屯留地區采區三維地震勘探激發參數研究

張超

（中國煤炭地質總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

隨著科技水平的提高，煤礦開采逐步向智能化、自動化綜合開采發展。現代化煤礦建設對煤礦地質情況的要求也相應提高，更精確的地質構造資料是煤礦開采的有力保障。

三維地震勘探以其經濟性、全面性的控制地質構造情況，被廣泛應用于煤礦采區勘探。三維地震勘探是一種間接勘探手段，勘探成果的精度主要受限于三維地震勘探數據體的品質，而數據體的品質又受限于野外施工所采集的原始數據[1]。激發參數作為三維地震勘探野外數據采集的重要影響因素，其選擇是否科學、合理，將直接決定原始數據質量和施工成本，進而影響最終的勘探效果。因此，對激發參數進行細致的研究，能提高數據采集質量并降低施工的經濟風險、節約勘探成本，提高勘探成功率[2]。

1 概 況

山西余吾煤礦位于山西省長治市屯留縣境內，地理位置位于沁水煤田東部中段，地處太行山脈西側、山西上黨盆地西部，屬潞安礦區。井田內地表廣為第四系黃土層覆蓋，北、西部屬高原丘陵地貌，地形復雜，地表沖溝發育，在溝谷地帶有二疊系基巖零星出露；中部絳河由西向東流入漳澤水庫，形成河谷階地，局部溝壑較發育，河道多淤積泥沙，含卵礫石；南部地形較平緩，多被改造為農業用地或林地，村莊、工廠、養殖場也多分布于此[3]。

野外數據采集試驗工作所使用儀器設備為SERCEL公司的428XL數字地震儀，SJ-60檢波器（主頻60 Hz），成孔方式為人工水鉆，激發方式為地震勘探專用電雷管配合地震勘探專用高爆速成型炸藥[4]。

2 淺、表層類型劃分

根據對勘探區踏勘情況，全區淺、表層大致可以劃分3個類型（圖1），北部為絳河及其河灘，潛水位較淺，表、淺層為河道淤積的泥沙，多含卵石；中北部為較平坦的農田，表層為第四系黃土覆蓋，因農業生產活動變為耕植土，淺層有較穩定的厚黏土層，一般呈棕紅色，局部為灰黑色；中南部為低山丘陵，地形復雜，沖溝發育，溝底偶有基巖出露，坡上黃土中含有鈣質結核（礓石塊）或鈣質硬層（礓石層）。

圖1 勘探區內各淺、表層類型分布范圍示意Fig.1 Distribution scope of shallow and surface types in exploration area

勘探區內所包括的3個淺、表層類型，涵蓋了井田的主要淺、表層類型[5]。本文對勘探區的三維地震勘探激發參數進行研究，其成果對該井田后續的地震勘探工作有較大指導意義。

3 激發參數對比分析

試驗工作是獲得三維地震勘探采集參數，尤其是激發參數的重要手段。通過對不同表、淺層類型的范圍進行踏勘，在勘探區內布設試驗點，確保每種表、淺層類型范圍內均有試驗點。

在試驗過程中，嚴格遵循由已知到未知、由簡單到復雜及單一因素變化的原則，先使用相同的藥量進行井深試驗（激發層位試驗），再利用井深試驗（激發層位試驗）所獲得的最佳井深（激發層位）結論，分別進行井組合試驗和藥量試驗，通過對試驗數據的分析對比，以確定不同表、淺層類型最合適的激發參數。

3.1 平地類型

試驗點位于勘探區中部，屬中部平坦的農田地形。接收排列檢波器為198道，三支串聯，扎堆插置，道距10 m。

井深試驗使用炸藥量2 kg，井深范圍6~30 m，井深間隔2 m。通過對比單炮記錄及分析對應的振幅—頻譜分布范圍[6]（圖2）可知，井深為16 m時，有效波主頻突出，約為40 Hz，信噪比較高[7]；當井深減小到10 m時，有效波主頻降低至不足20 Hz，能量降低為16 m時的0.7~0.8倍，同時低頻的面波掩蓋掉有效波；當井深增加到22 m時，有效波主頻降低至20~25 Hz，能量降低為16 m時的0.8倍。因此當井深減小時，有效波主頻逐步降低，面波能量增強，信噪比降低；當井深增加時，雖然面波得到了抑制，但由于穿過了合適的激發層位，有效波主頻不突出或不穩定，能量也有所降低。

圖2 井深試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.2 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

結合成孔時的巖性（土質）記錄分析[8]，在試驗位置16 m井深處有1層厚度約1.5~2 m的黏土層；根據對該范圍內的其他試驗成果以及施工過程中的成孔情況和監視記錄對比，該黏土層是最佳激發層位，且在較平坦的地形范圍內普遍存在，厚度和深度變化不大。

藥量試驗采用井深試驗成果，井深16 m，炸藥量0.5~3 kg。通過對比單炮記錄及分析對應的振幅-頻譜分布范圍（圖3），可知藥量為0.5 kg時，有效波主頻較高，約為60 Hz，信噪比較高，但能量較弱，約為藥量2 kg時的0.8倍；藥量為3 kg時，有效波和面波能量較強，約為藥量2 kg時的1.1倍，主頻較低，約為20 Hz，信噪比較低；藥量為2 kg時，可以在能量與主頻之間獲得較好的平衡。因此，減小激發藥量，可以獲得頻率更高的有效波，但犧牲了能量；增加激發藥量，有效波能量略有增加，但干擾波能量增加明顯，且頻率也大幅降低，激發藥量的選擇需要兼顧有效波能量和頻率[9]。

圖3 藥量試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.3 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of explosive dose test

3.2 低山丘陵類型

試驗點位于勘探區中南部，屬低山丘陵，地形復雜，沖溝發育。接收排列檢波器為156道，三支串聯，扎堆插置，道距10 m。

井深試驗使用炸藥量2 kg，井深范圍為9~22 m，井深間隔1~2 m。通過對比單炮記錄及分析對應的振幅—頻譜分布范圍（圖4）可知，井深為14 m時，有效波主頻突出，信噪比較高；井深為10 m時，有效波主頻降低，約為20~25 Hz，面波能量有所增強，信噪比降低；井深為20 m時，有效波主頻和能量相較于14 m時變化不大。因此，當井深減小時，有效波主頻也隨之降低，面波能量隨之增強，信噪比降低；當井深增加時，有效波主頻和能量變化不大，但施工成本增加，不利于施工的經濟性。

圖4 井深試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.4 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

結合成孔時的巖性（土質）記錄綜合分析，在試驗位置14 m井深處有1層厚度約0.3~0.5 m的礓石層。同時對比該范圍內施工過程中的成孔情況和監視記錄，該礓石層是最佳激發層位，且在勘探區該地形范圍內大面積存在，但由于低山丘陵范圍內地形起伏變化大，該礓石層的埋深也有較大變化。

藥量試驗結論與上述試驗基本一致。

3.3 河灘類型

試驗點位于勘探區北部，屬于絳河河灘，地表覆蓋物以河沙和淤泥為主，局部含卵石。接收排列檢波器為150道，三支串聯，扎堆插置，道距10 m。

河沙和淤泥覆蓋的河灘的井深試驗使用炸藥量2 kg，井深范圍為14~26 m，井深間隔1~2 m。通過對比單炮記錄及分析對應的振幅—頻譜分布范圍（圖5）可知，井深為20 m時，有效波主頻突出，約為35 Hz，信噪比較高；井深為16m時，有效波主頻略有降低，約為30 Hz，低頻率的面波的能量略有增強；井深為24 m時，有效波頻率變化不大，但能量降低為井深為20 m時的約0.7倍。因此當井深減小時，有效波主頻隨之降低，面波能量增強，信噪比降低；當井深增加時，主要影響有效波能量。

圖5 井深試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.5 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

藥量試驗結論與上述試驗基本一致。

含卵石的河灘分布在靠近主河道處，潛水位較淺，成孔困難，最大孔深約2 m，考慮到施工的安全性，限定單孔藥量在1 kg以內，且針對性進行了井組合對比試驗[10]，包括單井和雙井組合。通過對比單炮記錄及分析對應的振幅—頻譜分布范圍（圖6）可知，在相同井深情況下，井組合與炸藥量變化對地震資料的影響不大，但組合井的能量略強，主頻略高，說明較淺的潛水位有利于地震波的激發。

圖6 井組合試驗單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.6 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well combination test

4 結 論

激發井深（激發層位）方面，在勘探區南部的低山丘陵地帶，適合的激發層位為埋深約14 m的礓石層，受地形影響，在無法探測到礓石層的范圍，應采用14~20 m作為最佳激發井深范圍；在平坦農田范圍，應重點將激發層位限定在埋深約16 m的厚黏土層中，施工中要注意該黏土層的埋深變化，遵循“層位優先于井深”的原則；在河灘范圍，河沙覆蓋區采用20 m井深，卵石分布的河灘，因井深較淺，宜采用組合井。激發藥量方面，在井深能保證安全的情況下，使用2 kg；卵石河灘范圍，組合井的單井藥量為0.5~1 kg。

（1）在地形起伏和表、淺層類型具有一定變化的區域，激發參數的選擇上要更加注重激發層位，把握“層位優先于井深”的大原則。

（2）通過定量化分析有效波的頻率和能量，可以更精準的選擇最佳激發參數。

（3）激發藥量要與激發層位相適應，既要保證能量也要保證頻率。