崔家溝煤礦三維地震勘探法探測薄煤無煤帶實踐

趙 超，馬 遠(yuǎn)，吳大林

(1.陜西美鑫礦業(yè)公司冶坪煤礦，陜西 銅川 727000；2.銅川礦務(wù)局崔家溝項目部，陜西 銅川 727000；3．陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

黃隴侏羅紀(jì)煤田主要煤層位于延安組第1巖段，煤層分布受三疊系古地形影響，褶曲較多，厚度在隆起部位多缺失或變薄，在凹陷部位變厚。崔家溝煤礦位處黃隴侏羅紀(jì)煤田焦坪礦區(qū)中南部，可采煤層為4-2煤層，該煤層位于延安組第1段中上部；發(fā)育了一系列的北東和北西—北西西向的褶皺構(gòu)造，二者相互交織，并具有明顯的長期性與繼承性發(fā)育特點；北西向褶曲幅度和范圍相對大，造成煤層缺失范圍大，北東向褶曲幅度和范圍小，煤層缺失范圍小，形成孤立的無煤區(qū)，探測困難[1]。三盤區(qū)位于北西向土溝梁背斜的北翼，土溝梁背斜為大面積的無煤區(qū)，其北翼上發(fā)育了一系列斜列式對稱的北東向褶曲，這些北東向褶曲控制著4-2煤層的賦存。為此，通過三維地震圈定三盤區(qū)受基底控制的薄煤無煤范圍，以分析這些北東向褶曲分布與煤層賦存之間的關(guān)系。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況及地震地質(zhì)條件

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

崔家溝煤礦北與銅川礦業(yè)有限公司玉華煤礦相接，南與銅川礦業(yè)有限公司下石節(jié)煤礦為鄰，東西無礦權(quán)設(shè)置。三盤區(qū)為傾向北東的單斜構(gòu)造，在單斜的基礎(chǔ)上又發(fā)育了一系列走向北東的褶皺。這些褶皺不同程度控制了成煤期延安組的沉積和賦存狀況，背斜古隆起區(qū)沉積薄，含煤性差，向斜古洼地處延安組沉積厚，含煤性好。

1.2 地震地質(zhì)條件

表層地震地質(zhì)條件：地表復(fù)雜多變，地表高差變化較大，這給地震數(shù)據(jù)處理靜校正帶來較大的困難。表層第四系覆蓋較薄且極不均勻，第四系黃土中夾有碎石，其下為膠結(jié)相對較好的礫石層，礫石層厚度達(dá)40～60 m；表、淺層介質(zhì)對于地震波能量的吸收較強，使得激發(fā)、接收條件較差，而且不易掌握。山上茂密的松樹林、枝杈繁密的灌木、陡峭的懸崖、梯田、房屋、水庫等，都給地震勘探施工中車輛行進(jìn)帶來很大困難，因此本區(qū)表、淺層地震地質(zhì)條件很差。

深層地震地質(zhì)條件：4-2煤層直接頂板以粉砂巖為主，底板以灰色、灰黑色炭質(zhì)泥巖為主，煤層與圍巖波阻抗差異明顯，具有能夠形成煤層反射波的條件，可以獲取能量較強的煤層反射波，因而深層地震地質(zhì)條件較好。

2 三維地震采集參數(shù)及數(shù)據(jù)處理

2.1 三維地震采集參數(shù)

三維地震勘探觀測系統(tǒng)：采用規(guī)則的10線10炮束狀觀測系統(tǒng)，接收線距為40 m，橫向最大炮檢距為270 m。根據(jù)區(qū)內(nèi)煤層埋藏深度情況，縱向采用中點激發(fā)觀測系統(tǒng)，48道接收，偏移距10 m，縱向最大炮檢距為470 m，接收線垂直地層走向布置(東西向)。

儀器因素：ARAM.arie數(shù)字地震儀采樣間隔為0.5 ms，記錄長度為1.5 s；采用60 Hz檢波器5個串聯(lián)插堆埋置。

激發(fā)因素：根據(jù)不同的淺層地震地質(zhì)條件確定，選擇在風(fēng)化基巖中3井組合激發(fā)，在覆蓋層較厚處采用深井單井或3個淺井組合激發(fā)，組內(nèi)距5 m。

系統(tǒng)主要特點：該觀測系統(tǒng)具有較寬的觀測方位角和炮檢距分布均勻的特點；分布均勻的炮檢距，便于計算動校正速度和取得最好的疊加響應(yīng)。而較寬的觀測方位角，有利于速度分析、多次波衰減、靜校正求解，并且對地下采樣的方向較均勻。

2.2 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

多道識別單道去除干擾波技術(shù)：山區(qū)野外地震資料，面波、聲波及傾斜的多次震蕩干擾波異常發(fā)育，能否去除這些干擾波對反褶積及剖面品質(zhì)有很大影響[2-5]。本次處理采用多道識別單道去除的方法，在不損害有效波的前提下使干擾波得到很好的去除。

聲波初至炮點位置校正技術(shù)：該方法的原理是利用聲波初至與炮檢距呈線性變化的特點，對炮點位置不準(zhǔn)確的單炮進(jìn)行校正。野外施工中，采用恢復(fù)性放炮臨時變觀的炮點，儀器班報上記錄的炮點位置往往會有些偏差，利用聲波初至炮點位置校正技術(shù)，即可很容易地把炮點校正到真實的位置[6-9]。

山區(qū)三維地震資料靜校正技術(shù)：區(qū)內(nèi)第四系地層厚度及地表高程變化很大，造成了山區(qū)靜校正校不準(zhǔn)，且共中心反射點道集面元半徑很大之現(xiàn)象，因此靜校正工作的好壞，對成果質(zhì)量和可靠性影響很大。本次山區(qū)靜校正方法分3步進(jìn)行，首先采用綠山初至折射靜校正法求取靜校正量，建立表層結(jié)構(gòu)模型；然后利用專門的靜校正處理模塊，對長、短波長校正量進(jìn)行分離；其次，在對每個炮點、檢波點的校正量實現(xiàn)校正時，首先加入短波長校正量，并結(jié)合多次剩余靜校正(短波長)進(jìn)行浮動基準(zhǔn)面DMO處理，此后再加入長波長校正量并進(jìn)行疊加[10-12]。通過在本區(qū)的應(yīng)用表明，該方法能較好地解決山區(qū)“靜校不靜”及“共反射點”分散對疊加的影響。

精確速度分析與多次迭代求取剩余靜校正量：疊加速度不僅與地層傾角有關(guān)，還與炮檢方位角、均方根速度有關(guān)。在資料處理中，采用了2次三維DMO速度分析和2次三維剩余靜校正迭代處理。速度值是將速度譜、變速掃描疊加道集結(jié)合起來，通過交互的方式進(jìn)行拾取，達(dá)到了減小地層傾角影響的目的。同時在構(gòu)造復(fù)雜處加密速度控制點。在精確分析速度的基礎(chǔ)上應(yīng)用優(yōu)勢頻帶剩余靜校正，消除了低高頻的噪聲對剩余靜校正的影響。

三維偏移：三維偏移是三維數(shù)據(jù)體空間成像的關(guān)鍵步驟，由于DMO疊加可以實現(xiàn)疊前部分偏移，使反射波更好的聚焦成像。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疊后三維一步法偏移可以使反射波完全聚焦成像，達(dá)到真實反映地下構(gòu)造的實際情況的目的；這樣既實現(xiàn)了真正的三維歸位，又有利于保持反射波的各種動力學(xué)特征。

3 三盤區(qū)三維地震資料分析與驗證

3.1 三維地震資料分析

三維地震勘探對煤層起伏的解釋：三盤區(qū)位于土溝梁背斜的北翼，通過三維地震煤層反射波T0圖，可以看出在三盤區(qū)主要發(fā)育斜列式走向一致的B1、B2背斜和X1向斜，此外還存在其他一些小的褶曲，如圖1和圖2所示。

圖1 三盤區(qū)4-2煤層反射波T0

圖2 B1背斜和X1向斜在時間剖面上的反應(yīng)

無煤帶和褶曲的關(guān)系：三盤區(qū)煤層底板等高線平面圖，如圖3所示，反映了4-2號煤層的起伏情況。煤層總體呈南高北低趨勢，煤層走向近東西向。除西南端的土溝梁背斜，在中部還發(fā)育有一些規(guī)模較小的波狀起伏。4個薄煤無煤帶分別出現(xiàn)在不同的標(biāo)高，共同特點是出現(xiàn)在背斜頂部，1號面積較大無煤帶出現(xiàn)在土溝梁背斜頂部，其余都在含煤區(qū)里邊，出現(xiàn)在此級背斜頂部，成為孤立的薄煤無煤帶，3號和4號無煤帶為對稱背斜的頂部，4號無煤帶在在二盤區(qū)已經(jīng)揭露，根據(jù)褶曲對稱性出現(xiàn)的特征，地質(zhì)可以推斷3號無煤帶的存在大概范圍。

圖3 無煤帶平面位置圖

各無煤帶在三維地震資料上的反應(yīng)：無煤帶在時間剖面上的反應(yīng)為在背斜頂部反射波變?nèi)踔料В鐖D4～圖7所示；同時煤層下部反射波由于煤層變薄缺失屏蔽作用減小而增強，如圖8所示；在地震均方根振幅屬性圖上的反應(yīng)為呈片狀振幅值減小，如圖9所示。

圖9 無煤帶在均方根振幅圖上的反應(yīng)

圖8 煤層變薄后下部標(biāo)志反射波能量變強

圖4 1號無煤帶在時間剖面上的反應(yīng)

圖5 2號無煤帶在時間剖面上的反應(yīng)

圖6 3號無煤帶在時間剖面上的反應(yīng)

圖7 4號無煤帶在時間剖面上的反應(yīng)

3.2 井下巷道揭露、定向鉆成果驗證

井下巷道揭露情況：在三盤區(qū)03工作面回風(fēng)順槽揭露了2號無煤帶，當(dāng)時分析為煤層分叉造成，后結(jié)合三維地震和地質(zhì)資料認(rèn)為是小背斜煤層沉積缺失區(qū)。2311工作面運順揭露3號無煤帶，煤層底板出現(xiàn)震蕩起伏，煤層厚度也在底板震蕩起伏過程薄化增厚，在巷道掘進(jìn)過程中始終存在靠背斜幫煤薄，遠(yuǎn)背斜幫煤厚的特點，造成2311工作面不得不改造，其它工作面設(shè)計調(diào)整。

井下定向鉆成果與三維地震成果對比：針對三維地震勘探解釋的薄煤無煤帶，井下設(shè)計了4個定向鉆，如圖10所示。1、2、3號鉆的成果與地震資料吻合度高，4號鉆孔1、2、3、4號點不相符，定向鉆成果為無煤，三維地震成果為含煤。分析原因主要是因為井下定向鉆鉆孔設(shè)計高度僅根據(jù)周邊鉆孔和南部大巷煤層底板標(biāo)高差值得來，三維地震解釋此處為一寬緩背斜，鉆孔設(shè)計標(biāo)高不夠，鉆探有盲區(qū)而造成，這一點有待于后期的井下揭露驗證。

圖10 井下定向鉆成果圖

4 結(jié)語

崔家溝煤礦三盤區(qū)煤層賦存受基底控制明顯，煤厚變化快，背斜頂部煤層有變薄缺失現(xiàn)象，背斜幅度越高，無煤或薄煤范圍越大，直至無含煤地層沉積，背斜兩翼傾角越大，煤層缺失越快。三盤區(qū)主要褶曲為北東向斜列式對稱分布，背斜幅高和幅寬小，背斜頂部形成孤立的無煤帶，無煤帶也與背斜北西向展布一致，對稱出現(xiàn)，在最先揭露一個無煤帶范圍，可以根據(jù)褶曲平行對稱規(guī)律，預(yù)測下一個薄煤無煤帶范圍。實踐表明，三維地震勘探可以準(zhǔn)確探測5 m以上的褶曲，煤厚在小于調(diào)諧厚度(1/4λ)時煤層反射波振幅與厚度呈線性關(guān)系，尤其是在煤厚3 m以下，煤厚1 m、2 m、3 m和大于3 m振幅變化視覺明顯。通過這褶曲和反射波能量弱這2個特點可以作為充分依據(jù)圈定煤層沉積變薄缺失范圍。鑒于崔家溝煤礦三盤區(qū)出現(xiàn)幾處薄煤無煤區(qū)，范圍小，煤厚變化快，依靠鉆孔無法探測清楚，在后續(xù)勘探中應(yīng)加強利用三維地震手段探測薄煤無煤帶范圍。