基于三維地震資料的趙樓煤礦構造和煤層精細解譯

任岐山，徐偉瑜，邢中海，皮 偉，張震潤

（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）

煤礦安全生產依賴于隱伏地下地質體的查明程度[1]。利用三維地質勘探技術經切片和多屬性分析[2-3]，結合鉆孔和測井曲線[4]，不僅可以查明煤層、斷裂、采空區和陷落柱的構造形態[5-6]，而且對異常體、煤層頂底板巖性解譯具有較為明顯的優勢[7-8]，使其成為煤礦生產中必不可少的手段[9-10]，對煤礦的采區布置、開采和安全生產具有重要作用。

本文以趙樓煤礦八采區和十采區為例，利用三維地震資料精細解譯結果，闡述了關鍵層位、褶皺、斷裂及巖漿巖的分布和煤層的厚度、分布及延展趨勢，識別出異常體和異常區分布范圍及特征，并進行了勘探前后對比，以期解決復雜煤層賦存地質問題，給煤礦生產和職工安全提供保障，具有良好的經濟效益。

1 自然地理條件

趙樓煤礦位于山東省鄆城縣城東南約22 km；屬黃河沖洪積平原，地形平坦，地面標高+42.12～+45.69 m；水系比較發育，河流溝渠縱橫成網，多系人工開掘的季節性河流，主要有洙趙新河及鄄鄆河，并與區內各溝渠相貫通；潛水面至地表4 m左右；屬溫帶半濕潤季風區海洋—大陸性氣候，氣候溫和，四季分明，春旱多風，夏熱多雨，晚秋又旱，冬長干冷多北風；最大積雪厚度0.15 m，最大凍土深度0.35 m。

2 地質及地震地質條件

2.1 地層

勘探區煤系地層以奧陶系灰巖為基底，沉積了石炭系本溪組碎屑巖、石炭—二疊系太原組、二疊系山西組及石盒子組碎屑巖，其上被新近系碎屑巖和第四系黏土所覆蓋。主要含煤地層為太原組和山西組。

（1）太原組（C2P1t）。太原組厚122.90～183.11 m，平均厚161.34 m，井田東南、西北方向相對較厚，東北、西南較薄。巖性為灰、灰黑色泥巖，粉砂巖和淺灰色中細砂巖、薄層石灰巖及煤層。

（2）山西組（P1s）。山西組厚0～138.90 m，平均厚70.00 m，西部最薄，向東向南逐漸增厚。巖性為淺灰、灰白色砂巖，深灰、灰黑色泥巖、粉砂巖及煤層，為主要含煤地層，其中3煤層厚度大，為本井田主要可采煤層。

2.2 煤層

含煤地層為山西組與太原組，2組地層平均總厚242.46 m，含煤25層。其中，山西組含煤4層（1、2、3上、3下煤層）；太原組含煤22層（4、5、6、7、8、9、10上、10中、10下、12上、12中、12下、14、15上、15中、15下、16上、16下、17、18上、18中、18下煤層）。煤層總厚21.29 m，含煤系數8.8%?？刹杉熬植靠刹擅簩涌偤?3.24 m，占煤層總厚的62.2%。其中，主采煤層為3上、3下、16上和16下煤層。

（1）3上煤層。位于山西組中上部，3煤層分叉后的上分層，厚0～6.45 m，平均厚3.57 m，屬不穩定煤層。結構簡單，含0～2層夾矸，巖性為炭質泥巖、泥巖、粉砂巖。頂板為泥巖、細砂巖夾中砂巖；底板為泥巖、粉砂巖。

（2）3下煤層。位于山西組中、下部，區內10個孔見此煤層，厚2.26～8.66 m，平均厚5.15 m，屬穩定煤層。結構較簡單，含0～3 層夾石，夾石巖性為泥巖、炭質泥巖。頂板為泥巖、粉砂巖、中砂巖、細砂巖，偶見粗砂巖；底板多為泥巖、粉砂巖。

（3）16上煤層。位于太原組上部，厚度1.15～2.14 m，平均厚1.38 m，區內2個孔揭露此煤層，屬局部可采的較穩定煤層。結構簡單，偶含1層泥巖、細砂巖夾石。灰巖為其直接頂板，局部有偽頂；底板多為泥巖、粉砂巖。

（4）16下煤層。位于太原組下部，厚度0～1.13 m，平均厚0.69 m，區內1個孔揭露此煤層，屬局部可采的較穩定煤層。可采范圍內煤層鉆孔揭露厚度0.75～1.13 m，平均厚0.95 m。結構簡單，不含夾石，頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖及砂質泥巖；底板多為泥巖、粉砂巖。

2.3 構造

勘探區位于魯西南斷塊拗陷的西北部新華夏系第二沉降帶南端復合部位。勘探前，總體為一向背斜相間構造，軸向NNW，傾角5°～15°；發育斷層17條，分別是：姚莊斷層、扈官屯斷層、FD51、F28、F30、Fd2、Fd3、Fd12、Fd13、Fd19、Fd20、Fd21、Fd22、Fd27、FZ5、FZ6、FZ7；構造復雜程度為中等偏復雜。

2.4 巖漿巖

區內存在巖漿巖侵入現象，但以脈巖為主。

2.5 地震地質條件

（1）表層地震地質條件。地形平坦，交通便利，區內有梁莊、常莊、霍莊、章窯、扈官屯等村莊，以及公路邊的眾多廠礦，部分村莊及廠礦面積較大，對地震數據采集及資料質量產生不利影響。表層地震地質條件復雜。

（2）淺層地震地質條件。區內潛水位4 m左右，7 m以下存在多層流沙層；在14.5 m左右存在礓石層（厚度10 cm左右）。淺層地震地質條件一般。

（3）深層地震地質條件。此次工作目的層有新生界、3煤層、16煤層、奧陶系灰巖。新生界（Q+N）較厚，新生界與下伏地層具有較大的波阻抗差異，具有形成反射波的良好條件，但物性變化較快，反射波（Tn波）時強時弱；3煤層厚度穩定，與上下頂底板圍巖間有明顯的波阻抗差異，形成的反射波T3波能量強、連續性好；16煤層厚度穩定，與頂底板圍巖間有明顯的波阻抗差異，但由于上部3煤的強屏蔽作用，形成的反射波T16波能量弱、連續性差；奧陶系灰巖與上覆地層波阻抗差異一般，并且由于上部煤系地層的屏蔽作用，形成的反射波Toh能量弱，連續性差。總體深層地震地質條件簡單。

總之，勘探區地震地質條件一般，對開展三維地震勘探工作較為有利[11-12]。

3 數據采集與處理

3.1 數據采集

（1）工程布置?？碧絽^地層走向基本為NE向，主要構造方向為NNE-N向，設計線束方向與主要構造走向基本垂直（EW向）。為保證實際控制范圍滿覆蓋次數，勘探范圍的北部邊界外推140 m，南部邊界外推140 m，東部邊界外推240 m，西部邊界不內推，滿覆蓋面積為15.85 km2，施工面積26.96 km2。共布置三維地震觀測線束28束，線束物理點9 700個，備用物理點200個，試驗物理點35個物理點，合計9 935個物理點。

（2）試驗工作。此次工作按照單一因素變化的原則，有針對性地進行觀測系統和采集參數試驗，最終選擇施工參數（圖1）：激發井深12 m；激發藥量2 kg；法國Sercel 428XL遙測數字地震儀；采樣間隔0.5 ms；記錄長度2.0 s；全頻段72道中間點對稱（36L+R36）接收。

圖1 井深、炮量、接收放松試驗對比單炮記錄Fig.1 Comparison of well depth，shot volume and receiving relaxation test with single shot record

實測炮點12 000個（炮點加密），檢波點30 000個。復測檢核點1 694個，實測點2次測量檢核ΔX最大值為 0.281 m，ΔY最大值為0.269 m，ΔH最大值為0.258 m，誤差均在限差范圍內。

3.2 資料處理

采用Dell 7400處理工作站進行資料處理工作，采用GEOVECTEUR PLUS3100處理軟件和GRISYS地震數據處理軟件，采用野外靜校正、地表一致性反褶積、常速掃描、三維傾角時差校正處理技術、三維一步法偏移技術（圖2），最大限度地提高了資料的分辨率，達到剖面歸位準確，目的層連續性較好、斷點清楚可靠。

資料解釋采用DELL-GF工作站，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），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，主要解決了波組特征、主要目的層反射波地質層位的確定（圖3）、構造與巖性解釋，形成了各類地震地質剖面圖。

圖2 偏移前后時間剖面對比Fig.2 Comparison of time profiles before and after migration

圖3 過鉆孔剖面與合成記錄對比Fig.3 Comparison between through borehole profile and synthetic record

4 三維地震地質成果

此次工作識別了新生界厚度情況和奧灰頂界面形態特征；解譯出主要褶皺、斷裂、巖漿巖和異常體的分布及位置；控制了3煤層和16煤層的埋藏深度、起伏形態和厚度變化趨勢；進行了3煤層勘探前后構造對比，為煤礦開采提供了有力的技術支撐。

4.1 基礎地質成果

（1）地層。新生界由東向西逐漸變厚，厚度為605～725 m。最厚處位于勘探區西南角，最薄處位于勘探區東北角。奧灰頂界面形態由幾個大的褶曲控制，總體呈軸向近NNW向的向背斜形態，向SSE傾伏，局部發育有一些小的褶曲，傾角2°～19°，最陡處位于鉆孔133北約400 m處，最緩處位于鉆孔132附近。奧灰頂界面深度在860～1 200 m，最深處位于鉆孔133北部邊界附近，最淺處位于常莊北部邊界附近。

（2）斷層。勘探區共解釋斷層55條，新發現的斷層35條，均為正斷層[13-14]。其中，落差為5～10 m的斷層有22條，落差為10～20 m的斷層有4條，落差為20～50 m的斷層有6條。其中，典型斷層有SF36、DF31、DF47和FZ6斷層等，均錯斷3煤、16煤和奧灰頂界面。SF36斷層（圖4（a））位于勘探區東北部，正斷層，走向NNE，傾向SEE，傾角70°左右，在3煤層，落差0～26 m，區內延伸長度1 230 m。DF31斷層位于勘探區東北部，正斷層，走向NE，傾向NW，傾角70°左右，在3煤層，落差0～10 m，區內延伸長度660 m。DF47斷層（圖4（b））位于勘探區中部，蓮王村附近，正斷層，走向NNE，傾向SEE，傾角70°左右，在3煤層，落差0～27 m，區內延伸長度2 420 m。FZ6斷層（圖4（c））位于勘探區南部，扈官屯村附近，正斷層，走向NNE，傾向SEE，傾角70°左右，在3煤層，落差0～36 m，區內延伸長度2 600 m。

圖4 斷層和褶皺在時間剖面上的反映Fig.4 Reflection of faults and folds on time profile

（3）褶皺。勘探區煤層呈向背斜相間的形態[15-16]，共解釋4個褶曲構造，分別為李集背斜、霍莊向斜（圖4（d）），S1背斜、S2向斜（圖4（e））。如：李集背斜位于勘探區東北部，軸部沿鉆孔130—郭樓村—鉆孔Z5一線，被FD51、DF31斷層錯斷，軸向NNW，向SSE傾伏，區內延展長度約2 820 m，幅度20～45 m，兩翼基本對稱，傾角5°～12°。

（4）巖漿巖。區內共解釋8處巖漿巖分布區，分布在勘探區東北部，面積約0.547 km2，其中最大約0.306 km2，最小約0.003 km2，時間剖面上常表現為放射波突然消失或能量變弱（圖4（f））。

4.2 煤層特征

（1）3煤層。區內3煤形態由幾個大的褶曲控制，總體呈軸向近NNW向的向背斜形態，向SSE傾伏，局部發育有一些小的褶曲，傾角2°～19°。最陡處位于鉆孔133北約400 m處，傾角約19°；最緩處位于鉆孔132附近，傾角約2°。埋深700～1 000 m，最深處位于鉆孔133北部，約1 000 m；最淺處位于常莊北部邊界附近，約700 m。厚度0.5～10 m，大部分厚4～8 m，最厚處位于勘探區中部，約10 m。

時間剖面上，T3波和Tn波在隱伏露頭位置附近逐漸靠攏合并[17-18]，下部的T16波因為上部3煤層強屏蔽作用的消失，能量變強，連續性變好；薄煤區在時間剖面上表現為煤層反射波連續性差、能量變弱或消失[19]，共解釋了9處薄煤區（圖5）。

（2）16煤層。16煤形態由幾個大的褶曲控制，總體呈軸向近NNW向的向背斜形態，向SSE傾伏，局部發育有一些小的褶曲；傾角2°～19°。最陡處位于鉆孔133北約400 m處，最緩處位于鉆孔132附近；埋深830～1 150 m，最深處位于鉆孔133附近，最淺處位于勘探區西部邊界附近。

4.3 異常體及異常區的控制

（1）異常體。此次工作解釋了1個地質異常體（YX1異常體），位于勘探區西部，常莊村西南約200 m，呈不規則圓形，在3煤層上的長軸長50 m，短軸長43 m，面積約0.002 km2。在Inline和Xline兩個方向的時間剖面上，異常體附近的反射波發生明顯的向內扭曲現象（圖6）[20-21]，反映比較明顯；在屬性切片上，異常體附近有明顯的圈閉現象。

圖6 異常體在時間剖面上的反映Fig.6 Reflection of abnormal body on time profile

（2）異常區。此次工作解釋過程中發現有3處反射波異常區。在時間剖面上，反射波表現為扭曲、錯斷或者消失等異常情況，在屬性切片上反映也比較明顯，但不能準確定性[22]。

異常區YC1位于富李集村西部約100 m，呈不規則多邊形，面積0.269 km2，在時間剖面上反映較為明顯，可能由深部反射條件異常所致；異常區YC2位于富李集村北部，呈不規則多邊形，面積0.055 km2，在時間剖面上反映較為明顯，可能由巖漿巖侵入影響所致；異常區YC3位于勘探區西部，鉆孔132南約400 m，呈不規則多邊形，面積0.017 km2，在時間剖面上反映較為明顯，可能與附近廠房、養殖廠等障礙物連接成片有關。

4.4 勘探前后構造對比

勘探前后，3煤底板形態及埋深變化不大，但在構造方面變化較大?？碧角昂?，3煤形態總體呈軸向近NNW向的向背斜形態，向SSE傾伏，局部發育有一些小的褶曲，3煤埋深690～1 000 m。勘探前，勘探區內發育斷層26條，勘探后，否定了6條斷層，并對剩余的20條斷層進行了部分或較大的修改（圖7），新增加斷層35條；勘探后，在勘探區西部，常莊村西南約200 m，解釋了1個異常體YX1，呈不規則圓形，長軸長50 m，短軸長43 m，面積約0.002 km2；勘探前，勘探區內沒有異常區，勘探后，新解釋3處異常區。

圖7 勘探前后斷裂在時間剖面上的反映的對比Fig.7 Comparison of reflection of faults on time profile before and after exploration

5 結語

通過對趙樓煤礦八采區和十采區三維地震資料進行精細解譯，識別出豐富的地質信息。不僅解譯出新生界面、奧灰頂界面、褶皺、斷裂、巖漿巖和煤層分布，而且識別出異常體與異常區的分布以及斷裂和異常體對煤層的控制與破壞，并進行勘探前后地層和構造變化特征對比，為巷道布設提供地質依據。

（1）趙樓煤礦八、十采區三維地震工程布置沿EW向，采用井深12 m、激發藥量2 kg、采樣間隔0.5 ms、記錄長度2.0 s、全頻段72道中間點對稱（36L+R36）接收方式實施三維地震觀測線束28束，完成物理點9 935個。

（2）趙樓煤礦八、十采區新生界由東向西逐漸變厚；奧灰頂界面形態呈軸向近NNW向的向背斜形態；主采3煤層厚4～8 m，發育9個薄煤區；識別出4個褶曲構造、55條斷層（新發現斷層35條）和8個巖漿巖分布區；否定了6條斷層、修正了20條斷層，新增了35條斷層；解譯出1個地質異常體和3個地質異常區；建立了地層格架和主采煤層的厚度和時空變化趨勢，并進行了勘探前后構造對比，有效保障了礦井的安全開采。