三維地震勘探技術(shù)在布雅煤礦的應(yīng)用

何家金 李元杰

(1.新疆和田布雅煤礦一號(hào)井 新疆 和田 848009; 2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司 陜西 西安 710077)

為查明一號(hào)井接續(xù)采區(qū)可采煤層賦存狀況和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，指導(dǎo)采區(qū)合理布置，為90 萬t/a 年礦井改擴(kuò)建提供地質(zhì)依據(jù)，新疆和田布雅煤礦一號(hào)井決定進(jìn)行三維地震勘探工作。本文通過三維地震勘探技術(shù)在布雅煤礦一號(hào)井的應(yīng)用，說明三維地震勘探技術(shù)在煤田勘探中得到廣泛應(yīng)用，并取得顯著的地質(zhì)效果。隨著勘探裝備的升級(jí)、技術(shù)進(jìn)步和勘探精度的提高，三維地震勘探技術(shù)必將為煤礦安全高效生產(chǎn)提供更加可靠的地質(zhì)保障。

1 概況

1.1 三維地震勘探地質(zhì)任務(wù)

三維地震勘探面積5.34 km2，主要地質(zhì)任務(wù)如下。

（1）查明勘探區(qū)內(nèi)的構(gòu)造形態(tài)，控制可能影響井田劃分的構(gòu)造，評(píng)價(jià)勘探區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度。查明號(hào)煤層中落差大于5 m 斷層的性質(zhì)及延展情況，平面位置擺動(dòng)誤差不大于30 m。

（3）查明勘探區(qū)內(nèi)波幅大于10 m 的褶皺，解釋其形態(tài)。

（4）控制勘探區(qū)內(nèi)的煤層露頭，其平面位置誤差不大于30 m。

（5）定性解釋勘探區(qū)內(nèi)煤層厚度變化趨勢。

1.2 地質(zhì)概況

區(qū)域地層屬劃屬塔東南地層分區(qū)（Ⅹ）民豐地層小區(qū)（Ⅹ1）。地層層序自老至新分別為元古界、古生界石炭系上塔哈奇組（C3t）、二疊系下統(tǒng)普斯格組（P1p）、二疊系上統(tǒng)杜瓦組（P2d）、侏羅系下統(tǒng)康蘇組（J1k）、侏羅系中統(tǒng)楊葉組（J2y）、侏羅系上統(tǒng)庫孜貢蘇組（J3k）、白堊系下統(tǒng)克孜勒蘇群（K1kz）、古近系喀什群（Ekz）和第四系全新統(tǒng)（Q4）。

井田內(nèi)出露地層有古生界二疊系上統(tǒng)杜瓦組（P2d）、中生界侏羅系下統(tǒng)康蘇組、侏羅系中統(tǒng)楊葉組（J2y）和侏羅系上統(tǒng)庫孜貢蘇組（J3k）、白堊系下統(tǒng)克孜勒蘇群（K1kz）、新生界古近系喀什群（Eks）和第四系（Q）。

1.3 地震地質(zhì)條件

（1）勘探區(qū)地形屬丘陵地帶，風(fēng)化堆積的原巖破碎層、現(xiàn)代洪積作用形成的砂、礫石和黏土組成的洪積層分布在山坡上，風(fēng)積沙土層分布于局部溝谷兩岸。表層松散的砂、礫石層、沙土層對(duì)地震激發(fā)的高頻信號(hào)能量的吸收衰減作用較強(qiáng)，對(duì)地震波激發(fā)與地震數(shù)據(jù)信息接收造成困難。因此，勘探區(qū)淺表層地震地質(zhì)條件評(píng)價(jià)為復(fù)雜區(qū)。

（2）勘探區(qū)含煤地層為侏羅系下統(tǒng)康蘇組和侏羅系中統(tǒng)楊葉組，整體為一傾向125°左右的單斜構(gòu)造，傾角7°～11°，構(gòu)造簡單。主采煤層發(fā)育較穩(wěn)定，煤層頂、底板巖性主要為粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖，與煤層的物性差異較大；煤層與其頂?shù)装鍑鷰r的波阻抗值存在較大差異，具備形成良好反射波的條件[1-2]。因此，勘探區(qū)深層地震地質(zhì)條件評(píng)價(jià)為一般區(qū)。

（3）勘探區(qū)淺表層地震地質(zhì)條件屬于復(fù)雜區(qū)，深層地震地質(zhì)條件屬于一般區(qū)。因此，綜合地震地質(zhì)條件評(píng)價(jià)為復(fù)雜區(qū)，具備完成三維地震勘探地質(zhì)任務(wù)的有利的物性基礎(chǔ)條件。

2 三維地震數(shù)據(jù)采集

2.1 觀測系統(tǒng)

借鑒之前類似區(qū)域三維地震勘探施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)地質(zhì)任務(wù)，分析地震地質(zhì)條件，使用室內(nèi)專業(yè)軟件模擬，進(jìn)行多種觀測系統(tǒng)參數(shù)論證和對(duì)比分析，最終確定采用12L×5S×72T×6R×30 次線束狀觀測系統(tǒng)。測線方向按N54°W 布設(shè)，施工以束為單位，每束內(nèi)有12條測線接收，每條測線72道接收，線距為20 m，道距為10 m，炮排距為60 m，中點(diǎn)激發(fā)，每束滾動(dòng)1條測線，獲取網(wǎng)格5 m×10 m的CDP面元，滿覆蓋次數(shù)為30次。

2.2 儀器因素

地震勘探數(shù)據(jù)采集采用G3i地震儀，檢波器頻率為60 Hz，儀器前放增益參數(shù)為12 dB，采樣間隔為1 ms，記錄長度為1.5 s，獲取單炮原始記錄數(shù)據(jù)格式為SEG-Y。

2.3 激發(fā)因素

三維地震勘探使用P-28 型可控震源激發(fā)。對(duì)可控震源的震動(dòng)次數(shù)、震動(dòng)臺(tái)數(shù)、掃描長度、掃描頻率和驅(qū)動(dòng)電平5個(gè)參數(shù)進(jìn)行單一因素變化試驗(yàn)。通過對(duì)比分析，最終確定震動(dòng)次數(shù)為4次、震動(dòng)臺(tái)數(shù)2臺(tái)、掃描長度12 s、掃描頻率為10～115 Hz和驅(qū)動(dòng)電平75%的可控震源激發(fā)參數(shù)。

2.4 野外工作量與質(zhì)量評(píng)述

三維地震勘探施工面積為9.53 km2，控制面積為5.34 km2，滿覆蓋面積為5.77 km2。完成試驗(yàn)物理點(diǎn)40個(gè)，生產(chǎn)物理點(diǎn)4 915 個(gè)，總物理點(diǎn)4 955 個(gè)。按照《煤田地震勘探規(guī)范》（DZ/T 0300-2017）評(píng)級(jí)，生產(chǎn)記錄4 915 張，其中甲級(jí)記錄3 716 張，占總數(shù)的75.61%，乙級(jí)記錄1 199 張，占總數(shù)的24.39%，無廢品。另外，試驗(yàn)物理點(diǎn)全部合格，工作量和質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

3 三維地震資料處理與解釋

3.1 資料處理

（1）定義觀測系統(tǒng)就是對(duì)炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)的位置及排列關(guān)系的定義。觀測系統(tǒng)定義后，使用加載觀測系統(tǒng)模塊將觀測系統(tǒng)置入道頭或者數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行面元?jiǎng)澐郑_定炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的排列圖形。

（2）靜校正是研究低降速帶厚度、速度、地形變化引起的波場畸變，并進(jìn)行校正。設(shè)定基準(zhǔn)面高程為3 000 m，替換速度為3 200 m/s，通過初至波層析成像技術(shù)反演近地表速度模型，計(jì)算出激發(fā)點(diǎn)和檢波點(diǎn)地表一致性層析靜校正量，進(jìn)行長短波長分離，達(dá)到消除地表起伏對(duì)地震資料的影響。

（3）地表激發(fā)接收和地震波的幾何擴(kuò)散等因素會(huì)導(dǎo)致地震記錄能量、炮間、道間能量的不均衡，給后續(xù)的地震成像與解釋反演帶來困難，消除這些影響需要進(jìn)行振幅補(bǔ)償處理。振幅補(bǔ)償處理一般包括地表一致性振幅補(bǔ)償技術(shù)和幾何擴(kuò)散補(bǔ)償（或球面擴(kuò)散補(bǔ)償）技術(shù)。振幅補(bǔ)償處理技術(shù)均衡單炮深淺能量、炮間能量和道間能量，消除地表、激發(fā)、接收等因素帶來的能量的差異。

（4）受近地表?xiàng)l件變化和采集過程中各種因素的影響，采集獲得的地震原始記錄中存在多種類型的干擾[3]。波提高信噪比是地震數(shù)據(jù)處理中最重要的處理模塊之一，對(duì)各種干擾波進(jìn)行有效壓制，增強(qiáng)有效信號(hào)的能量，有利于優(yōu)質(zhì)的地震剖面。針對(duì)有效波和干擾波不同的差異，在地震資料疊前去噪處理中，提出各種壓制干擾的方法，最大程度地壓制噪聲，突出有效波。針對(duì)區(qū)內(nèi)存在的低頻面波干擾，處理中采用三維FK濾波消除面波和線性干擾。

（5）反褶積是地震數(shù)據(jù)處理中壓縮子波、提高分辨率的主要技術(shù)手段。地表一致性反褶積方法基于地表同一位置的濾波作用與地震波的入射角無關(guān)，無論深、中、淺層反射，其濾波作用均相同的理論[4]。在做好靜校正、疊前去噪和能量補(bǔ)償?shù)忍幚憝h(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，選用地表一致性反褶積，進(jìn)一步消除橫向上的波形不一致問題，增強(qiáng)地震子波的橫向穩(wěn)定性。經(jīng)過地表一致性反褶積多個(gè)參數(shù)測試，最終選定參數(shù)為：預(yù)測步長為12 ms，因子長度為200 ms。反褶積后目的層的分辨率得到提高，頻譜明顯拓寬，垂向分辨率明顯提高。

（6）速度分析與剩余靜校正是數(shù)據(jù)處理的重要流程。通過速度分析和剩余靜校正的迭代進(jìn)行，獲得最優(yōu)的疊加剖面和最佳疊加速度，為后期偏移成像奠定基礎(chǔ)。

（7）偏移的主要目的是消除地下傾斜界面對(duì)反射波的影響，使波場圖像恢復(fù)地下地質(zhì)體的真實(shí)圖像，從而正確地反映地下形態(tài)和構(gòu)造特征等情況。利用疊加數(shù)據(jù)進(jìn)行疊后時(shí)間偏移，初步了解工區(qū)構(gòu)造形態(tài)，采用疊前時(shí)間偏移獲取偏移剖面用于構(gòu)造解釋。

3.2 資料解釋

3.2.1 煤層層位標(biāo)定

在充分分析勘探區(qū)內(nèi)鉆孔資料及鄰區(qū)地震資料的基礎(chǔ)上，利用測井曲線制作了合成記錄[5]。根據(jù)合成記錄結(jié)果準(zhǔn)確標(biāo)定反射波組的地質(zhì)層位，通過聯(lián)井剖面，將地震反射波與地下地質(zhì)目的層聯(lián)系起來，進(jìn)行全區(qū)三維數(shù)據(jù)體追蹤解釋，如圖1所示。

圖1 勘探區(qū)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)反射波

T2波來自于號(hào)煤層的反射波，煤層厚度相對(duì)穩(wěn)定，局部存在無煤區(qū)。煤層與其頂?shù)装逯g物性差異明顯，波組特征明顯，振幅較強(qiáng)，頻率較高，可連續(xù)追蹤。由于號(hào)煤層間距小，在0～6 m之間，地震波不能分辨，在地震時(shí)間剖面上反映為一組復(fù)合波。

3.2.2 斷層解釋

識(shí)別斷點(diǎn)的標(biāo)志主要有反射波或波組、波系的錯(cuò)段、終止、扭曲、產(chǎn)狀突變、分叉合并、相位轉(zhuǎn)換、斷面波和繞射波等[6]。相鄰地震時(shí)間剖面上的斷點(diǎn)顯示特征和性質(zhì)一致，相鄰斷點(diǎn)落差接近或有規(guī)律變化，追蹤和組合的斷層符合區(qū)內(nèi)的構(gòu)造規(guī)律，使斷點(diǎn)組合為斷層的主要依據(jù)（見圖2）。

圖2 斷層在地震時(shí)間剖面上的反映

3.2.3 無煤區(qū)解釋

根據(jù)地層的地震響應(yīng)特征可知，反射波幅在一定程度上反映巖性，而煤層和砂巖、礫巖有明顯的巖性差異[6-7]。受古河床、古隆起的影響，煤層沖刷與缺失后煤與圍巖的波阻抗差異小，導(dǎo)致形成反射波的能量發(fā)生變化，在時(shí)間剖面上，反射波表現(xiàn)為振幅削弱、反射波連續(xù)性變差等特征（見圖3）。

4 三維地震地質(zhì)成果

根據(jù)地震勘探成果，優(yōu)化礦井采區(qū)設(shè)計(jì)，保證開采作業(yè)順利進(jìn)行[7]。根據(jù)巷道掘進(jìn)中揭露情況，三維地震勘探解釋的DF2斷層得到了驗(yàn)證，對(duì)接下來的生產(chǎn)具有重大的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

三維地震勘探技術(shù)在布雅煤礦一號(hào)井應(yīng)用效果顯著，查明了勘探區(qū)煤層賦存和構(gòu)造發(fā)育情況。三維地震勘探成果為煤礦下一步的巷道開拓和工作面布置提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。