三維地震物探技術在寧夏金鳳煤礦三分區勘探中的應用研究

鄭金寶，李運肖

(1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省地質物探工程技術研究中心，河南 鄭州 450009)

近年來，隨著各煤礦資源的枯竭，煤礦開采逐步轉向深、難、邊領域，勘探難度逐漸增大，如何提高煤層構造和地質體的探測精度，專門查明地質小斷層、小褶曲、陷落柱、采空區、沖刷帶等方面的技術被廣泛采用[1-5]。三維地震勘探技術在勘查中取得了突破性進展，通過不同介質的波反射，可實現對地質體的分辨，可以查明大于5 m的斷層，地震地質條件好的地區可查明落差3～5 m的斷層[6-14]。為了查明金鳳煤礦采區范圍內的地質構造特征，前期對二、四分區開展了三維地震勘探研究，共完成三維線束16束，生產物理點3 015個，小折射10個，物理點20個；加上試驗物理點94個，全區共完成物理點為3 129個。野外施工面積6.72 km2，一次疊加覆蓋面積5.45 km2，滿覆蓋面積4.24 km2，控制面積3.85 km2。從試驗和施工單炮的結論得出，有些單炮目的層反射波明顯，信噪比高，但有些單炮品質較差，煤層反射波很不明顯，說明勘探區內淺層地震地質條件變化較大，在合適的層位激發很重要[3-6]。從時間剖面可以看出煤層傾角很大，煤層很多且間距不穩定，這些特點都給數據處理帶來了困難，如何提高反射波主頻，做好向斜軸部附近的偏移問題都是處理的重點和難點[7-15]。根據以上經驗，對礦區三分區重新開展三維地震勘測，采用新的技術和數據分析方法，開展了三分區地震異常剖析，對區內褶皺、斷層構造、煤層深度、起伏形態進行了有效解釋，為后期煤礦開采提供有效的數據支撐[16-18]。

1 三維地震物探技術

三維地震由于分辨率較高，能夠識別的組構單元更多[2]。例如，雙程時間構造圖中，只能看到地層特征，在地震剖面圖中河道的特征不夠明顯，但是在反射振幅屬性圖上，能看出水道的特征。三維地震的廣泛應用，能夠有效地將古陸地以及海底地貌形成的過程在空間中展現出來[3]。目前深水的水下河道應用了地震資料的手段使其進展較大，同時三維地震在硅質碎屑巖沉積體系中也應用廣泛，而且地震地貌學今后也是一個較好的研究領域。

三維地震在構造分析中用于研究斷層系統中的幾何形態以及運動學的特征，在該方面二維地震無法解釋這么復雜的斷層幾何學特征[4-7]。三維地震的數據用于這個方面其精細度可以與美國最好的設備相媲美，能夠有效地加深斷層和圍巖褶皺之間的聯系。雖然三維地震的分辨率上還沒辦法直接顯示運動學的標志，也不能識別斷面構造的細節問題，但是其屬性方面的技術又可以對其進行彌補[5-9]。

2 地質概況及地震地質條件

2.1 地質概況

礦區位于華北地層西緣，出露地層以中生代地層為主，受馮記溝背斜影響，向北東向傾伏。其中侏羅系延安組為主要含煤地層，煤層平均厚347.06 m，含煤30余層，含煤系數為6.9%，主要開采十二、十五、十八煤層。

2.2 地震地質條件

(1)表淺層地震地質條件。礦區地表呈低緩丘陵地貌，多為沙土掩蓋且大部分被植被固定，地勢開闊，有房屋建筑，路面硬化，這些因素給野外施工帶來很大困難。另外表層地層結構松散且均勻性較差，檢波器與地面耦合條件較差，地震波能量衰減極為強烈。

(2)淺層地震地質條件。礦區內淺層大部分為砂土或砂質黏土，尤其是礦區東南部，砂土厚度超過50 m，少部分區域淺層含有砂礫石層(馮記溝鄉西邊)。砂土層、礫石層激發效果不佳，對地震波能量衰減也很強烈。

圖1 勘探區三維地震時間剖面Fig.1 3D seismic time profile of exploration area

T12波：主要來自于侏羅系延安組中上部十二煤層的反射波，由于十二、十三煤層的層間距較小(大部分不到10 m)，故T12波為十二、十三煤層的復合反射波。由于煤層淺、波能弱，可部分追蹤對比。

T15波：主要來自侏羅系延安組中部十五煤層的反射波，由于十五、十六煤層的層間距較小(大部分不到10 m)，故T15波為十五、十六煤層的復合反射波。在馮記溝背斜西翼未被煤層采動區影響區域內，T15波能量較強，連續性好，特征明顯，較容易連續對比追蹤。

T18波：對應于侏羅系延安組下部十八煤層的反射波，在馮記溝背斜西翼未被煤層采動區影響區域內，T18波能量較強，連續性好，特征明顯，較容易連續對比追蹤。

3 數據采集及特征

該區試驗工作借鑒了鄰區以往三維地震施工經驗和施工參數，試驗工作于2020年11月19日開始，至11月20日結束，共完成試驗點3個，物理點50個；試驗段1條，線長1.9 km，物理點41個；小折射3個，物理點6個；共完成物理點97個，試驗物理點全部合格(表1)。

表1 試驗點點號、位置及試驗內容Tab.1 Test point number、location and test content

3.1 主要反射波地質屬性的確定和波組特征

(1)波組特征。在時間剖面上，反射波組可分為2種，上部水平層和下部傾斜層：①上部水平層，該波組一般屬新生代地層形成的反射波，但本區大部分區域新生代地層很薄，因此水平層能量很弱，時有時無，但與下面的煤系地層存在明顯的角度不整合關系，可以對比追蹤；②下部傾斜層，這一反射波亞組是由侏羅紀含煤地層形成的，其中的強反射波是煤層與其頂、底板之間存在的顯著波阻抗差造成的。強反射波振幅大、連續性好；弱反射波振幅小、連續性差，甚至出現“空白帶”。

(2)主要反射波地質屬性的確定。地震資料解釋首先要確定主要目的層反射波的地質屬性，勘探區地質屬性的確定主要用于鄰區主要目的層反射波對比確定；利用地質鉆孔與地震曲線做時間剖面對比確定(圖2)。此次三維地震勘探的主要目的層十二、十五、十八煤層，次要目的層為十三、十六煤層。T12、T15、 T18波是由上述煤層形成的復合反射波，連續性好，易連續對比追蹤。

圖2 地質鉆孔與地震曲線合成記錄對比Fig.2 Comparison of synthetic records of geological boreholes and seismic curves

3.2 波的對比

根據地質任務本次解釋工作主要是對煤層反射波的追蹤，新生界底界面作為一個輔助相位，可以進行粗網格的簡單勾畫。

居住項目選址要為居民提供方便的生活環境，滿足居民多方面的生活服務保障需求，基于此從多個項目選址對比方案確定最佳的選址位置。

(1)強反射波的對比追蹤。在馮記溝背斜西翼未被煤層采動區影響區域內，T15、T18波能量較強，連續性好，特征明顯，較容易連續對比追蹤。

(2)弱反射波的對比追蹤。由于T12、T15波能量弱，連續性較差，不易追蹤。

在馮記溝背斜東翼和被煤層采動區影響區域內，T15、T18波能量較弱，連續性差，不易對比追蹤。

4 地震波對構造及巖性的反映

本次工作利用GeoFrame4.3地震解釋組合體軟件(IESX)、可視化軟件(GeoViz)以及地質繪圖軟件(CPS3)。三維資料解釋是在三維立體數據體的基礎上進行，以疊后偏移數據體為主，利用縱向、橫向和任意方向時間剖面相結合，時間剖面和水平切片、順層切片相結合等方法，全方位的反復對比、反復檢查、反復修改確認，保證結果的可靠性，另外利用方差體、相干體等屬性技術對小構造進行分析[13-20]。

4.1 構造分析

(1)褶曲?？碧絽^內發育的褶曲構造主要為馮記溝背斜。馮記溝背斜軸部位于勘探區中部，405孔—A405孔一線，軸向NNE轉近NS，總體向南傾伏，東翼較陡，西翼稍緩。區內延展長度約2 064 m。在時間剖面上反映明顯(圖3)。

圖3 馮記溝背斜在時間剖面、三維數據體內部的反映Fig.3 Reflection of Fengjigou anticline in time profile and inside 3D data body

(2)斷層。此次三維地震勘探斷層的評級主要在40 m×80 m的網格的剖面上進行，對勘探邊界范圍內解釋的斷點及組合的斷層進行了評價，每個斷層至少要有3個點參與評級，共解釋斷點160個(只包括5 m以上斷層)，斷點評級標準為：A級斷點清晰可靠；B級斷點達不到A級又不是C級斷點者；C級斷點，有斷點顯示，能基本確定斷層上下盤。①斷點。在時間剖面上，主要標志是同相軸的錯斷。大斷點錯斷明顯，有一定的時差，在剖面上容易解釋(圖4)。對于小斷點解釋采用彩色剖面顯示、逐級放大、層拉平等手段，還采用了對小斷點分辨率較高的新技術，如方差體、屬性技術、反演技術等，對斷層進行綜合解釋。②斷層組合與產狀閉合。同一斷層的斷點在相鄰傾向和走向上的性質有一定的規律性，將相鄰剖面的斷點進行組合，反過來再在各個方向上閉合，檢查斷面與同相軸之間的關系[1-2]。按照此類方法，對40 m ×80 m網格剖面組合的斷層進行評價，組合斷層12條，可靠斷層4條，較可靠斷層8條。

圖4 大斷點在時間剖面上的反映Fig.4 Reflection of large breakpoints in time section

4.2 巖性分析

(1)煤厚分析。根據Widess的薄層理論，當薄層厚度小于λ/4時(λ為反射波主波長)，薄層反射波波峰與波谷視時差近似為一個常數，而反射波振幅隨薄層厚度呈準線性變化，薄層的厚度信息包含在反射波振幅之中[12-16]。礦區各煤層厚度在1～7 m，而煤層反射波主波長50 m左右，煤層厚度<λ/4(12.5 m)，煤厚與煤層反射波振幅呈準線性，所以煤厚可用振幅來反演預測。

(2)煤層沖刷帶。煤層沖刷作用可分為同生沖刷和后生沖刷2種。同生沖刷在泥炭層被上覆沉積物覆蓋之前發生，沖蝕面積和深度都比較?。缓笊鷽_刷在泥炭層被上覆沉積物覆蓋之后發生，又分為2種情況：在煤系沉積過程中發生和在煤系形成之后發生。在煤系形成之后發生的沖刷作用，沖蝕面積和切割深度較大。沖刷作用(后生沖刷)會導致煤層厚度變薄或消失，在時間剖面上，表現為反射波同相軸的變弱、消失等情況。另外，煤層正常頂板也會被后生沖刷作用破壞，被河床相砂礫巖所替代。在礦區時間剖面上，雖然存在反射波同相軸的變弱、消失等情況，但在結合鉆孔數據仔細分析后，認為并不是沖刷作用的反映。

(3)古河床等地質體。煤系地層中如有古河床等地質異常體的存在，會造成地震資料出現異常，造成煤層反射波橫向的不連續[8]。還在縱向上表現出一定空間發育特征，此次三維地震資料解釋中利用屬性體識別技術和方差體技術，以及波阻抗反演技術，從而進行人機聯作交互分析地質異常體的存在及其特征。綜合分析結果，本區未發現古河床等地質異常體。

5 地震波對煤層及采空區的反映

5.1 地震波與鉆孔控制煤層的對應關系

本文以十八煤層為例，勘探區內十八煤層底板形態為一背斜構造(馮記溝背斜)，軸部位于勘探區中部，405孔—A405孔一線，軸向NNE轉近NS，總體向南傾伏，東翼較陡，西翼稍緩。十八煤層最小傾角5°，最大傾角40°。十八煤層底板標高在+950～+1 330 m，最深處位于勘探區西北部邊界附近，底板標高約+950 m；最淺處位于東北部邊界附近，約+1 330 m(圖5)，地震異常與實際鉆孔控制煤層產狀一致，三維地震勘探能夠很好地反映地下煤層的實際分布情況。

圖5 十八煤層鳥瞰Fig.5 Aerial view of No.18 coal seam

5.2 采空區域

三分區淺部煤層采空區面積約0.712 km2。本次勘探結合地質與地震資料對勘探區上部煤層采空區進行了解釋。由于采空區對地震波傳播產生不利影響，下部煤層反射波連續性變差，能量變化較大，在屬性切片上(圖6)，反映比較明顯[13-14]。

圖6 采空區對反射波影響在時間剖面上的反映Fig.6 Reflection of influence of goaf on reflected wave in time section

6 結論

通過對三維地震勘探可有效解釋礦區褶皺、斷層構造特征，煤層深度、起伏形態及深部采空區分布，從而為本區以后的礦井開發建設提供了較為可靠的地質資料。

(1)本次勘探共解釋斷點160個，解釋斷層12條，其中，正斷層11條，逆斷層1條。其中可靠斷層4條，較可靠斷層8條。

(2)對勘探區內褶幅大于10 m的褶曲重新解譯，其中馮記溝背斜軸部位置南端向西移動40 m，北端向西移動約200 m。

(3)勘探區內煤系地層總體形態為一背斜構造，軸部位于勘探區中部，結合鉆探、三維地震資料，背斜構造軸向NNE轉近NS，總體向南傾伏，東翼較陡，西翼稍緩。其中十八煤層最小傾角5°，最大傾角40°。

(4)通過勘探區西部三維地震異常解釋，分析了淺部煤層采空區影響區域，面積約0.712 km2；未發現煤層沖刷帶和古河床等其他地質異常體。