井地層析成像法地震勘探在神寶能源公司露天煤礦的應用

張東風，張潤廷，繆衛峰

(神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦，內蒙古呼倫貝爾021025)

井地層析成像法地震勘探在神寶能源公司露天煤礦的應用

張東風*，張潤廷，繆衛峰

(神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦，內蒙古呼倫貝爾021025)

神寶能源公司露天煤礦由于歷史原因，地方小窯無序濫采濫挖，且開采方式為不負責任的“扒大窯”式的開采，頂板沒有任何支護。隨著時間的推移，一部分采空區頂板在各種壓力的作用下自然塌陷，在地表形成漏斗狀的塌陷坑，而一部分采空區依然“懸而未漏”，這些采空區無任何資料記載，且位于露天煤礦采場內及端幫運輸道路上，嚴重威脅著神寶能源公司露天煤礦的安全生產，主要論述了井地地震層析成像技術在神寶能源公司露天煤礦采空區勘探的應用。

采空區井地層析法地震勘探

1 概述

神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦，由于歷史原因，地方小窯無序濫采濫挖，頂板沒有任何支護，這些采空區無任何資料記載且位于露天煤礦采場內及端幫運輸道路上，嚴重威脅著神寶能源公司露天煤礦的安全生產[1]。

同時，神寶露天煤礦采空區的深度較淺，對于淺層地震勘探，一方面反射波信號容易被面波干擾，另一方面淺層反射波和折射波同相軸靠的較近，在地震剖面解釋時容易混淆,常規地震勘探效果自然不是很理想。針對神寶露天煤礦特殊的地質條件與小窯采空區高精度的探測要求，擬采用井地地震層析成像勘探方法。

2 井地地震層析成像方法原理

2.1 井地地震方法

井地地震方法（RVSP）[2-3]產生的地震剖面類似于常規VSP，但RVSP的資料采集比較迅速和經濟。常規VSP的震源位于地面，檢波器置于井中，而RVSP的震源置于井中，檢波器位于地面。

井地地震是在井間地震方法基礎上提出的設計思想。井間地震是以一口井內激發另一口井內接收的方式，利用地震波穿過巖層介質時其走時、頻率、振幅及波形等物理量的變化，通過層析成像技術得到地層內部物性參數分布圖像的一種方法，已在不同領域得到廣泛應用，數據采集方法和處理手段也比較成熟[5-6]。但由于井間地震觀測方式的局限性，使得其研究范圍固定在井孔與井孔之間的剖面上，對于井孔周圍的其他區域由于沒有直接的地震信息，無法推斷周圍地質構造情況；如果井孔間距遠遠大于井孔深度，井孔間地震波傳播射線大多是水平或近水平的，由前人對不同地質模型反演結果表明，井間地震觀測系統覆蓋區域面上的垂向分辨率就比較低。不少專家和學者提出了提高垂向分辨率辦法：增加垂向或近垂向的射線數量以提高覆蓋區域面上的垂向分辨率[7-8]。

井地地震改善了上述井間地震觀測方法的缺陷，選擇一井孔作為接收井，在井孔四周設計一個盡可能大的激發區域，在工作量一定的情況下，為了保證探測目標上最大覆蓋次數和覆蓋的均勻性，提高目標層上的成像分辨率，考慮了增大離井口較遠的炮檢距，減小井口附近炮間距，但偏移距不能太大，以防止其他續至波對初至波的干擾。井地地震方法原理如圖1所示。

2.2 層析成像

地震波透射層析成像是利用地震波對于地質體的透射投影，來重新構成地質體內部地震波速度的分布形態，根據地震波速度與地質體的對應關系，進行巖體的分類和評價。

地震波速度和巖體特性一般都具有較好的對應關系，致密完整的巖體地震波速度較高，而疏松破碎的巖體地震波速度較低。對于整個圍巖而言，當其是均勻介質時（沒有異常體），地震波的穿透速度是單一的，當有低速介質存在時（視為異常體），地震波穿透這些低速介質時則產生時間差（旅行時增加）。根據一條射線所產生的時間差來判別低速介質的具體位置是困難的，因為它的位置可能在整個射線的任何一處，這時如果再有另一條（或多條）射線在同一低速介質中穿透，則這一低速介質就具有了一定的限定，采用相互交叉的致密射線穿透網絡，對低速介質在空間上具較強的限定，層析成像就是利用適當的反演計算方法構制速度圖像，從而獲得低速介質的分布位置。層析成像技術能夠通過接收炮點與檢波點之間的地震波旅行時，利用計算機技術反演得到勘探區域的速度結構，從而為解決此問題提供了一個切實可行的方法。

圖1 井地層析成像方法原理示意圖

3 應用實例分析

3.1 井地地震野外施工

圖2 測線布置圖

如圖2所示，本次井地地震勘探工作野外施工鉆孔4個，編號為ZK1、ZK2、ZK3和ZK4，根據工區內的鉆孔的柱狀圖，從可以看到，ZK1、ZK4未見采空區，ZK2、ZK3均發現采空。

施工過程中采取孔中炸藥激發、地面接收的方式，地面沿東西向鋪設10條平行測線，共407道，道距近孔端為10m，遠孔端為5m。在孔中自5#煤層以下向上激發，每次提升5m，總共激發100炮。具體觀測系統設計如圖3所示。

圖3 觀測系統俯視圖

3.2 資料分析

原始資料如圖4所示，從圖4中我們可以看到記錄初至清晰，面貌良好信噪比及分辨率較高。

在對資料初至進行反復多次拾取以保證精度后，根據實際地質資料經試驗后確定800m/s作為本區層析反演的初始速度模型，速度約束范圍為800～3000m/s，網格采用5m×5m×5m進行層析反演，得到的三維速度場反演結果縱向分層較好，橫向上具有連續性，與地質資料吻合較好。

采用的井孔—地面多孔聯合層析成像方法是地面接收，多孔依次激發，一次反演成像，具有施工方便、精度高的特點，最終得到的三維數據體，可提取任意方向切片，方便解釋工作，實現了對采空異常體的準確定位。

對層析反演結果沿測線方向提取2個剖面圖如圖5所示，由剖面圖可見縱向上速度遞變明顯，橫向上成層性較好，速度異常區域也較顯著，從圖5中我們可以看到速度異常區域明顯直觀，精度高，與實際鉆孔資料相吻合。在鉆孔ZK2、ZK3處有明顯的低速異常，在與鉆孔ZK2、ZK3處未見低速異常，鉆孔資料相吻合。

4 結束語

通過井地CT方法在神寶露天煤礦的應用，提出疑似采空區8個，通過對勘探處的疑似采空區位置進行打鉆驗證，經鉆探驗證發現6個采空區，準確率為75%，并及時進行了治理，消除安全隱患。

圖4 原始資料圖

圖5 反演結果剖面圖

在實際的采空區勘探過程中根據要探測的采空區的大小，要求地球物理方法探測采空區要有很高的分辨率。地球物理方法的分辨率取決于目標體的埋藏深度，越淺分辨率越高。為此要在不同的階段采用不同的地球物理方法，采空區的勘查和治理應該是一個動態過程。

采空區的探測是一項十分困難的工作，本區由于小煤窯開采方式多采用房柱式，采空區的存在形式有冒落、空洞、部分冒落和巷道等，對采空區的存在形式確定有較大難度。單一的物探方法很難達到勘探目的，可采用多種物探方法與鉆探方法相結合的方法來進行采空區的勘探，從而提高采空區勘探準確性，消除安全隱患。

[1]內蒙古煤礦設計研究院.神寶能源公司露天煤礦改擴建可行性研究報告[R].2010.

[2]胡明順.井地地震CT成像數值模擬研究與應用[J].地球物理學進展，2009（4）.

[3]李紅立.井地地震CT技術及其應用[J].煤田地質與勘探，2008（3）.

[5]裴正林.井間地震層析成像應用研究[J].勘察科學技術,2001 (2)：56-57.

[6]劉躍華，趙殿棟，于世煥，等.井間地震野外采集方法試驗研究[J].石油物探,1999,38(4)：74-75.

[7]陳國金，曹輝，吳永檢，等.最短路徑層析成像技術在井間地震中的應用[J].石油物探,2004,43(4)：327-330.

[8]宋煒，羅大清，吳律，等.雙井與地面數據集的透射與反射層析成像[J].石油地球物理勘探,1999,34(2)：149-154.

P631.4

B

1004-5716(2015)03-0153-04

2014-07-03

2014-08-07

張東風（1962-），男（漢族），山東德州人，高級工程師，現從事露天煤礦采礦、經濟、安全管理工作。