鄂爾多斯布爾臺煤礦三盤區三維地震勘探技術應用

徐偉瑜，任岐山，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）

煤炭作為我國最主要能源燃料，曾被冠以“黑金”、“工業糧食”等美稱，對人類社會的發展起到了巨大作用[1]。鄂爾多斯市是我國第一產煤大市，享有“海之鄉”的美譽，煤炭產業推動了經濟的快速發展，布爾臺煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗布爾臺鄉境內，可采儲量18.5億t。

為了保障布爾臺煤礦三盤區安全、高效生產，對其開展了三維地震勘探，旨在查明區內地質構造的發育情況及煤層賦存狀態，為合理布置巷道及采掘工作面提供地質依據。

1 自然地理條件

井田位于鄂爾多斯高原東北部，屬黃土高原地帶，布爾臺到伊金霍洛旗阿鎮公路地帶的山梁部位較高，向北東、西南兩側變低；屬高原侵蝕性丘陵地貌，大部分地區為低矮山丘，植被稀疏，發育有大量季節性沖溝；位于烏蘭木倫河和呼和烏素溝之間，常年性地表河流，其河水量受大氣降水控制，夏秋水大，冬春水小；屬半沙漠—半干旱高原大陸性氣候，太陽輻射強烈，日照豐富，冬季漫長寒冷，夏季短暫炎熱，春秋干燥多風，日夜溫差大，結冰期10月初至次年4月，最大凍土深度可達1.71 m；從未發生過較大的破壞性地震，亦無泥石流、滑坡及塌陷等不良地質災害發生。

2 地質概況

2.1 地層

勘探區位于東勝煤田的南部，地表主要為下白堊統志丹群（K1zh）和第四系（Q4）。據鉆孔資料，區內地層由老至新發育有：①上三疊統延長組（T3y）。黃、灰綠、紫、灰黑色中粗粒砂巖泥巖和煤線。②中下侏羅統延安組（J1-2y）。淺灰、深灰色砂巖、泥巖、砂質泥巖夾煤，為盆地的主要含煤地層，最多含可采煤層13層，一般3～6層，可采總厚最大27 m，單層最大厚度12 m。③中侏羅統直羅組（J2z）。灰白、灰綠、蘭灰色砂巖、粉砂巖和砂質泥巖。④安定組（J2a）。紫紅、暗紫色中粗粒長石砂巖、泥巖、砂質泥巖。⑤下白堊統志丹群（K1zh）。淺灰、灰綠、棕紅、灰紫色泥巖、粉砂巖、砂質泥巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖和礫巖。⑥第四系現代風積中細沙及沙土。

2.2 煤層

區內共有可采煤層8層，即12上、12、22、22下、42上、42、52、52下煤層，其中全區或基本全區可采煤層4層，分別為12上、22、42上、52下煤層，其他4層為局部可采煤層。

（1）12上煤層。位于延安組第三巖段的上部，全區可采，厚1.6～5.71 m，平均厚3.33 m；結構復雜，含夾矸0～5層，為砂質泥巖；層位較穩定，但厚度變化較大；頂板為中粒砂巖、細粒砂巖、砂質泥巖和粉砂巖；底板為粗粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖。

（2）22煤層。位于延安組第一、二巖段的上部，屬于西部局部不開采、基本全區可采的較穩定煤層，厚度范圍0.33～3.91 m，平均厚1.68 m；結構復雜，含夾矸0～4層，為砂質泥巖、泥巖。頂板為中粒砂巖、細粒砂巖、砂質泥巖和粉砂巖；底板為中粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖和泥巖。

（3）42上煤層。位于延安組第一、二巖段的中部，全區可采，厚4.04～7.85 m，平均厚5.93 m；結構較簡單，一般不含夾矸，層位穩定。頂板為細粒砂巖、砂質泥巖、粉砂巖；底板為粗粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖。

（4）52下煤層。位于52煤層之下，三盤區基本全區可采，厚1.44～4.03 m，平均厚2.42 m；結構較簡單，含0～2層夾矸，為砂質泥巖、泥巖；煤層厚度變化較大，但煤層層位較穩定。頂板以砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖為主，粗粒砂巖、中粒砂巖次之；底板為中粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖。

此外，12煤層位于延安組第一、二巖段的頂部，厚0～1.69 m，平均厚0.99 m，結構復雜。22下和42煤層位于中上部，前者厚0.98～2.34 m，平均厚1.62 m，結構較簡單；后者厚0.89～4.51 m，平均厚2.21 m，結構復雜。52煤層位于底部，厚0.22～1.93 m，平均厚0.67 m，結構較簡單。

2.3 構造

東勝煤田位于華北地臺鄂爾多斯臺坳東勝隆起，構造形態為一向南西傾的單斜構造，傾角一般為1°～5°，無明顯的褶皺及大的斷層，僅在煤田東部發育有少量高角度正斷層。

井田位于東勝煤田南部，其構造形態與區域構造形態一致，主要煤層賦存形態表現為一由東北向西南傾斜的近水平產狀的單斜構造。地層走向約NW20°，傾向約SW70°，地層傾角小于5°。地質勘查階段未發現斷層，但礦井生產揭露斷層216條，三維地震發現斷層203條，均為正斷層。落差大于10 m的生產揭露斷層6條，三維地震發現斷層16條；落差5～10 m生產揭露斷層16條，三維地震發現斷層83條；落差小于5 m的生產揭露斷層88條，三維地震發現斷層104條。

2.4 巖漿巖

勘探區無巖漿巖侵入現象。

2.5 地震地質條件

（1）表層地震地質條件。地表高差較大，潛水面深度較深，地表大部為干滑沙化土質，溝壑交錯，地形破碎，交通困難。西北邊界中段有房屋建筑，面積不大；中部有耕地、林地；東南部有沙場、水塘，復雜的地表條件給地震測線布置和野外施工帶來了一定困難。表層地震地質條件較差。

（2）淺層地震地質條件。勘探區大部分被第四系黃沙土覆蓋，厚0～17 m，其下為紅色砂巖，泥質膠結，是良好的激發層位；部分地段在黃土覆蓋層下，有厚度不等的礫石層；淺表層巖性變化較快，給成井造成了一定困難。淺層地震地質條件一般。

（3）深層地震地質條件。勘探目的層有12上、22、42上、52下煤層，煤層中波速為2 200～2 600 m/s，圍巖中波速為3 000～3 800 m/s。主要原因是煤層與圍巖密度和速度差異較大，煤層與圍巖波阻抗差異明顯，能形成能量較強的煤層反射波[2-3]；但煤層層數較多，煤層間距變化較大，反射波大多以復合波的形式出現，反射波互相干涉，煤層反射波的一些屬性和煤層厚度的相關性變差，給煤層厚度解釋帶來了很大的難度。深層地震地質條件一般。

總之，勘探區地震地質條件中等，小斷層和煤厚解釋有一定難度。

3 數據采集、處理與解釋

3.1 數據采集

采用規則束狀12線6炮觀測系統，線束大體沿地層傾向布置，北偏西約29.4°。為保證三維地震勘探實際控制面積達到滿覆蓋次數，并考慮地層傾角影響，12線6炮觀測系統橫向外推6個炮點，中間激發炮點向邊界外推3個炮點，共布置三維地震觀測線束13束，線束物理點8 522個，合計8 568個（含試驗物理點28個和低速帶物理點18個），施工面積12.65 km2，CDP覆蓋面積11.17 km2，滿覆蓋面積8.54 km2。

勘探區淺表層地震地質條件復雜，橫向變化快，分為厚黃土區（黃土厚度大于3 m）、薄黃土區（黃土厚度小于3 m）、基巖出露區，有針對性地進行觀測系統和采集參數試驗。

經實驗選擇施工參數如下：厚黃土區洛陽鏟成孔，成孔至紅色風化砂巖，深度大于3 m，藥量1.0～1.5 kg；薄黃土區洛陽鏟與風鉆配合成孔，入基巖1 m，井深不低于3 m，藥量1 kg；基巖出露區風鉆成孔，井深2.5～3.0 m，藥量1 kg。采用428XL數字地震儀，采樣率0.5 ms，采樣長度2 s，全頻段接收；前放增益12 dB，接收線12條；對稱或不對稱中間點，單邊道數不大于80道；接收線距40 m，接收道距10 m；每束線與上一束重合9條接收線。

3.2 資料處理

勘探區地勢起伏較大，淺層地震地質條件比較復雜，高程變化大，原始單炮記錄初至波跳躍劇烈，進行靜校正[4]；淺層多次折射及工業干擾，原始資料信噪比差異較大、各類干擾嚴重，利用針對性的方法和參數，逐步地進行合理的疊前去噪、壓制干擾波、提高資料的信噪比，突出有效波[5]；利用“載波調制”法雙向拓頻技術適度拓寬頻帶，提高地震資料的縱向分辨率；采用各向異性疊前時間偏移處理技術，解決復雜小斷塊準確成像問題。

3.3 資料解釋

（1）主要目的層確定。利用地質鉆孔柱狀與測井曲線制作合成地震記錄，與過孔時間剖面對比，確定各主要反射波所對應的地質層位（圖1）。

圖1 過鉆孔剖面與合成記錄對比Fig.1 Comparison between through borehole profile and synthetic record

12上煤層（T1-2s）能量最強，連續性好，全區可連續追蹤，主頻約為50 Hz，橫向上能量有所變化，主要與12上煤層厚度變化有關；22煤層（T2-2）能量較T1-2s波弱，基本全區可連續追蹤，主頻約為50 Hz，橫向上能量有變化，T2-2波上距T1-2s波27～42 ms，間距基本穩定；42上煤層（T4-2s）能量較強（42上煤層厚度全區最厚），全區可連續追蹤，主頻為45～55 Hz，T4-2s波上距T2-2波40～50 ms，間距基本穩定；52下煤層（T5-2x）能量較其他反射波弱，連續性一般，主頻為45～55 Hz，橫向上能量變化較大，T5-2x波上距T4-2波35～45 ms，間距基本穩定。

（2）構造解釋。褶曲為煤系地層整體形態為呈一近水平的單斜形態，偶爾有一些起伏（圖2（a）），但幅度較小。這些起伏不僅可以在地震時間剖面上直觀地反映出來，在其他一些屬性圖片上反映也比較明顯。

斷點：在時間剖面上，同相軸的錯斷、分叉、扭曲等（圖2（b）、圖2（c）），其中主要標志是同相軸的錯斷，有一定的時差，在剖面上可以解釋[6-7]。

（3）煤厚解釋。區內12上煤層厚1.0～6.0 m，22煤層厚1.0～3.5 m，42上煤層厚3～7.5 m，52下煤層厚1.0～3.5 m，煤層層速度為2 400～2 500 m/s，主頻在45～50 Hz附近，煤層反射波主波長在48～55 m，煤厚小于λ/4（薄層反射波波峰與波谷視時差近似為一個常數）[8]，煤厚與煤層反射波振幅呈準線性，可用振幅來反演煤厚。此外，利用PETROL軟件提取了多種地震屬性，通過BP人工神經網絡預測，優選了6種屬性（平均能量、最大振幅、最小振幅、平均振幅、均方根屬性、主頻屬性）作為神經元[9-10]，也對煤層進行了解釋。

圖2 斷裂、褶曲和異常區在時間剖面上的反映Fig.2 Reflection of faults，folds and abnormal areas on time profile

4 地質成果

勘探區構造解釋以疊后時間偏移數據體為主，同時參考疊加數據體和分頻數據體[11-12]，并利用了提取的多種屬性成果圖件。

4.1 斷層與褶曲

（1）斷層。此次共解釋斷點276個，新發現正斷層43條。其中，落差5 ～ 10 m的斷層有2條（BF177、BF185），落差3 ～ 5 m的斷層12條（BF174、BF182、BF183、BF186、BF187、BF188、BF189、BF194、BF197、BF200、BF206、BF207）。

BF177斷層位于勘探區西部、鉆孔BK212西100 m，正斷層，走向NW，傾向SW，傾角65°左右，同時錯斷12上、22、42上、52下煤層（圖2（b）），在42上煤層上落差0～5 m，區內延伸長度695 m。

BF185斷層位于勘探區中部、鉆孔BK195西80 m，正斷層，走向NW，傾向NE，傾角60°左右，該斷層錯斷12上煤層（圖2（c）），落差0～5 m，區內延伸長度460 m。

BF189斷層位于勘探區中部、鉆孔BK194西40 m，正斷層，走向NW，傾向NE，傾角60°左右，該斷層錯斷12上煤層，落差0～4 m，區內延伸長度477 m。

BF183斷層位于勘探區中部、鉆孔BK196與BK198之間，正斷層，走向NW，傾向SW，傾角55°左右，該斷層錯斷12上煤層，落差0～4 m，區內延伸長度448 m。

（2）褶曲。此次共解釋出寬緩的褶曲構造2個，分別為S1向斜和S2背斜（圖2（a））。前者位于勘探區西北部，軸部位置在鉆孔BK229、BK222、BK214、BK208附近，軸長約2 050 m，軸向由NNW轉為NS，向N傾伏，幅度約10 m，兩翼基本對稱；后者位于勘探區西北部，軸部位置在鉆孔BK236、BK153、BK111附近，軸長約2 100 m，軸向NNW，幅度約10 m，兩翼基本對稱。

（3）煤層頂板異常區。此次共解釋了煤層頂板異常區3處，分別位于22煤層（YC1）、42上煤層（YC2、YC3）。

22煤層解釋了1處煤層頂板異常區，位于勘探區東部，鉆孔BK129、BK172、BK57、BK130附近，勘探區內面積約0.674 km2。在時間剖面上反映為反射波能量突然變弱、消失；在屬性切片上，該區域異常反映也比較明顯。根據鉆孔資料，該處22煤層頂板為砂質泥巖，推測頂板巖性變化導致波阻抗差異變小，在時間剖面上表現為反射波能量變弱[13]。

42上煤層解釋了2處煤層頂板異常區，在時間剖面上反映為反射波能量突然變弱；在屬性切片上，該區域異常反映也比較明顯。其中，YC2位于勘探區中部、鉆孔BK196附近，勘探區內面積約0.227 3 km2；YC3位于勘探區南部（圖2（d）），鉆孔BK198附近，勘探區內面積約0.077 5 km2；據鉆孔（YC2鉆孔BK196、YC3鉆孔BK130和BK172）資料顯示頂部均為砂質泥巖，推測頂板巖性變化導致波阻抗差異變小，在時間剖面上表現為反射波能量變弱。

4.2 主要煤層特征

區內煤層（12上、22、42上和52下）較穩定，起伏形態基本一致，底板、形態呈走向近NS的單斜構造，向W向傾伏，傾角1°左右，在西部發育幅度約為10 m的褶曲。此外，發現3處薄煤區，在時間剖面上反映為反射波能量突然變弱，在屬性切片上，區域異常反映也比較明顯[11]。

（1）12上煤層特征。厚度由東向西變薄，厚 1.5～5.5 m，并解釋了2處（BM1和BM2）煤層厚度變薄區（圖3（a）、圖3（b））。BM1位于勘探區西部，鉆孔BK230附近，勘探區內面積約0.091 4 km2，在鉆孔BK230處厚度為1.62 m，相對于周圍（鉆孔BK229、BK221、BK222、BK223、BK231）變薄。BM2位于勘探區東部邊界附近、鉆孔BK129東180 m處，勘探區內面積約0.009 4 km2，在鉆孔BK20處厚度僅為0.87 m，相對于周圍（鉆孔BK92、BK129、BK97）變薄。另外根據巷道揭露情況，該處12上煤層厚度也突然變薄，與解釋結果一致。

（2）22煤層特征。煤層厚度由東向西變薄，厚0.3～3.8 m，并解釋了1處（BM3）煤層厚度變薄區（圖3（c）），薄煤區位于勘探區鉆孔BK236、BK153、BK118、BK208連線以西，區內面積約2.052 km2，根據鉆孔（BK153、BK214、BK222、BK221、BK223等）資料，區域厚度均小于0.8 m。

圖3 主要煤層在時間剖面上的反映Fig.3 Reflection of main coal seams on time profile

此外，42上煤層由東向西變薄，厚4～8 m；52下煤層由西向東變薄，厚1.4～4.0 m。

4.3 勘探前后構造對比

（1）煤層埋深及形態對比。勘探前后，主要可采煤層形態變化不大，總體呈走向近NS的單斜構造，向W向傾伏，傾角1°左右。勘探后，對主要可采煤層埋深和起伏形態的控制更為精細，另外在勘探區西部解釋了2個幅度約為10 m的褶曲。

（2）構造對比。勘探后，新解釋了43條斷層（其中落差大于等于3 m的14條），3處煤層變薄區，3處煤層頂板異常區，2處異常區。如12上煤層新解釋斷層18條，煤層變薄區2處。

5 結語

（1）布爾臺煤礦三盤區共解釋斷層276條，新發現正斷層43條，均為正斷層；共解釋2個褶曲構造和3處煤層頂板異常區。

（2）主要煤層較穩定，起伏形態基本一致，呈走向近NS的單斜構造，傾角1°左右，煤層厚1～8 m為主，且有3處薄煤區。

（3）勘探前后，主要可采煤層形態變化不大；構造格架發生較大變化，新解釋43條斷層、3處煤層變薄區、3處煤層頂板異常區、2個褶曲構造；為工作面采區和巷道布設提供了地質依據。