復雜地表淺埋煤層三維地震勘探技術及應用

摘 要：以山西某三維地震勘探區為例，分析了復雜地表條件下淺埋煤層區地震勘探存在的技術難點。采用小道距、高覆蓋次數、高速層激發等措施，應用層析靜校正技術、振幅一致性補償和地表一致性反褶積等處理技術及人機交互式動態解釋和屬性分析技術，得到了高品質地震資料和豐富的地質成果并得到鉆探、巷探和采掘資料的驗證，表明三維地震勘探適用于復雜淺埋區采空區的探測。

關鍵詞：三維地震勘探；采空區；淺埋煤層；屬性分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.035

0 引言

隨著國家煤炭企業兼并重組與煤炭資源整合政策的實施，老窯采空區成為國有大型煤礦安全開采所面臨的最為嚴重的潛在隱患之一。據不完全統計，老空區突水占礦井水害的88%以上。受經濟利益的驅動，小煤窯亂采亂掘，越界開采現象嚴重，小煤窯采空區位置分布的不規則性和不確定性，特別是小煤窯開采中遺留的采空區，沒有準確的采空區位置，影響著煤礦綜采工作面的布置，給煤礦的安全生產留下了巨大的隱患。如未預先探明小煤窯采空區的分布，往往會導致突發的煤礦透水事故和有害氣體中毒事故，成為煤礦安全生產的巨大隱患，因此，探明小窯采空區的分布位置和范圍具有重大的意義[1-5]。 五家溝煤礦周邊分布有較多年代久遠的老窯采空區，嚴重影響著該礦的安全生產，為煤礦安全生產提供地質保障，本文應用三維地震勘探技術，探查了小煤窯采空區的范圍。通過鉆探驗證，應用效果良好。

1 概況

研究區位于勘探區地處洪濤山脈西側，地形較為復雜，地表大面積被第四系黃土覆蓋，局部溝谷地段有基巖零星出露。通行困難，影響施工。第四系黃土覆蓋不均，較難選擇一個統一的激發深度，同時黃土土質松散，波速低，造成地震波能量衰減很快，對激發和接收有不利影響。地層主要有中下太古界集寧群，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界上第三系、第四系。含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。主要可采5號煤層，平均厚度10m，埋深100～290m。煤與圍巖物性差異較大，煤層與圍巖界面為良好的反射界面，但大部分地段埋深很淺，不利于避開面波干擾。此外，由于含煤段煤層層數多，層間間距小，各煤層反射波相互干涉，很難將其分開，也有可能造成煤層反射波的相削或相干加強，給處理和解釋工作造成很大困難，地震地質條件應屬一般。

2 淺埋煤層地震勘探難點

（1）地表復雜。研究區位于黃土區，地形起伏大、溝深坡陡，通行困難，給地震施工造成較大困難。區農田、果樹及村莊比較密集，還有許多廢棄的窯洞，給檢波器的布設帶來一定的困難。

（2）煤層多、埋藏淺、間距小。勘探區內共有煤層14層，主要可采煤層有5號煤層（5-1和5煤層）和8號煤層（8-1和8煤層），5-1號煤層厚度1.80～10.07m，埋深95.35～285.87m。5號煤層厚度1.10～16.76m，埋深101.85～290.30m。8-1號煤層厚度0.50～2.88m，埋深112.70～305.96m。8號煤層厚度0.75～2.55m，埋深115.40～317.88m。煤層間距在0～20m，常規地震勘探的分辨率很難達到。

（3）地震波吸收衰減嚴重。研究區地表被第四系干燥、松散黃土覆蓋層，厚度不均，不僅對地震有效波特別是高頻信息的吸收衰減作用較為強烈，還出現明顯的多次波、面波、側面波等干擾，造成深層反射波的信噪比降低，成像模糊，影響地質成果分析。

3 淺埋煤層地震勘探技術對策

3.1 野外采集

（1）三維觀測系統設計。采用小道距，小排列接收，確保目的層不發生畸變。綜合分析勘探區地表條件、煤層埋深情況和地質任務要求，采用10線4炮制觀測系統，具體參數如下：線距20m，道距10m，70道/線，CDP網格5m×10m，覆蓋次數28次，束距100m。

（2）選擇良好的激發層位。在厚黃土區，激發層位為紅黏土中；在基巖區，采用風鉆成孔，井深在2～3m；在過渡區，成孔至基巖面1m以下（井深不低于3m）。

（3）結合地質任務，提前野外踏勘。充分了解工區地表條件和障礙物分布范圍，利用三維地震觀測系統的設計與監控軟件，提前進行設計與模擬，保證全區得到相對均勻的覆蓋次數。

（4）加強質量監控。由于復雜地形影響歪曲了反射波的形態，強干擾掩蓋了目的層反射波的面目，依靠常規經驗的評判標準難以準確衡量野外監視記錄的質量，有必要借助于現場處理監控，來加強現場質量的監控，根據監控的結果，指導后續的采集工作，確保獲得的野外資料具有較高的信噪比。

3.2 資料處理

（1）精細靜校正。靜校正是地震資料處理中的關鍵環節之一。靜校正的正確性直接關系到疊加剖面的品質，針對本區的特點，處理處理中采用層析靜校正方法，該方法利用層析反演的方法提取近地表速度模型，在此基礎上求取高精度的炮點和檢波點靜校正量[6-9]，更真實的反映地下構造。

（2）地表一致性補償。由于大地濾波的作用，地震波在傳播過程中能量衰減很多，尤其高頻成份損失嚴重。另外，震源能量差異、檢波器藕合差異也會對有效波振幅產生不利影響，導致接收到的振幅不能真實地反映地下介質的動力學特征及相互差異，采用地表一致性振幅補償對地震波能量加以恢復，使得淺、中、深空間能量得到了較好恢復。

（3）地表一致性反褶積，提高地震資料的主頻，進而提高地震資料的分辨率。

（4）分頻去噪。通過對將地震信號分解成不同的頻率段，通過搜索不同頻率段的異常振幅來去除異常大振幅噪音，該方法對地震波的振幅完全沒有損害，是一種非常保幅的去噪方法。

3.3 資料解釋

資料解釋中采用人機交互式動態解釋，利用常規縱橫剖面結合多屬性綜合方法圈定采空區范圍（圖2），結合采空區發育的地質特征及其地震響應，利用屬性分析驗證解釋結果。

利用沿煤層的層間地震統計特征更有利于對煤層采空區等異常地質體的識別。根據時間求取的屬性有助于分辨構造細節。波形的弧長屬性便于分析小斷層、采空區。頻率屬性有助于揭示額外的地質分層和巖性特點，進而識別本區采空區、陷落柱、異常區。統計類的方差體技術，凸現構造異常，幫助我們快速確定采空區、陷落柱、異常區。混合屬性包含了振幅和頻率成分，因此有利于地震反射波特征的測量。針對研究區的特征共提取了振幅、頻率、相位等的屬性圖。經過對比優化分析，采用總振幅（Sum_Amplitude）屬性時，采空區邊界顯著，易辯認確定（圖2）。圖中粉紅色地區代表對應數值比較低，是采空區分布區。

4 地質成果與驗證情況

本次地震資料的信噪比較高，通過合理的施工、處理流程及處理模塊，特別是應用層析靜校正方法，選擇人機交互式動態解釋與屬性分析，取得了良好的應用效果，獲得了豐富的地質成果：解釋斷層45條，均為正斷層，發現了陷落柱5個，圈定采空區21處。

資料解釋過程中，在5206工作面切眼以東，發現DX2陷落柱，五家溝煤礦對該陷落柱進行井下驗證，結果顯示，該陷落柱確實存在，平面位置大小與地震勘探解釋成果基本一致，平面位置向西北方向偏擺10m（圖4），其中藍色為地震勘探解釋陷落柱范圍，紅色為鉆探驗證陷落柱范圍。

在5206工作面主運順槽巷道掘進中，距離設計切眼位置1320m處揭露一斷點，該斷點落差為13m，傾向SSE。地震勘探解釋結果中，距離設計切眼位置1310m左右處，DF27斷層經過，該位置處，DF27斷層落差20m，走向SWW，傾向SSE。地震勘探結果與實際揭露結果基本一致（圖5），其中紅色為地震勘探解釋結果，藍色為巷道掘進中實際揭露點。

5 結論

淺埋煤層黃土區開展三維地震勘探，會面臨到表層條件復雜，小煤窯分布多而亂；煤層埋深淺且間距小；厚薄不一的松散干黃土對高頻地震波的強烈吸收作用等不利條件。本次三維地震勘探在充分分析存在的難題，并在此基礎上采取針對性的技術對策。小道距、小線距、高覆蓋次數和高速層中激發是基礎。合理的處理流程和關鍵性的處理模塊是取得高品質資料的保證。綜合運用人機交互式動態解釋和地震屬性解釋技術是準確圈定小窯采空區和控制小斷層有效的解釋方法。實際資料表明，在淺埋煤層區進行三維地震勘探探測采空區取得了一定的應用效果，為煤礦的正常生產秩序和安全高效開采提供了可靠的地質資料。

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作者簡介：凌國慶（1982-），男，工程師，主要從事地震勘探工作。