三維地震勘探技術應用于韓城桑樹坪井田采空區探測的方法研究

2015-12-16 11:58:41劉芳曉趙祿順李元杰王曉亮

西部探礦工程 2015年2期

劉芳曉，趙祿順，李元杰，王曉亮

（中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

劉芳曉*，趙祿順，李元杰，王曉亮

（中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

以韓城桑樹坪井田為例，從數據采集、處理和解釋三個環節介紹了三維地震勘探技術在采空區探測的應用，突出時間剖面解釋和切片屬性分析在采空區判斷和范圍劃分的重要性，為地面探測復雜地形地區煤礦采空區提供了方法依據。

三維地震勘探；采空區；時間剖面；屬性分析

當前由于煤礦采空區導致的安全生產和生態環境保護問題日益嚴重，對采空區進行探測和治理已經引起國內外學者和政府部門的高度重視。準確圈定采空區，不僅能夠為采空區的科學的處理爭取時間，還可以最大限度地減小采空區對環境的破壞，避免各種經濟損失。但是由于煤礦開采前期資料的匱乏以及長期以來小煤窯的亂采亂挖，使得采空區形態復雜，無章可循，通過地面地質調查和鉆探工程無法準確探明采空區的形態和位置。而物探工作者針對煤礦采空區相繼開展了重磁、電法、放射性、二維地震等勘探方法的生產和研究，取得了很多實用性的成果，但由于受各種地球物理方法的探測機理、分辨能力、假設條件及影響因素的限制，其探測效果也不盡相同，往往難以取得理想的地質效果。近年來，三維地震勘探技術的推廣應用，以其獨具的信息量大、分辨率高、控制網度密等優點，使得探測地下幾百米深的直徑幾十米甚至更小的采空區成為可能。

韓城桑樹坪井田及周邊小煤窯較多，小煤窯的無序開采直接影響到桑樹坪煤礦的工作面布置和巷道的掘進安全，同時嚴重破壞了當地的生態環境。本文以韓城桑樹坪井田為例，論述三維地震勘探技術應用于煤礦采空區探測的實用性和可行性，該成果為該煤礦的生產設計、安全生產以及生態環境保護提供了可靠的地質依據。

1 井田概況

韓城桑樹坪井田位于陜西渭北石炭—二疊紀煤田東部邊緣。渭北煤田的大地構造位置在不同地質歷史時期，隨區域大地構造背景的演化而改變。古生代，渭北煤田位于華北板塊西南緣；中生代，渭北煤田位于鄂爾多斯盆地東南緣；新生代以來，渭北煤田位于汾渭地塹西北緣。因此，自石炭-二疊紀煤系沉積以來，渭北煤田經歷了多次不同性質、不同方向的構造變動。

井田范圍內，出露地層由老到新依次為：奧陶系中統馬家溝組、峰峰組，石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組，下石盒子組，上統上石盒子組、石千峰組及第四系。其中井田的含煤地層為上石炭統太原組和下二疊統山西組。太原組厚度43.01～112.61m，平均61.71m，共含煤8層，其中僅位于該組中下部的11號煤層為主要可采煤層，煤層平均厚度3.50m。山西組厚度49.83～100.68m，平均61.49m。該組共含煤5層，其中3號煤層為主要可采煤層，2號煤層為局部可采煤層，可釆煤層總平均厚度為7.21m。

2 地球物理特征

2.1 表層地震地質條件

測區內溝谷縱橫，多呈“V”形地貌，地形高差較大。地表出露的二疊系紅色泥質砂巖地層常形成較陡的滑坡，粉砂巖區多形成深溝或者懸崖峭壁以及崩塌堆積場，攀越困難。區內村莊和花椒樹地較多，影響激發接收效果和地震測線的布置。表層地震地質條件較差。

2.2 淺層地震地質條件

測區內基巖和黃土塬均有分布，基巖出露較多。基巖能夠較好地傳播地震波，能量損失較小，激發效果較好。黃土塬的黃土對地震波有較強的吸收散射和低通濾波作用，降低了地震波的能量和頻率，激發效果不佳。因此淺層地震地質條件較好。

2.3 深層地震地質條件

測區內地層自下而上有中奧陶統下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組，石炭系中上統本溪組及太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組，二疊系上統上石盒子組、石千峰組及第四系更新統和全新統。含煤地層為石炭—二疊系，煤層頂、底板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等，其飽和抗壓強度均小于30MPa，屬于軟弱巖石，二者之間波阻抗差異較大，具有形成反射波的良好條件。但測區局部的3煤層已經開采，可能對11煤層、奧灰的反射波形成存在較大影響。

綜上所述，本區表層地震地質條件較差，淺、深層地震地質條件相對較好。

3 地震數據野外采集和處理

3.1 地震數據野外采集

通過試驗工作確定了地震數據野外采集參數。野外觀測系統采用8線8炮制（圖1），單線96道中點放炮，道間距10m，線距40m，炮排距80m，CDP網格為5m（縱向）×10m（橫向），疊加次數24次(橫向4次，縱向6次)，最小非縱距10m；激發條件為單井激發，厚黃土覆蓋區，鉆孔打到粘土層中，藥量3.0kg；薄黃土覆蓋區，鉆孔打到基巖面或粘土層，藥量2.0kg；基巖出露區，井深4m，藥量1.5kg；檢波器采用60Hz二串二并堆放插置；儀器使用加拿大產ARIES遙測數字地震儀，記錄的數據格式為SEG-Y，儀器前放增益用24dB，0～500Hz全頻帶接收，采樣間隔1ms，記錄長度1.5s。線束方向布置遵循一般垂直地層走向和主要構造走向的原則，呈東西向布置。

圖1 8線8炮制觀測系統示意圖

3.2 地震數據處理

本次地震資料處理是在我公司Sun BIade2000工作站上進行，使用了多套大型處理軟件，本著“高信噪比、高分辨率、高保真度”的原則，加強對處理模塊和參數的反復試驗，確定了本次地震資料處理流程。

3.2.1 初至折射靜校正

由于地表高程及地表低（降）速帶厚度、速度的橫向變化使得地震波旅行時差會對信號的疊加效果產生一定的不利影響，致使反射波同相軸信噪比下降、頻率降低。應用合適的靜校正模塊和參數，可以消除這種時差，確保疊加剖面的質量。測區屬典型復雜山區，最低高程481.99m，最高高程919.61m，最大高差為437.62m，地表低、降速帶地層的橫向變化較大。經過對比試驗，初至折射校正法可以較好解決該地區的靜校正問題。

3.2.2 反褶積技術

為了消除大地的濾波作用，拓寬頻帶，壓縮地震子波，提高地震資料的縱向分辨率，經大量的測試對比后，選擇了地表一致性預測反褶積。該方法是基于地震子波可以被分解為共炮點、共接收點、共偏移距、共反射點等多種成份的思想，它不僅能壓縮地震子波，而且能進一步消除地表條件的變化對地震波的振幅特性和相位特性的影響，同時對多次波也有壓制作用。由于反褶積在提高分辨率的同時將會降低資料信噪比，所以處理時在保證資料信噪比的情況下再提高分辨率。經對比分析，最終選定的處理參數為：預測步長8ms，算子長度150ms。

3.2.3 速度分析和剩余靜校正

速度分析的精度和剩余靜校正的準確程度是相互影響的，為求取更準確的疊加速度場，必須求取準確的剩余靜校正量。剩余靜校正的求取是在給定的條帶、時窗、傾角范圍內，在縱橫兩個方向進行傾角調查形成模型道，在共炮點道集和共檢波點道集做互相關，求取每個炮點、檢波點的剩余靜校正量，因此在選擇時窗時要對層位的拾取進行試驗。剩余靜校正和速度分析是一個反復迭代的過程，迭代的次數在一定程度上影響著處理的精度。在本次資料處理過程中，進行了3次迭代分析，剩余靜校正后剖面目的層同相軸連續性明顯提高，剖面質量得到了明顯改善。

3.2.4 疊后去噪

疊后去噪是利用相鄰地震道之間的反射波具有相似性而干擾波不具有相似性的這種特點使相干波得以加強的處理方法。利用相關函數測定2個以上記錄道時間序列的相似程度，按相似程度的大小對記錄進行加權，使得相似性好的波得以加強。本次資料處理選擇多項式擬合方法來提高疊后信噪比。提高信噪比的同時影響剖面的分辨率，在疊后采用譜白化方法進一步提高頻率，得到高分辨高信噪比資料。

3.2.5 三維偏移

三維偏移的主要目的是消除地下傾斜界面對反射波的影響，使之成像歸位到真實的反射界面位置上去，從而正確地反映地下形態和構造變化情況。有限差分偏移的效果主要決定于偏移速度，我們選用疊加速度經過轉換建立偏移速度模型，并進行了反復測試和調整。用人工剔除奇異值，采用機器自身平滑，對速度的百分比進行偏移試驗。經對比，95%的偏移效果較好。

4 采空區的時間剖面特征和切片屬性特征分析

4.1 采空區的時間剖面特征

三維地震勘探成果包含了豐富的地質信息，其中包含采空區的地質信息，用來解釋煤層的采空區范圍。在時間剖面上采空區表現有3種現象，其一是煤層反射波變弱，在采空區邊界處反射波同相軸頻率和產狀發生突變，在采空區內部反射波同相軸不連續且雜亂無章；其二是煤層反射波同相軸的變弱，頻率和產狀變化較大，與周圍非采空區煤層反射波存在明顯差別，而且煤層反射波之下的層位反射波同相軸增強，頻率和產狀突變，從整張剖面來看無采空區的地段煤層反射波較強，其下伏層位反射波很弱，而有采空區的地段煤層反射波同相軸表現微弱，其下伏層位反射波同相軸較強，形成明顯反差；其三在地震時間剖面上表現為煤層反射波缺失。

以韓城桑樹坪井田為例，根據前人資料和礦方提供的采掘工程資料得知，井田內部，3號煤層正常采掘范圍比較集中，2號煤層和3號煤層的老窯采空區比較分散。本次三維地震勘探圈定了采空區主要位于測區的東部以及中南部。根據采空區在三維地震勘探資料上的顯示特征（圖2、圖3），解釋了采空區的范圍，面積約0.98km2。

圖2 采空區在Croossline444線時間剖面上的顯示

4.2 采空區的切片屬性特征

地震屬性技術的關鍵在于屬性提取，提取方式包括同相軸屬性提取和數據體屬性提取。同相軸屬性是與某個界面有關的地震屬性，具體提取方法包括瞬時提取法、單道分時窗提取法和多道分時窗提取法。

利用地震屬性分析，有利于采空區邊界的界定，利用Geoframe解釋軟件，提取了26種地震屬性，選擇了對采空區反映較好的弧長、均方根振幅、最大振幅和能量和四種地震屬性參與了解釋，對采空區范圍的判別和劃分起到了很好的輔助解釋作用。

5 結論

三維地震勘探技術應用于韓城桑樹坪井田采空區探測獲得了很好的效果，諸多成果得到了鉆孔和實際采掘工程的驗證，進而在三維地震勘探技術應用于復雜地形采空區勘探領域取得了重要的技術和生產經驗。尤其值得注意的是，在數據解釋方面，時間剖面解釋和切片屬性分析在采空區判斷和范圍劃分具有同等重要的地位，二者相輔相成，兼顧彼此是提高采空區解釋精度的關鍵。