余吾煤礦小斷層構造三維地震精細處理與識別技術應用研究

張二偉，周俊杰

（1.潞安集團 余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046103；2.河北工程大學地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

礦井隱蔽斷層構造作為礦井水賦存與導水通道之一，影響著礦井工作面布置，特別受到礦井地質工作者的關注[1-2]。隨著開采深度和智能化工作面的開展，影響工作面布置和開采的隱蔽小斷層構造的識別成為研究的重點，目前開采深度逐步增大，地面三維地震勘探數據體解決小斷層構造的精度和準確度受到挑戰，如何綜合利用三維地震數據體精細并精準識別出隱蔽小斷層構造成為難點。

小斷層構造常表現為斷層落差小于半采高、半煤厚的斷層，三維地震的識別需要較高的縱向和橫向分辨率，特別是煤層埋藏深度較深地段的小斷層的識別尤為重要。地面三維地震的目標需要識別和解釋小斷層構造，受到地震數據分辨率的影響，利用常規地震時間剖面上解釋的小斷層精確度降低。LIN C 和POBLET J 等利用正演模擬技術，分析小斷層的地震波響應特征，利用地震反射波多屬性分析、識別小斷層構造[3-4]。采用地震多屬性參數融合識別斷層能規避單一屬性識別斷層的局限性[5]，同時也是增加小斷層解釋的精確度和有效性的手段和方法。

針對余吾煤礦采掘工程地質條件及構造分布特征，利用編制的地震正演模擬軟件，分析不同地震波激發主頻、斷層落差、煤厚、地層波速度變化對地震識別小斷層構造的影響因素及因子。結合地面三維地震勘探數據采集、數據處理和解釋，確定黃土覆蓋區的地面三維地震小斷層構造精細識別技術方法。利用地震多屬性參數特性，識別出隱蔽斷層構造多種屬性特征，精細、準確識別出斷層的空間參數；綜合運用三維地震高保真數據處理與地震屬性綜合解釋技術，確定的小斷層構造位置準確度高，利用井巷揭露的斷層空間參數準確，精度高，識別技術良好。

1 余吾礦地震勘探淺層地質條件

余吾礦井位于山西省屯留縣境內，地表黃土地形，北部河灘溝坎較為發育，東南部為山區沖溝地貌，相對高差大于120 m。地表被第四系黃土覆蓋，為山前沖積扇區，扇區中沉積的為泥沙石塊顆粒，橫向速度變化較大。黃土層中夾有3～4 層厚度遞交大的礫石結核層，部分河流地段存在厚度較大的砂層和黑淤泥層。淺層地表地形劇烈變化，對于淺部地震波激發和接收均不利。

余吾煤礦主要煤層為石炭系上統太原組上段和二疊系下統山西組，目前主要開采山西組3 號煤層，煤層厚3.35～10.25 m，平均厚6.42 m。

2 三維地震數據采集技術

2.1 地震激發與接收技術

通過試驗對比分析數字檢波器、7、10、60 Hz不同主頻動圈式檢波器采集的地震記錄及其采集的單炮信噪比等參數進行綜合對比分析評價（圖1），確定出60 Hz 的檢波器高頻信息較多，對于低頻干擾壓制較好，高低頻層次分明。而低頻檢波器及數字檢波器，由于低頻干擾較嚴重，直觀的使高頻信息不明顯，雖然低頻有效信息接收的更多，但同樣的低頻干擾也較多，特別是數字檢波器低頻干擾最為嚴重。因此使用低頻檢波器的同時低頻干擾也會增加，這就使如果為了更多的獲取有效信息，可采用低頻檢波器，拓寬有效信息的頻帶，同時后期數據處理時應采取相應的技術手段，才能使獲取的低頻有效信息發揮其更大的作用。如果后期數據處理時采用常規的處理手段，那么這些低頻的干擾將會使數據體的整體信噪比降低。

圖1 不同類型檢波器單炮信噪比對比Fig.1 Comparison of single shot signal-to-noise ratio of different types of geophones

2.2 寬方位角觀測系統設計

試驗線束分別采用10 線5 炮和12 線15 炮的束狀觀測系統進行實驗對比（圖2），通過觀測系統的反射點均勻程度和方位角均勻分布特征對比，常規窄方位觀測系統的反射點排列片呈狹長的長條形，方位角分布均勻性較差，會產生靜校正耦合問題，不利于檢測與方位角有關的變化。而寬方位角觀測系統可以通過對比不同觀測系統的方位角和滿覆蓋次數的面元分布情況，認為示范區使用的12線15 炮的觀測系統形成的反射面元更為呈縱、橫向一致特性，對于常規的12 線4 炮和10 線5 炮的觀測系統的反射波面元趨于長方形的特征。

圖2 不同觀測系統線束布置與反射方位角分布Fig.2 Wire harness arrangement and reflection azimuth distribution of different observation systems

3 地面三維地震精細數據處理與構造識別理技術

3.1 雙系統地震數據處理技術

針對復雜地表地形地質條件變化劇烈特點，特別是原始單炮記錄初至波呈鋸齒狀跳動特點，為降低復雜地表變化對地震數據影響，采用Geoeast 和CGG 雙套地震數據處理系統，對觀測系統進行炮偏校正處理。數據處理中采用CGG 地震數據處理的層析靜校正技術，來降低地表起伏劇烈變化的影響；利用地表一致性剩余靜校正和全局尋優剩余靜校正技術，在精細拾取疊加速度，解決深度小構造剩余靜校正問題，增加解釋的準確度（圖3）。

圖3 單炮地震記錄靜校正前后對比Fig.3 Comparison of single shot seismic records before and after static correction

初至波網格層析靜校正技術能夠較好的解決復雜區靜校正問題，并計算出靜校正量。

全局尋優剩余靜校正技術利用最大能量法、模擬退火以及遺傳算法等三種方法，交替式迭代求取剩余靜校正量，將算法收斂迭代的次數大大減少。其基本思路是將最大能量法和模擬退火法產生的解作為遺傳算法的初始群體，使得群體中的個體針對性強，有效的控制了群體的規模，使搜索具有更高的效率；同時在遺傳算法演化后進行最大能量法和模擬退火法搜索，強化局部搜索能力，達到快速收斂到最優解的目的（圖4）。

圖4 剩余靜校正前后地震疊加時間剖面效果對比Fig.4 Comparison of seismic superposition time profile effect before and after residual static correction

3.2 疊加處理

首先對參與疊加的地震記錄道進行均衡處理并疊加，計算出疊加道的加權函數，并依據加權函數對疊加結果道進行加權；在輸出最終疊加剖面之前，利用前面計算出的均衡因子，采用中值法求出反均衡因子，對均衡后的疊加結果道進行反均衡處理，得到相對振幅保持疊加剖面（圖5）。

圖5 疊加處理前后效果對比Fig.5 Comparison of the effect before and after superposition processing

圖6 隨機去噪前后疊加時間剖面對比Fig.6 Comparison of superposition time profile before and after random denoising

4 斷層構造三維地震數據精細解釋技術與應用

以處理后的時間剖面為基線，結合波形、相干、譜分解等屬性切片進行判斷和識別。小斷層斷點精細識別依據有，反射波同相軸扭曲，地層產狀突然變化，同相軸連續性、光滑程度及振幅強弱變化。斷點在相鄰時間剖面上的傾向、傾角、落差、位置等顯示特征的相似性，結合時間水平切片，對每條斷層進行追蹤和控制。

多種的地震屬性中挑選出5 種，針對該區構造敏感的地震屬性進行地震屬性分析，小斷層在相干屬性、最小曲率屬性、負值曲率屬性切片上的平面發育特征也比較清晰。

5 結 論

礦井小構造作為礦井智能化、機械化開采中難于識別與分析的構造地質體，成為地面三維地震勘探任務和難點。針對多種復雜地表地形和地下地質條件區，運用多種綜合地震數據處理技術，得到了高質量的地震數據體。綜合利用三維地震勘探精細識別技術，對小斷層構造進行精細識別，得到了良好的效果。

（1）針對復雜地形地質條件地區，對比分析不同主頻的檢波器與數字檢波器的接收信號，表明數字檢波器在低頻帶內受干擾明顯，需要結合地震數據處理技術，突出低頻地震信號。

（2）采用高縱橫比的地震三維束狀觀測系統，可提高地震記錄的縱波空間部分特征，特別是對不同方向上的方位角均勻影響大，特別是煤層產狀較為平緩地段的三維地震勘探，采用高縱橫比的觀測系統，在提高施工效率同時增加地震記錄質量。

（3）復雜地形地質條件下的雙套地震數據處理系統的綜合應用，突出每種數據處理系統中某中數據處理優勢；同時，針對重要的靜校正處理采用全局尋優剩余靜校正處理技術，提高了地震數據處理質量和效率。

（4）針對小斷層構造斷點識別特征，運用多種地震屬性分析與評價技術，優選出相干屬性、最小曲率屬性、負值曲率屬性切片上的平面識別特征明顯有效、提高了小斷層識別精度。