采空區(qū)及其下部煤層地震勘探難點(diǎn)、對(duì)策與應(yīng)用研究

劉兆國(guó)，武磊彬

（安徽省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，安徽宿州234000）

采空區(qū)及其下部煤層地震勘探難點(diǎn)、對(duì)策與應(yīng)用研究

劉兆國(guó)*，武磊彬

（安徽省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，安徽宿州234000）

針對(duì)采空區(qū)及其下部煤層的地震勘探工作，分析了野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)、地震數(shù)據(jù)處理、資料解釋的難點(diǎn)，結(jié)合在山西某礦區(qū)的地震勘探工作實(shí)例，提出相對(duì)應(yīng)的解決方法、對(duì)策，在工程應(yīng)用中取得了滿意的勘探效果。

采空區(qū)及其下部煤層；地震勘探；難點(diǎn)與對(duì)策

過(guò)去一段時(shí)期的煤礦生產(chǎn)，因勘探技術(shù)、開(kāi)采技術(shù)、設(shè)備條件、成本因素等條件的制約，大部分地區(qū)只進(jìn)行了上部埋藏較淺、賦存條件較好的煤層開(kāi)采，對(duì)下部煤層沒(méi)有進(jìn)行有效的勘探、開(kāi)采利用。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭能源的供需矛盾日益突出，對(duì)下部煤層的勘探、開(kāi)采利用顯得日益迫切。因此，今后一個(gè)時(shí)期地震勘探的重要工作便是對(duì)采空區(qū)的分布情況、下部煤層的賦存構(gòu)造情況開(kāi)展有效的勘探工作，為后期接續(xù)能源的安全開(kāi)采提供可靠地質(zhì)依據(jù)。

在采空區(qū)及其下部煤層地震勘探中，由于受上部采空區(qū)的“屏蔽”，地震數(shù)據(jù)的采集、處理、資料解釋均受到嚴(yán)重影響，具體表現(xiàn)如下所述。

1 技術(shù)難點(diǎn)

（1）由于前期采煤活動(dòng)破壞了層狀地層，塌落的巖石、積水、空巷都會(huì)對(duì)地震反射波造成吸收和散射，使采空區(qū)及下部煤層反射波信噪比非常低；

（2）采空區(qū)地段由于地層介質(zhì)填充物變得松散，地震反射波高頻成分被大量吸收，嚴(yán)重影響了地震勘探的分辨率；

（3）根據(jù)地震勘探橫向分別率的概念，小于第一菲涅爾帶半徑的采空區(qū)難以分辨；

（4）采空區(qū)及其下部煤層地段，地震數(shù)據(jù)處理成像、歸位難度大，給地震數(shù)據(jù)處理的“高信噪比、高分辨率、高保真度”帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)；

（5）在地震資料解釋過(guò)程中，由于采空區(qū)填充物的速度異常，將影響到下部煤層的成像質(zhì)量，具體表現(xiàn)為“彎曲”、“下陷”等假褶曲現(xiàn)象，給解釋工作帶來(lái)困擾。

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，根據(jù)有關(guān)規(guī)范，并結(jié)合作者的工作實(shí)踐，總結(jié)如下的解決對(duì)策。

2 難點(diǎn)對(duì)策

（1）采用三維理論觀測(cè)系統(tǒng)圖進(jìn)行炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)設(shè)計(jì)。由于采空區(qū)及其下部煤層的反射波非常弱，為了得到較高信噪比的地震資料，在三維地震設(shè)計(jì)中，須確保有足夠的疊加次數(shù)（通常要求30次以上）、足夠方位角寬度、較小的CDP面元（一般采用5m×10m）；

（2）采空下部煤層由于埋藏較深，根據(jù)地震波反射原理，在保證動(dòng)校正拉伸畸變切除不影響有效波的情況下，可以適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)距曲線，盡量增加最大炮檢距，不但有利于下部煤層反射波的激發(fā)、接收，也利于采空區(qū)邊界位置的確定（見(jiàn)圖1）；

圖1 地震反射波傳播示意圖

（4）選用中低頻檢波器多個(gè)組合，采用動(dòng)態(tài)范圍較大的數(shù)字地震儀器，以利于接收頻率較低、信號(hào)弱的采空區(qū)及其下部煤層的反射波；

（5）在采空區(qū)地段的地震數(shù)據(jù)處理中，為了確保處理剖面的“高信噪比、高分辨率、高保真度”的最佳效果，以便利于采空區(qū)識(shí)別、下部煤層解釋?zhuān)攸c(diǎn)需要做好靜校正、速度分析、反褶積、常規(guī)偏移、疊前偏移等，特別是速度分析，要注意采空區(qū)位置的低速異常；

（6）在采空區(qū)地段，地震時(shí)間剖面上呈現(xiàn)為與煤層原始埋藏狀態(tài)不一致的反射波。具體表現(xiàn)為目的層反射波中斷、缺失，剖面面貌凌亂同時(shí)，運(yùn)用各種地震屬性技術(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比。在采空區(qū)下部煤層解釋時(shí)，通常出現(xiàn)目的層同相軸“彎曲”、“下陷”等假褶曲現(xiàn)象，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)應(yīng)地段的速度、速度譜能量情況，正確認(rèn)識(shí)和解釋?zhuān)荒芎?jiǎn)單地追蹤強(qiáng)相位（見(jiàn)圖2）。

圖2 采空區(qū)下部煤層假褶曲示意圖

3 應(yīng)用實(shí)例

山西某煤礦是國(guó)有大型礦業(yè)集團(tuán)整合若干個(gè)地方小礦而成，前期各小煤礦生產(chǎn)、管理極其混亂，淺部煤層破壞嚴(yán)重。為全面提高煤炭資源開(kāi)發(fā)利用水平，改善礦井安全生產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)一步提高礦井生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，做到合理利用和有效保護(hù)資源，該礦決定實(shí)施三維地震勘探，查明上部2#煤采空區(qū)分布情況，探明下部11#煤層的賦存及構(gòu)造形態(tài)。

3.1 地質(zhì)概況

該區(qū)揭露的地層由老到新有奧陶系、石炭系、二疊系、第四系，主要含煤地層為石炭西太原組（11#煤）、二疊系太原組（2#煤）。2#煤下距11#煤層間距為79.37～94.17m，平均87.87m，平均埋深100～200m。煤層厚度為0.70～2.52m，平均1.44m；位于太原組下段頂部的9、10、11號(hào)合并層，統(tǒng)稱(chēng)11#煤層，厚度為5.60～7.45m，平均6.71m，平均埋深200～300m。

3.2 三維地震勘探主要參數(shù)

觀測(cè)系統(tǒng)類(lèi)型：非縱規(guī)則束狀8線8炮中間激發(fā)（40C+40C）；接收道數(shù)：80×8=640道；接收線數(shù)：8條；接收道距：10m；接收線距：40m；疊加次數(shù)：8×4=32次（縱向8次，橫向4次）；地面采樣間隔：40m×10m；CDP網(wǎng)格：10m×5m；縱向最大炮檢距：395m；橫向最大炮檢距：210m；最大炮檢距：447.35m；縱向最小炮檢距：5m；橫向最小炮檢距：10m；最小炮檢距：11.18m；炮點(diǎn)網(wǎng)度：50m×20m；檢波點(diǎn)網(wǎng)度：10m×40m。

3.3 三維地震數(shù)據(jù)處理

在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合本區(qū)的地質(zhì)特征，通過(guò)對(duì)本區(qū)資料分析，為了達(dá)到“三高”的地震數(shù)據(jù)處理目的，重點(diǎn)加強(qiáng)以下幾個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)工作：

（1）做好疊前面波、聲波及隨機(jī)干擾消除。

（2）做好振幅恢復(fù)及補(bǔ)償處理工作。

（3）做好反褶積測(cè)試工作，在兼顧信噪比的前提下，盡最大限度提高地震資料的分辨率。

（4）特別須做好靜校正工作，徹底消除炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)及其他因素等產(chǎn)生的靜校正量的影響。

（5）由于目的層較淺，要特別做好初至、動(dòng)校正切除工作。

（6）做好常規(guī)速度分析和三維疊前時(shí)間偏移速度分析工作。扎實(shí)有效建立準(zhǔn)確的三維疊前時(shí)間偏移速度場(chǎng)。

（7）疊前時(shí)間偏移處理技術(shù)。疊后偏移要求輸入為自激自收剖面，而多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)下，只有基于地下介質(zhì)為水平層狀和各向同性，才可以通過(guò)水平疊加直接得到自激自收剖面。然而，地下地質(zhì)形態(tài)并非總是水平層狀，且本區(qū)采空區(qū)分布廣泛，嚴(yán)重破壞了介質(zhì)的各向同性，共中心點(diǎn)水平疊加技術(shù)在介質(zhì)有傾角時(shí)不但得不到自激自收剖面，反而會(huì)由于NMO的傾角濾波作用破壞有效信號(hào)。解決此問(wèn)題的辦法是直接進(jìn)行疊前偏移，這樣既避開(kāi)了地層傾角的影響，又實(shí)現(xiàn)了偏移歸位。

本次處理過(guò)程也試驗(yàn)了疊前時(shí)間偏移，采用了GEOcluster系統(tǒng)疊前克希霍夫繞射積分法疊前時(shí)間偏移方法。處理中通過(guò)對(duì)偏移孔徑、偏移角度等的測(cè)試來(lái)確定最佳偏移參數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，疊前時(shí)間偏移比疊后時(shí)間偏移斷點(diǎn)更清楚，信噪比更高，對(duì)構(gòu)造的分辨率也得以提高。

3.4 地震地質(zhì)成果

本次三維地震勘探共組合斷層共94條，其中可靠斷層35條，較可靠斷層19條，落差小于5m斷層40條。

（1）查明了勘探區(qū)內(nèi)落差3m以上的斷層。對(duì)落差3～5m的斷點(diǎn)做出解釋?zhuān)⒈M量給予了組合，共解釋斷層94條。

（2）查明了勘探區(qū)內(nèi)5m以上的褶曲，并查明了區(qū)域內(nèi)次級(jí)小褶曲，同時(shí)部分較小斷層與褶曲共生。

（3）查明了主要可采煤層2煤、11煤層的賦存狀態(tài)，編制了煤層底板等高線圖。

（4）預(yù)測(cè)了2煤、11煤煤層厚度變化趨勢(shì)，共解釋了6個(gè)陷落柱。

（5）基本查明了測(cè)區(qū)內(nèi)老窯采空區(qū)分布（見(jiàn)圖3、圖4）。

圖3 時(shí)間剖面上采空區(qū)的解釋

圖4 2#煤層采空區(qū)分布圖（填充部分為采空區(qū)）

4 結(jié)束語(yǔ)

采空區(qū)及其下組煤層勘探是煤礦安全生產(chǎn)迫切需要解決的技術(shù)難題，采用高覆蓋、寬方位角、小面元、中低頻檢波器采集方法；數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，做好靜校正、速度分析、反褶積、常規(guī)偏移、疊前偏移等，特別注意采空區(qū)位置的低速異常；在資料解釋方面，充分運(yùn)用各種地震屬性技術(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比，重視目的層同相軸“彎曲”、“下陷”等假褶曲現(xiàn)象，不能簡(jiǎn)單地追蹤強(qiáng)相位。本次三維地震勘探所解釋的采空區(qū)、下組煤構(gòu)造，在后續(xù)煤礦整合地質(zhì)調(diào)查、開(kāi)采中得了很好的驗(yàn)證。證明了三維地震勘探探測(cè)采空區(qū)及其下組煤層是可行的，值得在各老礦區(qū)、資源整合煤礦推廣應(yīng)用。

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TD82

A

1004-5716(2015)01-0101-04

2014-02-19

2014-03-03

劉兆國(guó)（1974-），男（漢族），四川廣安人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地震勘探工作。