濱湖煤礦深部及陸—湖區(qū)域三維地震勘探技術(shù)研究

鄧 濤 王思棟 張歷峰 史永理

(1.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司濱湖煤礦，山東省滕州市，277515；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

濱湖煤礦深部及陸—湖區(qū)域三維地震勘探技術(shù)研究

鄧 濤1王思棟1張歷峰1史永理2

(1.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司濱湖煤礦，山東省滕州市，277515；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

為了進(jìn)一步查明濱湖煤礦161采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存特征，進(jìn)行了高分辨率三維地震勘探。針對(duì)勘探區(qū)屬于陸—湖區(qū)域且埋藏深度大、地表地物較多等復(fù)雜的表層地震地質(zhì)條件，提出了陸—湖—深部三維地震勘探的“疊前—疊后—去噪”的高效處理技術(shù)和方法，提高了構(gòu)造的探測(cè)精度，查明了主要煤層的賦存狀況及底板起伏形態(tài)，并掌握了第四系底界面、侏羅系底界面、奧陶系頂界面賦存形態(tài)等。總結(jié)了三維地震勘探技術(shù)在陸—湖地表?xiàng)l件下對(duì)地層、構(gòu)造及煤層的探查結(jié)果，為今后類似地震地質(zhì)條件下的施工、數(shù)據(jù)處理提供借鑒。

濱湖煤礦 高分辨率三維地震勘探 三維偏移 地表一致性反褶積技術(shù)

三維地震勘探技術(shù)是進(jìn)行構(gòu)造探查的最主要工具之一，尤其是小斷層、褶曲、陷落柱、火成巖分布、采空區(qū)等高效探查，為礦井的開(kāi)發(fā)決策、巷道布置與開(kāi)拓提供了可靠依據(jù)。在煤田勘探中，目前三維地震勘探的發(fā)展速度很快，高分辨率三維地震勘探的應(yīng)用越來(lái)越多，小型斷層等小構(gòu)造地質(zhì)目標(biāo)的探查精度不斷提高，極大地改善了地震勘探的可靠程度，減少了在礦區(qū)采前勘探中的鉆探工程量，降低了勘探成本，為煤礦采區(qū)巷道和工作面的布置提供了可靠的基礎(chǔ)資料，對(duì)煤炭安全高效開(kāi)采具有重要的意義。但賦存深度大、復(fù)雜地表?xiàng)l件下三維地震勘探的野外施工、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及解釋，仍是制約數(shù)據(jù)精度的主要原因之一，尤其是當(dāng)勘探區(qū)屬于陸-湖區(qū)域，地表地物較多，表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜。本文以山東省滕州市濱湖煤礦為例，總結(jié)三維地震勘探技術(shù)在陸-湖地表?xiàng)l件下對(duì)地層、構(gòu)造及煤層的探查結(jié)果，為今后類似地震地質(zhì)條件下的施工、數(shù)據(jù)處理提供借鑒。

1 礦井及地質(zhì)概況

1.1 礦井概況

濱湖煤礦位于山東省滕州市和微山縣境內(nèi)，井田面積44.02 km2。區(qū)內(nèi)湖區(qū)和陸地地勢(shì)平坦，東部陸地部分地面標(biāo)高+35.5 m，向西南方向湖區(qū)緩慢下降，湖區(qū)湖底標(biāo)高+32.5 m，地面坡度為0.7%。礦區(qū)處于南四湖的上級(jí)湖，也是組成南四湖之一的昭陽(yáng)湖，上級(jí)湖承受來(lái)水流域面積為28116 km2。施工區(qū)為161采區(qū)西部，位于井田的中西部，面積約4.5 km2，地面小部分為村莊，大部分為魚(yú)塘、湖區(qū)。采區(qū)內(nèi)少量鉆孔揭示太原組16#煤層賦存深度為500～950 m。

1.2 地質(zhì)概況及地震地質(zhì)條件

本區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)濟(jì)寧地層小區(qū)。滕縣煤田位于華北地臺(tái)、魯西地塊內(nèi)魯西南凹陷區(qū)、成武—滕縣凹陷的東部。濱湖礦區(qū)位于滕縣背斜北翼的西部，其構(gòu)造特點(diǎn)與滕縣煤田北部基本一致，南部為隱伏露頭，受煤田總體構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，以北東向高角度(傾角大于65°)正斷層為主，褶曲以不完整的寬緩褶皺為主，煤系地層?xùn)|南部淺、西北部深，總體上看是一個(gè)被數(shù)條斷層切割的寬緩向斜，局部地段有巖漿侵入，屬中等構(gòu)造復(fù)雜程度。區(qū)內(nèi)地層自下而上依次有奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系和第四系。基巖地層隱伏發(fā)育，地層傾角較緩，一般為5°～8°，平均為6°。含煤地層為太原組。

通過(guò)資料分析，本區(qū)域?qū)τ诘卣鹂碧接欣麠l件有：地勢(shì)平坦，潛水位較淺；目的層傾角平緩； 16#、17#煤層頂板為石灰?guī)r，煤層與圍巖物性差異大。不利條件有：低速帶厚，表層流沙發(fā)育并在局部有砂石層，成孔困難；上覆地層中有較厚的侏羅系地層及底礫巖；主要目的層16#煤層較薄；漁業(yè)發(fā)達(dá)，地表魚(yú)塘、鴨棚較多。經(jīng)綜合評(píng)價(jià)，本區(qū)表層地震地質(zhì)條件較復(fù)雜，但中、深層地震地質(zhì)條件較好。

2 野外施工方法及數(shù)據(jù)采集

2.1 野外施工方法

觀測(cè)系統(tǒng)選擇合理與否會(huì)直接影響勘探效果和精度，根據(jù)本區(qū)地震地質(zhì)條件及探測(cè)任務(wù)，結(jié)合本區(qū)試驗(yàn)資料最終確定合理、高效的施工方法。

(1)三維觀測(cè)系統(tǒng)排列方式。束狀10線12炮制，中點(diǎn)發(fā)炮；接收道數(shù)10×72=720道(-600 m以淺為10×60=600道)；接收線距60 m；接收道距20 m；最小非縱距10 m；最大非縱距410 m；最大炮檢距828.55 m(-600 m以淺為726.7 m)；炮線網(wǎng)格為20 m(橫向)×120 m(縱向) (-600 m以淺縱向?yàn)?00 m)；CDP間隔為10 m(橫向)×10 m(縱向)；覆蓋次數(shù)為6次(縱向)×4次(橫向)。

(2)激發(fā)方式。采用單井12 m井深、1.2 kg TNT高速成型炸藥填土悶孔激發(fā)。

(3)接收方式。陸地采用4個(gè)100 Hz 檢波器2串2并組合接收，沼澤、魚(yú)塘采用VS4沼澤檢波器并加長(zhǎng)0.5 m尾錐。

(4)采用儀器。儀器型號(hào)為428XL多道遙測(cè)數(shù)字地震儀；記錄長(zhǎng)度為1.5 s；記錄格式為SEG-D；磁帶記錄密度為6250 bpi；采樣間隔為0.5 ms；接收道數(shù)為720道；儀器頻帶為全頻帶接收。

2.2 數(shù)據(jù)采集

勘探區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜，測(cè)區(qū)大面積覆水，蘆葦叢生，魚(yú)、蟹塘密布，所采用的施工工藝與陸地相比有較大的差別。本次采用VS4沼澤檢波器并加長(zhǎng)0.5 m尾錐沉底埋置方式，激發(fā)震源選用高爆速炸藥。成孔時(shí)工人在機(jī)船上作業(yè)，打到預(yù)定深度后用塑料管將空口罩住，以便于下放TNT成型炸藥。采用防水檢波器，用特殊工具把檢波器插入湖底的泥層中，并且要求檢波器穿過(guò)淤泥，放線班長(zhǎng)及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員監(jiān)控插置質(zhì)量。采用以上措施可保證檢波器與大地的耦合效果良好。

本次共完成三維地震測(cè)線9束，檢波線50條，炮線113條，試驗(yàn)點(diǎn)2個(gè)，特別觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)。施工面積9.67 km2，控制面積4.5 km2。共獲得野外記錄2585張，其中甲級(jí)記錄1736張，乙級(jí)記錄811張，合格記錄20張，廢記錄19張；甲級(jí)率67.68%，成品率99.26%。

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

針對(duì)原始資料特點(diǎn)，三維地震資料處理疊前主要采用三維地表一致性振幅補(bǔ)償、三維地表一致性反褶積、精細(xì)速度分析，疊后采用具有吸收邊界的差分法波動(dòng)方程三維一步法偏移，并用鉆井等實(shí)際資料進(jìn)行了約束。去噪時(shí)在保證信噪比前提下最大限度地提高了地震資料的分辨率，使目的煤層有效波主頻范圍達(dá)到40～80 Hz，成果剖面質(zhì)量有了較大提高，這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)去噪方法、參數(shù)選取適當(dāng)，疊前采用高通濾波使得面波得到較好壓制，疊后又采用隨機(jī)噪音衰減，提高了剖面的信噪比，信噪比曲線顯示程度較高，多數(shù)成果剖面上主要煤層反射波組突出、能量強(qiáng)、同相軸品質(zhì)及連續(xù)性好，使該區(qū)獲得了較好的成像效果。

(2)三維偏移可使傾斜界面反射歸位到地下真實(shí)位置、繞射波收斂和波的干涉現(xiàn)象分解，從而正確地反應(yīng)地下構(gòu)造形態(tài)及其變化情況。通過(guò)對(duì)速度進(jìn)行平滑處理，建立了適合本區(qū)構(gòu)造形態(tài)的三維偏移模型。本區(qū)三維偏移方法采用CGG波動(dòng)方程有限差分三維一步法偏移，具有精度高、頻散低、邊界吸收整潔等特點(diǎn)，對(duì)截距時(shí)間τ(8 ms、12 ms、16 ms、24 ms)和偏移速度γ(80%、85%、90%、95%、100%、110%)進(jìn)行了掃描測(cè)試，最終確定τ=16 ms，γ=100% 。三維偏移后的時(shí)間剖面分辨率高，能量強(qiáng)，歸位準(zhǔn)確，細(xì)小地質(zhì)異常成像清晰。偏移前后效果對(duì)比如圖1所示。

(a)偏移前 (b)偏移后 圖1 偏移前、后時(shí)間剖面圖

(3)疊前采用了地表一致性反褶積技術(shù)，使剖面低頻干擾得到較好壓制，高頻信號(hào)得到補(bǔ)償，頻帶得到展寬。處理的剖面分辨率高，層次清楚，使各煤層都能達(dá)到較好的成像效果。

(4)本次地震資料處理工作進(jìn)行了3次速度分析，第一次速度分析用于求取第一次剩余靜校正量，第二次速度分析用于求取第二次剩余靜校正量，在兩次剩余靜校正的基礎(chǔ)上，參照時(shí)間剖面同相軸選取時(shí)窗，進(jìn)行了第三次速度分析。多次迭代速度分析及加密網(wǎng)度等措施保證了速度分析準(zhǔn)確性，為疊加和偏移打下了良好的基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)解釋

本次地震資料的解釋工作是在山東中煤物探測(cè)量總公司工作站上進(jìn)行的，工作站具有解釋、繪圖、鉆井?dāng)?shù)據(jù)管理、時(shí)深轉(zhuǎn)換、分析計(jì)算及多窗口、多種顯示方式等功能，操作方便靈活，給地震解釋人員提供了快速度、高效率、高質(zhì)量、全方位綜合解釋的強(qiáng)有力工具。利用工作站交互地震地質(zhì)解釋系統(tǒng)，在處理后的三維數(shù)據(jù)體上進(jìn)行了人機(jī)交互解釋。

三維資料處理后得到一個(gè)三維偏移數(shù)據(jù)體，是三維資料解釋的依據(jù)，具體解釋方法是以垂直時(shí)間剖面為主，并用水平切片對(duì)垂直時(shí)間剖面解釋的結(jié)果進(jìn)行檢查，具體步驟見(jiàn)圖2。

圖2 資料解釋流程圖

本次資料解釋利用43-17號(hào)孔制作人工合成記錄，確定煤層反射波的地質(zhì)屬性。通過(guò)合成地震記錄的標(biāo)定地質(zhì)層位，證實(shí)了在解釋中地震資料分析結(jié)果的正確性。本區(qū)資料控制面積4.5 km2，獲得空間和時(shí)間采樣間隔為5 m×5 m×0.5 ms的三維數(shù)據(jù)體1個(gè)，如圖3所示。

圖3 三維數(shù)據(jù)體示意圖

通過(guò)本區(qū)的人工合成地震記錄及正演模型，與井旁地震時(shí)間剖面對(duì)比，確定本區(qū)主要有以下幾組有效地震波發(fā)育，且具有明確的地質(zhì)意義。

(1)TQ波——來(lái)自第四系底界面的反射波，是解釋第四系底界面深度的依據(jù)。

(2)TJ波——來(lái)自侏羅系底界面的反射波，是解釋侏羅系底界面深度的依據(jù)。

(3)T10波——來(lái)自以十下灰?guī)r及16#煤層為主形成的反射波，波形特征明顯，能量強(qiáng)，全區(qū)可連續(xù)追蹤，是解釋16#煤層構(gòu)造及煤層賦存狀況的主要依據(jù)。

(4)To波——來(lái)自?shī)W陶系頂界面的反射波，是解釋奧陶系頂界面深度的依據(jù)。

4 地震地質(zhì)成果

4.1 第四系底界面的控制

由三維區(qū)5 m×5 m的地震CDP網(wǎng)格與8個(gè)鉆孔共同確定區(qū)內(nèi)第四系底界面深度。在資料解釋過(guò)程中，利用TQ波與下伏地層的不整合接觸關(guān)系尋找不整合點(diǎn)，確定其底界面的反射波。區(qū)內(nèi)第四系底界面深度變化不大，全區(qū)第四系底界面深度為95～135 m，總體為北部淺南部深。

4.2 侏羅系底界面的控制

由三維區(qū)5 m×5 m的地震CDP網(wǎng)格與9個(gè)鉆孔共同確定區(qū)內(nèi)侏羅系底界面深度，并且TJ波追蹤對(duì)比工作是在40 m×40 m網(wǎng)格的時(shí)間剖面上進(jìn)行的。在資料解釋過(guò)程中，利用TJ波與下伏地層的不整合接觸關(guān)系尋找不整合點(diǎn)，確定其底界面的反射波。區(qū)內(nèi)侏羅系底界面深度變化較大，標(biāo)高為-315～-680 m，全區(qū)侏羅系底界面深度的變化總體為東北部淺西南部深。

4.3 16#煤層埋藏深度

探查表明區(qū)內(nèi)16#煤層底板標(biāo)高為-420～-965 m，西南部賦存較深，東北部賦存較淺，如圖4所示。16#煤層底板深度由地震資料、鉆孔及巷道共同確定。本區(qū)鉆孔多達(dá)11個(gè)，且勘探區(qū)有巷道揭露，利用巷道見(jiàn)煤點(diǎn)42個(gè)，由時(shí)深轉(zhuǎn)換曲線分析時(shí)深點(diǎn)離散，時(shí)深點(diǎn)離散值均在8 m之內(nèi)，形成的16#煤層底板標(biāo)高與已知點(diǎn)相比誤差最大為7 m。因此16#煤層底板控制精度較高。

圖4 16#煤層底板標(biāo)高空間示意圖

4.4 奧陶系頂界面的控制

由三維區(qū)5 m×5 m的地震CDP網(wǎng)格控制與1個(gè)鉆孔共同確定區(qū)內(nèi)奧陶系頂界面深度。在資料解釋過(guò)程中，利用To波與上部16#煤層的間距確定奧陶系頂界面的反射波。區(qū)內(nèi)奧陶系頂界面深度變化較大，標(biāo)高為-470～-1020 m，全區(qū)奧陶系頂界面的深度變化總體為東北部淺西南部深。

4.5 新舊構(gòu)造方案對(duì)比

本次三維地震勘探全區(qū)共組合斷層15條，與原構(gòu)造方案對(duì)比基本一致的斷層有3條；修正的斷層1條，即對(duì)孟口斷層的平面位置進(jìn)行了修正，本次探查的孟口斷層較原位置向東偏移了530 m，如圖5所示；新發(fā)現(xiàn)的斷層有10條，有DF1、DF2、DF3、DF4、DF5、DF6、DF7、DF8、DF10、孟口支一斷層；否定的斷層2條，即大劉莊斷層及大劉莊支一斷層，如圖6所示。

圖5 修正的孟口斷層處時(shí)間剖面圖

圖6 否定的大劉莊斷層、大劉莊支一斷層處時(shí)間剖面圖

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)屬于陸-湖區(qū)域，地表地物較多，表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，為三維地震勘探的施工、數(shù)據(jù)處理、解釋增加了難度。為此，確定了有針對(duì)性的、高效的處理技術(shù)和方法，即從疊前、疊后及去噪等環(huán)節(jié)進(jìn)行了處理，較大程度地提高了成果質(zhì)量。

(2)資料解釋時(shí)進(jìn)行了反復(fù)細(xì)致的對(duì)比、解釋和檢查；速度分析充分利用了鉆孔、巷道、地震數(shù)據(jù)速度譜資料，采用時(shí)深曲線和速度平面圖結(jié)合的方法，為減少成果誤差提供了保證。

(3)查明了主要煤層的賦存狀況及底板起伏形態(tài)，指出研究區(qū)的總體構(gòu)造為單斜構(gòu)造，對(duì)次一級(jí)褶曲進(jìn)行了控制；探查得出16#煤層底板標(biāo)高為-420～-965 m，控制了第四系底界面、侏羅系底界面、奧陶系頂界面賦存形態(tài)，全區(qū)總體為東北部淺西南部深。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Researchon3Dseismicexplorationtechnologyindeepareaandland-lakeareaofBinhuCoalMine

Deng Tao1, Wang Sidong1, Zhang Lifeng1, Shi Yongli2

(1.Binhu Coal Mine, Zaozhuang Mining Group Co., Ltd., Tengzhou, Shandong 277515, China;2. College of Earth Science & Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

In order to further ascertain the geological structure of 161 mining area and the characteristics of coal seams of Binhu Coal Mine, high-resolution 3D seismic exploration was carried out. The exploration area belonged to land-lake area had large buried depth and complex surface seismic geological conditions such as many surface features, so a high-activity processing technology and method of "prestack-poststack-denoising" named land-lake-deep 3D seismic exploration was put forward, which improved detecting precision of structure, ascertained occurrence state and floor fluctuation form, and grasped occurrence mode of Quaternary bottom boundary, Jurassic bottom boundary and Ordovician top boundary. The research summarized the detecting results of stratum, structures and coal seams under the land-lake surface conditions, provided references for engineering construction and data processing with similar seismic geological conditions.

Binhu Coal Mine, 3D seismic exploration with high resolution, 3D migration, surface coherence deconvolution technique

國(guó)家自然科學(xué)基金(41402250，41372290)

鄧濤，王思棟，張歷峰等. 濱湖煤礦深部及陸—湖區(qū)域三維地震勘探技術(shù)研究[J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(8)：42-46. Deng Tao, Wang Sidong, Zhang Lifeng, et al. Research on 3D seismic exploration technology in deep area and land-lake area of Binhu Coal Mine[J]. China Coal, 2017, 43(8):42-46.

P631.4

A

鄧濤(1968-)，男，山東棗莊人，研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，主要從事礦井開(kāi)采及水害防治方面的工作。