復(fù)雜地質(zhì)煤礦中三維地震動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)及應(yīng)用

李 忠

(大同煤礦集團(tuán) 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101)

·試驗(yàn)研究·

復(fù)雜地質(zhì)煤礦中三維地震動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)及應(yīng)用

李 忠

(大同煤礦集團(tuán) 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101)

針對(duì)常規(guī)三維地震解釋在復(fù)雜地質(zhì)條件采掘過程中地震信息利用率較低的情況，提出三維地震動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)。以同發(fā)東周窯煤礦為工程背景，對(duì)三維地震部分區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)解釋分析，為5200工作面的布置及工作面平巷掘進(jìn)進(jìn)行精細(xì)解釋、實(shí)時(shí)導(dǎo)向，提高了三維地震信息利用水平。通過實(shí)踐可知，三維地震動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)能夠?yàn)閺?fù)雜地質(zhì)礦井準(zhǔn)確有效地解決地質(zhì)問題，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

復(fù)雜地質(zhì)煤層；三維地震；動(dòng)態(tài)解釋

近年來，三維地震勘探技術(shù)在煤礦得到了廣泛的應(yīng)用，其成果包含了地下構(gòu)造及巖性信息，為煤礦勘探提供了理論基礎(chǔ)；且與其他勘探方法相比，其勘探周期短、精度高，因此在煤礦勘探階段得到普遍認(rèn)可[1-4]. 但在煤礦采掘過程中，特別是復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件的礦井，為保證安全高效生產(chǎn)，采區(qū)內(nèi)小斷層、陷落柱、異常區(qū)、火成巖侵入?yún)^(qū)、煤厚變化帶等重要地質(zhì)構(gòu)造亟待查明，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)導(dǎo)向采掘工作面就顯得尤為重要[5-6].

然而，常規(guī)三維地震在煤礦實(shí)踐應(yīng)用中存在諸多問題，造成地震資料與實(shí)踐不能完全結(jié)合，成果利用率低，不能充分指導(dǎo)采掘工程。

1 煤礦常規(guī)三維地震資料應(yīng)用存在的問題

1) 地震成果利用率低，成果一般為煤層底板等高線圖和固定間距的地震時(shí)間剖面，無法有效利用三維地震數(shù)據(jù)體的所有信息。

2) 地震成果與礦井實(shí)踐結(jié)合度低，無法獲得任意方向的地震剖面，以對(duì)具體采掘進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)向。

3) 三維地震解釋一般僅保證查明5 m以上斷層，但在掘進(jìn)和回采過程中，5 m以下斷層仍嚴(yán)重影響采掘工程。

4) 解釋成果中的煤層底板等高線存在一定誤差，采掘工程中會(huì)實(shí)際揭露具體標(biāo)高，但無法與實(shí)際地質(zhì)信息結(jié)合而自動(dòng)修正煤層底板等高線圖。

因此，提高三維地震成果利用水平，發(fā)展煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)十分必要，以便更準(zhǔn)確有效地解決地質(zhì)問題。

2 三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)

三維地震動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)主要依靠三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)基于SUN工作站，利用GeoFrame軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理。動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理、地震解釋平臺(tái)、地震屬性技術(shù)、工業(yè)化成圖等4個(gè)主要模塊，其功能主要有：

1) 數(shù)據(jù)管理模塊。包括：a) 地質(zhì)鉆孔資料的管理。b) 煤礦采掘工作面坐標(biāo)的加載。

2) 地震解釋模塊。包括：a) 三維工區(qū)管理。b) 地震數(shù)據(jù)底圖及時(shí)間剖面的顯示。c) 地震標(biāo)準(zhǔn)層位追蹤。d) 構(gòu)造解釋。

3) 地震屬性技術(shù)。包括數(shù)據(jù)的方差體屬性、振幅屬性、螞蟻體屬性、傾角屬性等技術(shù)。

4) 工業(yè)化成圖模塊。包括：a) 輸出任意比例的底板等高線圖。b) 生成橫豎方向不同比例的任意方向地質(zhì)剖面圖。c) 地震數(shù)據(jù)三維可視化顯示。

三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1) 系統(tǒng)功能完備。a) 結(jié)合方差體、螞蟻體等技術(shù)進(jìn)行5 m以下小斷層、小褶曲解釋。b) 根據(jù)采掘需求，生成任意方向地震時(shí)間剖面及地質(zhì)剖面，進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)向。c) 可結(jié)合采掘揭露煤層底板具體標(biāo)高，生成及修正底板等高線圖。

2) 系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可操作性強(qiáng)。可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，便于礦井地質(zhì)人員實(shí)時(shí)操作。

綜上所述，三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)可完全解決常規(guī)三維地震資料應(yīng)用存在的問題，為復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦提供準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的地質(zhì)信息。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 應(yīng)用背景

同發(fā)東周窯井田位于山西省左云縣東，東起東周窯村，西至左云縣城東，北起云西堡村，南至井兒溝村，東西長(zhǎng)15.8 km，南北寬14.4 km，面積119.128 8 km2，主采石炭系5#煤層，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量1 000萬t，礦井服務(wù)年限96.8年，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，火成巖侵入嚴(yán)重。

依據(jù)井田西北部面積約10 km2的常規(guī)三維地震解釋，選取部分區(qū)域作為工程實(shí)例。在DF13(H=18～36 m)與DF30(H=57 m)之間的區(qū)域僅有3條H=0～8 m的可靠斷層(其中一條可靠，兩條疑似)，一個(gè)疑似陷落柱，因此布置3個(gè)工作面較可行，對(duì)石炭系5#煤層進(jìn)行回采，見圖1.

圖1 5#煤層三維地震勘探成果局部圖

3.2 結(jié)合屬性分析小構(gòu)造

礦井采掘過程時(shí)，落差5 m以下的斷層仍對(duì)采掘工程影響較大，會(huì)造成煤巷不能高效掘進(jìn)，回采工作面推進(jìn)速度減緩等問題。因此，有必要通過三維地震動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行高精度解釋，分析小構(gòu)造，為礦井采掘進(jìn)行預(yù)測(cè)。具體技術(shù)應(yīng)用如下：

1) 充分利用方差體屬性技術(shù)。方差體技術(shù)理論基礎(chǔ)為誤差分析理論，可以利用相鄰地震道之間信息的相似性來描述地層、巖性等非均勻性。對(duì)于在地震剖面上不易顯示的斷層、巖性突變以及異常體，在方差體上可以直觀地顯示出來，尤其是解釋小斷層的空間分布有較好的效果。本區(qū)域方差體屬性圖見圖2.

圖2 區(qū)域方差體屬性圖

2) 應(yīng)用精細(xì)化解釋技術(shù)。常規(guī)三維地震剖面網(wǎng)格一般解釋為40 m×40 m，因此解釋小斷層較困難，精細(xì)化解釋可結(jié)合相干體屬性圖顯示的構(gòu)造，進(jìn)行加密解釋，直到解釋出小斷層為止。

3) 對(duì)于異常區(qū)，可結(jié)合鉆孔、現(xiàn)場(chǎng)鉆探等地質(zhì)信息，綜合分析。

通過以上技術(shù)，解釋出此區(qū)域內(nèi)存在32條斷層及一個(gè)煤層異常區(qū)。其中16條斷層落差小于5 m，煤層異常區(qū)在5200工作面內(nèi)，見圖3.

圖3 區(qū)域精細(xì)解釋構(gòu)造圖

三維地震解釋時(shí)異常區(qū)內(nèi)5#煤層存在兩個(gè)強(qiáng)反射軸，時(shí)間剖面見圖4. 解釋結(jié)果可能為兩個(gè)斷層構(gòu)成的地塹，也可能是向斜構(gòu)造。若為前者，由于斷層走向與工作面走向一致，且展布較長(zhǎng)，對(duì)工作面影響較大，需要重新規(guī)劃工作面位置。后補(bǔ)打鉆孔，可知5#煤層在異常區(qū)存在分層現(xiàn)象，見圖5. 結(jié)合鉆孔資料，可知是由于煤層分層造成數(shù)據(jù)處理時(shí)出現(xiàn)反射軸不連續(xù)的假象。綜合分析，得出異常區(qū)為向斜構(gòu)造，最大傾角18°、平均8°，可按原規(guī)劃方案進(jìn)行，到向斜處加強(qiáng)措施提前預(yù)防即可，向斜位置見圖6.

圖4 異常區(qū)時(shí)間剖面圖 圖5 補(bǔ)打鉆孔柱狀圖

圖6 8200工作面向斜位置圖

3.3 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)揭露點(diǎn)修正底板等高線

現(xiàn)場(chǎng)采掘揭露點(diǎn)通過數(shù)據(jù)管理模塊加載后，讀取相應(yīng)時(shí)間剖面雙程旅行時(shí)，可作為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新底板等高線，提高底板等高線精度，見圖7. 圖7a)為常規(guī)三維地震提供的5202工作面部分等高線圖，圖7b)為結(jié)合兩處平巷見煤點(diǎn)(圖中標(biāo)識(shí))后修正的相應(yīng)等高線圖，加粗等高線為修改部分。

動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)成圖模塊也可作為成圖工具，加載礦井任意處的構(gòu)造數(shù)據(jù)及鉆孔、具體見煤點(diǎn)數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確有效地生成底板等高線圖。

圖7 三維地震生成5202工作面部分等高線圖

3.4 實(shí)時(shí)導(dǎo)向采掘工程

常規(guī)三維地震解釋過程中，追蹤層位與構(gòu)造解釋時(shí)一般為40 m×40 m，成果中的底板等高線已經(jīng)過軟件自動(dòng)插值，不可能完全對(duì)應(yīng)時(shí)間剖面。若以底板等高線為依據(jù)進(jìn)行采掘指導(dǎo)，則存在一定誤差。

三維地震動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)可依據(jù)任意坐標(biāo)要求生成時(shí)間剖面，讀取具體雙程旅行時(shí)，再依據(jù)附近見煤點(diǎn)標(biāo)高及其雙程旅行時(shí)，可計(jì)算出剖面中各點(diǎn)具體標(biāo)高。最后結(jié)合具體構(gòu)造，可生成相對(duì)準(zhǔn)確的地質(zhì)剖面圖。

式中：

H1—剖面上需計(jì)算的具體點(diǎn)標(biāo)高；

H—附近見煤點(diǎn)標(biāo)高；

Δt—H與H1雙程旅行時(shí)間差；

V—附近見煤點(diǎn)時(shí)間與標(biāo)高的擬合速度。

以5200工作面為例，對(duì)5200回風(fēng)巷進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算后生成地質(zhì)剖面，見圖8(為體現(xiàn)煤層起伏度，縱橫比為4∶1)，開口標(biāo)高911 m，構(gòu)造包含斷層1條、火成巖侵入?yún)^(qū)1處、煤層變薄區(qū)1處。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，5200回風(fēng)巷開口處煤層底板標(biāo)高908 m，誤差率在埋深1.5%內(nèi)，如圖8所示，煤層開口160 m處有H=4 m斷層，為躲避斷層，提前調(diào)整坡度，結(jié)合煤層較厚的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)沿頂掘進(jìn)，最大限度

圖8 5200回風(fēng)巷三維地震預(yù)測(cè)及巷道實(shí)測(cè)剖面圖

地保證巷道在煤層中掘進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)揭露斷層H=2 m，位置偏差17 m，符合小斷層解釋精度。綜上所述，實(shí)時(shí)導(dǎo)向功能極大程度地為安全高效生產(chǎn)提供保障。

4 結(jié) 語

煤礦三維地震動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)服務(wù)于煤礦生產(chǎn)階段，將三維地震常規(guī)解釋成果與煤礦生產(chǎn)過程中的礦井地質(zhì)信息相互結(jié)合，實(shí)時(shí)導(dǎo)向，可極大提高三維地震信息利用水平，能夠?yàn)閺?fù)雜地質(zhì)礦井解決更多的地質(zhì)問題，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

[1] 彭蘇萍，袁 亮.淮南煤礦三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用與效果[J].安徽地質(zhì)，2011，21(2)：95-99.

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Three Dimensional Earthquake Dynamic Interpretation Technology and Application in Complicated Geological Coal Mines

LI Zhong

Targeted the situation that the seismic data utilization rate is low in the mining under complex geological conditions, the three-dimensional seismic dynamic interpretation technique is proposed. Taking the Dongzhouyao Coal Mine as the study object, dynamic interpretation are carried out on the areas of three-dimensional seismic, and detailed interpretation and real time guiding are implemented for the layout of the No.5200 working face and the tunneling. The practice show that three-dimensional seismic dynamic interpretation technology is practical, accurate and efficient, and be conducive to mine safety and efficiency.

Complex geological coal seam; 3D earthquake; Dynamic interpretation

2017-01-23

李 忠(1989—)，男，山西右玉人，2013年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師,主要從事煤礦開采技術(shù)研究

(E-mail)Lz023@163.com

TD163+.1

B

1672-0652(2017)02-0007-04