不同的波阻抗界面，可形成能量強、波形穩定的反射波。其中15 號煤層反射波為能量最強、波形穩定、連續性最好的標志反射波，10 號煤層反射波隨煤層厚度的變化，其能量、波形穩定性和連續性變化較大。

總體而言，研究區地震地質條件為復雜區。

3 野外數據采集

3.1 施工參數的確定

施工參數的確定主要分為2 方面，第一是觀測系統的設計，第二是通過試驗確定各項參數并驗證設計的合理性。

此次觀測系統的設計主要考慮了目的煤層埋深、構造走向和表淺層地震地質條件等因素，從測線布設方向、覆蓋次數、面元邊長、空間采樣間隔、最大炮檢距、鑲邊寬度、記錄長度等多個角度分析論證，最終選擇了14L×4S×72T×7R×24 次線束狀非對稱觀測系統，縱向滾動60 m，橫向重復7 條線，該觀測系統方位角與炮檢距分布相對均勻（圖1），橫縱比合適，不易產生靜校正耦合問題，能夠獲取精度較高的地震資料。

圖1 方位角（左） 和炮檢距（右） 分布Fig.1 Azimuth(left)and offset(right)distribution

在試驗過程中，嚴格按照單一因素變化的原則確定試驗方法，遵循從已知到未知，從簡單到復雜，循序漸進的原則，選擇有代表性的、有鉆孔揭露的煤層發育好、激發接收條件有利的地段進行試驗。此次共選擇2 個試驗點位，主要開展了波場調查、可控震源激發因素（包含震動次數、驅動幅度、掃描長度、掃描頻率等） 的試驗。試驗時，接收參數為道距10 m，接收道數100 道，排列長度990 m，中間放炮，偏移距0；儀器參數為428XL數字地震儀，采樣間隔1 ms，全頻帶接收。

通過試驗獲得的單炮記錄（圖2） 可以確定該區面波視速度約300 ～500 m/s，視頻率在8 ～15 Hz，視波長約為45 m；煤層反射波隨深度的變化在250 ～300 ms 隨之增加，有效波接收窗口在炮檢距300 ～400 m，視速度約為2300 m/s，頻率約為55 Hz。可控震源激發，型號為KZ-620，驅動幅度75%，震動次數4 次，在遇到村莊、養殖場、公路等人文建筑時可以酌情減少震動次數，但要保證資料的連續性，掃描長度14 s，掃描頻率10～110 Hz。

圖2 試驗典型單炮記錄Fig.2 Typical single shot record in test

3.2 施工技術措施

（1） 冬季氣溫低，凍土層較厚，插置檢波器有一定難度。因此為放線人員每人配備橡膠錘，用橡膠錘敲擊檢波器盡量使檢波器插實、插深；中午溫度升高凍土變軟，安排專人巡視測線，如發現有傾倒檢波器，及時插好，保證檢波器與地面耦合良好。

（2） 地表凍土層，樁號無法插實，易出現樁號丟失情況。在巡視過程中如發現測量檢波點樁號丟失或記號模糊無法辨認的現象時，及時調動測量組對這些區域補測樁號，杜絕無樁號放線。

（3） 在遇到障礙物無法按照設計炮、檢點布設時，采用恢復性變觀的方式進行特殊觀測系統設計，局部根據實際情況設計獨立的特殊觀測系統，基本原則是保證不同觀測系統之間的銜接和障礙物區覆蓋次數相對均勻。

3.3 施工質量

此次三維地震完成的4288 個物理點合格率為100%。其中線束物理點共4250 個，甲級品2838個，甲級率66.78%，乙級品1412 個，乙級率33.22%，廢品0 個；試驗記錄34 張，低速帶調查物理點4 個，均為合格。從圖3 研究區覆蓋次數分布圖可以看出，此次獲得的數據經計算研究區內覆蓋次數比較均勻，且覆蓋次數均在24 次以上，滿足質量要求。

圖3 研究區覆蓋次數分布圖Fig.3 Coverage times distribution in the study area

4 資料處理

4.1 資料處理重點工作

（1） 做好野外靜校正工作，重點利用折射波靜校正和分頻技術消除各類波長靜校正問題的影響。

（2） 做好疊前去噪工作，區內干擾波主要為面波、聲波和隨機干擾。在采取疊前組合去噪時，盡量保護有效波的頻率和波形，消除面波、聲波等干擾影響，為后續統計振幅、子波、速度分析提供良好的基礎數據。

（3） 選擇合適的預測反褶積步長，在不損傷有效波信噪比的前提下，盡可能地去除非地表一致性的影響因素，最大限度的提高主頻。采用地表一致性振幅補償、地表一致性預測反褶積技術消除由于采集過程中因激發接收條件的不同形成的地震記錄面貌的較大差異，以達到提高垂向分辨率的目的。

（4） 做好精細速度分析，由于研究區煤層煤陸相沉積地層，地震波能量變化大，部分地段構造復雜，因此需要提高疊加速度分析，結合常速掃描和速度譜分析技術，準確分析疊加速度，不僅是保證疊加成像的質量，也是確保偏移成像質量的關鍵。

4.2 資料處理質量

此次三維地震數據處理在通過原始單炮的仔細對比研究，點、線、段全面的參數試驗，選擇了最佳的處理流程和方法參數，最終獲得空間、時間采樣間隔為5 m×5 m×1 ms 的疊前時間偏移數據體。依據《煤田地震勘探規范》 （DZ/T 0300-2017），對地震數據主要目的層的品質在平面上進行了評價，圈出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類分布范圍，計算其面積：Ⅰ類品質面積5.28 km2，占88.29%；Ⅱ類品質面積0.59 km2，占9.87%；Ⅲ類品質面積0.11 km2，占1.84%；Ⅰ+Ⅱ類品質面積5.87 km2，占98.16%。該區地震目的層品質評級分布示意如圖4 所示，從圖4 中可以看出，地震數據主要目的層的品質總體以Ⅰ類品質為主，非Ⅰ類品質范圍位于研究區南部和北部，品質降低的主要原因是受地表村莊的影響所致。

圖4 三維地震數據體及質量評價Fig.4 Three dimensional seismic data volume and quality evaluation

5 資料解釋

地震資料解釋采用技術人員和專業解釋工作站人機聯作的方式，充分結合研究區構造規律認識，通過地震合成記錄取得反射波和地層對應關系，立體化地震時間剖面對比，精細化構造解釋，時深轉換成圖等多個步驟的嚴格質量管控，仔細分析解釋，獲得了以下地質成果。

（1） 查明了研究區內主要可采煤層的埋深及起伏形態，編制出了基本等高距為5 m 的煤層底板等高線圖。10 號煤層底板賦存形態受區內構造發育的控制和影響，煤層總體為走向北西、傾向北東的單斜構造。研究區內以寬緩的褶曲構造為主，斷裂構造次之，斷層集中于工區的中東部。煤層在研究區西南部埋藏最淺，東南部地段以露頭形式出現，東北部埋藏最深，底板標高變化范圍較大，自南西向北東埋深呈逐漸變大的趨勢，標高在742—1126 m，煤層內未發現大于10 m 的褶曲，煤層傾角一般在10°～34°，平均約25°。

15 號煤層與10 號煤層等煤層底板形態基本一致，煤層在研究區東南部埋藏最淺，東北部埋藏最深，標高在528 ～1102 m，煤層內未發現大于10 m 的褶曲，煤層傾角一般在8°～29°，平均約20°。

（2） 查明了研究區內主要可采煤層中落差≥5 m 的斷層性質、產狀及其延伸情況；解釋了落差3～5 m 的斷層，對小于3 m 的斷點、疑點做出了解釋。此次勘探共查明落差≥5 m 的斷層2 條，落差＜5 m 的斷層11 條。圖5 為斷層在地震時間剖面上的反應。

圖5 斷層在地震時間剖面上的反應Fig.5 Faults response on seismic time profile

6 結語

通過充分收集分析已有地質資料，結合研究區地震地質條件，精細計算了觀測系統參數，充分試驗獲得了野外數據采集的最佳施工參數。經過認真分析原始地震數據特點，提出了適合本區的資料處理重點，取得了高信噪比、高保真度的三維地震數據體；利用人機聯作解釋的方式，結合井田構造規律和波組特征，進一步查明了煤層賦存形態和斷層發育情況。本次研究的三維地震勘探解釋成果為礦方開采部署工作面和安全生產提供了可靠技術支撐，具有較高的技術參考價值。