三維地震動態解釋在淮北構造復雜煤礦生產中的應用

宋利虎 金學良

（1.中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750；2.淮北礦業（集團）有限責任公司，安徽 淮北 235000；3.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

三維地震勘探技術在我國煤礦安全高效礦井地質保障系統中發揮著重要的作用，為礦井采區設計、綜采工作面布置、安全煤柱預留以及巷道支護方式選擇等提供了堅實的技術支撐[1]。但傳統的三維地震解釋服務于煤礦勘探階段，與煤礦安全生產過程脫節。專家學者和煤礦地質工作者對地震動態解釋技術在煤礦生產中的應用進行了大量的探索，崔若飛等[2]將三維地震動態解釋應用于防治煤礦突水中，為防治水提供了決策依據；謝紹穎、李文鈞、冼偉東等[3-5]將地震動態解釋應用于斷層、陷落柱等構造探查和煤層沖刷帶、火成巖侵入區等異常區的探查中；鄒云超、李忠、吳曉春等[6-9]將地震動態解釋技術用于指導工作面的合理布置、指導采掘工程掘進，且動態修正地震解釋成果；煤礦智能化開采對高精度智能探測技術的需求，“倒逼”煤礦地質保障技術必須朝著從靜態探測到動態探測方向轉變[10]；朱書階等[11]提出利用煤礦地震數據動態解釋來提高煤田地震勘探精度的研究思路；劉文明等將采掘工程得到的巷道測點、探煤厚點與三維地震解釋成果融合，提高了工作面內煤層底板標高和煤層厚度的精度，為智能開采提供預想煤層模型。

該文針對淮北礦區斷層發育的實際，將三維地震動態解釋技術應用于煤礦工作面設計、巷道掘進和工作面貫通等多個生產階段，同時針對大巷掘進過程中地質保障的實際需求開展了地震動態解釋工作，總結出了一套適用于淮北礦區的地震動態解釋技術流程。地震動態解釋技術能夠為煤礦工作面生產過程中提供較為準確的指導，助力煤礦安全高效開采。

1 淮北礦區地震動態解釋技術

1.1 淮北礦區地質概況

淮北礦區地處華東腹地，安徽省北部，地跨亳州、宿州、淮北三市，蒙城、渦陽、濉溪等縣。淮北礦區地層類型屬華北地層，為其中淮河地層分區中之淮北地層小區（安徽省地層志1985）。鉆探資料揭露地層從老至新：奧陶系（O1+2）、石炭系（C2+3）、二疊系（P）、新近系（N）和第四系（Q）。含煤地層為石炭-二疊系，二疊系的山西組、石盒子組為主要含煤地層，共含煤1-11 層（組）。其中，二疊系的上石盒子組的32煤層、下石盒子組的72煤層、82煤層及山西組的10 煤層為主要可采煤層，平均可采總厚度達15 m。

淮北礦區斷層密集、可采煤層多、煤層埋藏深且間距小、厚度不穩定、地層傾角大、覆蓋層巨厚、巖漿巖侵蝕嚴重、灰巖反射波品質差等諸多不利因素，地震地質條件深層復雜，為構造復雜煤礦。

淮北礦區構造復雜，斷層密度大，下屬各礦的斷層密度統計如圖1 所示，平均斷層密度達30 條/km2，斷層發育已成為嚴重制約淮北礦區采區接替和增儲保供的主要因素。三維地震在查明斷層、褶曲、陷落柱、采空區、沖刷帶和煤厚變化等構造解釋中起到了積極的指導作用，為煤礦地質保障工作提供了有力的技術支撐。

圖1 淮北礦區各礦斷層密度分布圖

1.2 地震動態解釋技術

地震地質成果在煤礦地質保障中有較好的指導作用，但提交的勘探成果圖件與煤礦安全生產過程脫節，造成地震資料與工作面生產過程不能有機結合，成果利用率低，不能有效指導采掘工程。同時地震勘探作為地球物理勘探的一種方法，其勘探成果具有多解性，斷層、褶曲、陷落柱等地質異常在地震剖面上都表現為反射波同相軸的扭曲、錯斷等異常。隨著工作面掘進的進行，實際揭露資料越多，利用實際揭露資料作為約束，開展地震解釋工作，能夠使得地震地質解釋成果更接近于地下實際，更好地指導煤礦安全高效生產。

三維地震數據體中包含著豐富的地質信息，地震動態解釋技術能夠有效地把煤礦三維地震勘探獲得的靜態成果與煤礦生產過程中所獲得的各類礦井地質信息相互融合，即利用“動態”的解釋方法對地震勘探成果進行實時更新，服務于煤礦生產階段，實現地震資料動態解釋，促進礦井地震、地質資料綜合利用，提高地質探測精度，為煤礦安全高效開采提供精準地質保障。在構造復雜礦井開展三維地震動態解釋工作具有重要意義。

根據淮北礦區多年的地震地質解釋工作實際，總結出一套基于聚焦煤礦工作面生產的動態地震地質服務工作流程，如圖2 所示，即在工作面設計、巷道掘進和工作面貫通等不同的生產階段，開展地震動態解釋，為煤礦的增儲保供和生產接替提供實時動態的地震地質服務。

圖2 地震動態解釋在煤礦生產中的應用流程

1）工作面設計前和設計階段。利用地面補勘鉆孔來驗證前期地震解釋成果的可靠性，在優選地震數據體上進行層位追蹤，構造精細解釋、地震地質解釋成果。

2）工作面巷道掘進階段。該階段為地震動態解釋的主要階段，利用巷道掘進和井下定向鉆探的實際揭露資料，在驗證前期地震解釋成果準確性的同時，將實際揭露地質資料融入地震動態解釋成果中，進一步提高解釋精度。

3）工作面貫通階段。工作面貫通后，開展槽波、坑透等礦井物探工作，將不同物探方法得到的地質解釋成果進行對比分析，綜合研判后修正解釋成果。

4）工作面回采階段。根據回采過程中的驗證情況，積累地震動態解釋經驗，并指導后續相鄰工作面的掘進和開采工作。

三維地震動態解釋技術通過逐級、逐次的地震地質解釋工作，充分挖掘三維地震數據體中的地質信息，使得解釋成果逐步趨于地下實際，便于礦方在巷道掘進和工作面回采過程中對前方可能存在的構造或異常體進行預判。

2 應用實例

2.1 工作面設計階段

在煤礦工作面設計前與設計階段，地震動態解釋工作主要為利用地面補勘鉆孔制作聯井線，在聯井線地震剖面上對地震解釋工區中鉆孔處的層位、斷層等解釋成果進行逐一核對，發現原解釋的層位、斷層等成果與鉆孔揭露矛盾，鉆孔的埋深與目的層反射波同相軸的雙程旅行時不匹配，需利用補勘鉆孔測井曲線對解釋的層位進行重新標定，然后再精細解釋構造，使得地震地質成果與鉆探成果吻合。

10113 工作面回采10 煤，工作面設計階段補勘了多個地面鉆孔，其中2021-15、2021-16 孔為DF1斷層上下盤布設，目的為探查DF1 斷層的具體位置和斷層落差。2021-15 孔10 煤頂板上17.67 m 見5.04 m厚的破碎帶，10煤底板標高為-534.37 m，煤厚3.14 m；2021-16 孔10 煤底板下7.42 m 見3.51 m 厚的斷層破碎帶，10 煤底板標高為-581.93 m，煤厚5.06 m，兩個孔的10 煤底板標高差為47.56 m，即估算斷層落差為40 m。

圖3 為過2021-15 與2021-16 鉆孔的聯井線地震剖面，圖中T7、T8 和T10 分別為下石盒子組72煤層、82煤層和山西組10 煤層的反射波。左圖為動態解釋前對地震成果的認識，認為DF1 斷層為落差20 m 左右，斷層落差與補勘鉆孔實際揭露不符；右圖為根據補勘資料進行地震動態解釋后的地震成果剖面，將DF1 斷層解釋為一組地塹式斷層，剖面上新解釋的DF1-1 斷層（最大落差H=35 m）上下盤時差為25 ms，推算出的10 煤層間速度約為3750 m/s，同時解釋了落差15 m 的DF1-2 斷層。正是由于DF1-2 分支斷層的解釋，礦方提前對工作面進行了改造，避免了在巷道掘進過程中揭露落差H≥10 m 的斷點，保障了礦方安全生產。

圖3 動態解釋前后聯井線地震剖面對比

2.2 工作面掘進過程中的動態解釋

10113 工作面在掘進到外切眼附近時（圖4），比較關注分支斷層DF1-2是否會在掘進中實際揭露，落差多大。為了更好地指導礦方外切眼段巷道的掘進工作，開展了動態的地震解釋工作。外切眼段地震時間剖面如圖4 所示，外切眼段為q1與q2之間，圖中T10 為山西組10 煤層的反射波，巷道從左向右掘進。結合巷道掘進資料，對地震資料進行分析，預計DF1-2 斷層會在外切眼段實際揭露，落差3 m，在圖4（b）變密度顯示的地震時間剖面上斷點反映清晰；同時10 煤反射波T10 在外切眼段整體表現為一個小背斜的形態。后經礦方反饋，外切眼段實際揭露斷點落差為2 m，且揭露斷層后煤層表現為上坡的形態（背斜的左翼），地震動態解釋成果與實際揭露吻合度較高。

圖4 地震動態解釋在巷道掘進過程中的應用

在工作面掘進過程中開展地震動態解釋，很好地指導了礦方煤巷掘進工作，在保障安全生產的同時，提高了掘進的工作效率，保障了采面的正常接替。

2.3 工作面貫通后綜合分析

工作面貫通后，開展槽波、坑透等礦井物探工作，將不同物探方法得到的地質解釋成果進行對比分析，綜合研判后修正解釋成果。1033 工作面貫通后，開展了槽波地震勘探工作，槽波勘探在1033工作面內解釋了3 處異常區，如圖5 中虛線圈注。結合掘進資料認為，1#異常為火成巖影響，2#、3#異常為斷層影響。地震動態解釋中將槽波解釋的異常區加載到三維地震工區中，對異常區段進行了精細辨識和解釋工作，將2#異常區的范圍進行了進一步的縮小，解釋為延伸長度95 m、斷面寬5 m、落差3 m 的斷層XF1，為礦方后續的回采工作提供精準的地質保障服務。

圖5 槽波、地震動態解釋綜合解釋成果

2.4 大巷掘進過程中的動態解釋

針對煤礦在大巷設計和掘進過程中對斷層的精準定位、揭露異常反饋等實際需求，尤其是目前盾構掘進對層位和斷層解釋精度要求較高的現狀，對設計和掘進大巷開展了地震動態解釋服務工作。

淮北3 采區設計大巷預想剖面如圖6 所示。大巷從左向右掘進，DF10 為落差60 m 的大斷層，設計巖巷過斷層DF10 前在7 煤層上部層位掘進，過斷層后在8 煤層下部層位掘進，精準過斷層，避免在掘進過程中揭露煤層，防止瓦斯突出風險，為大巷掘進提供動態地震解釋指導。

圖6 3 采區運輸大巷預想地質剖面圖

巖巷的掘進工作對DF10 斷層平面位置的準確性要求較高，在進行地面鉆孔工作的同時，開展了地震動態解釋工作。2022-27、2022-28 地面鉆孔的鉆探成果出來后，利用井斜數據和聲波測井曲線將井軌跡加載到地震工區中。根據探查成果，2022-27與2022-28 孔均見10 煤層，標高分別為-745.30 m和-720.90 m，兩個鉆孔所見10 煤均為DF10 斷層上盤10 煤層。新解釋的DF10 斷層在地震剖面和平面位置如圖7 所示，與原解釋相比斷煤交線向東擺動了27 m，避免了巖巷掘進過程中誤揭煤層的風險。

圖7 動態解釋DF10 斷層在平面上與剖面上的特征顯示（虛線為原解釋，實線為新解釋）

3 結論

1）該文針對淮北礦區斷層較為發育的實際，將地震動態解釋技術應用于淮北礦區煤礦工作面設計、巷道掘進、工作面貫通等煤礦生產全周期中，充分挖掘三維地震數據中的地質信息，使得地震地質成果更趨近于地下實際。

2）煤礦工作面生產過程中的地震動態解釋工作將分析對象限定為一個工作面、一條巷道甚至一條斷層，研究對象更聚焦、更精準，且時效性強，能夠在煤礦生產中為地質保障工作提供地震地質解決方案。

3）地震動態解釋技術服務于煤礦生產階段，將三維地震常規解釋成果與煤礦生產過程中的礦井地質信息相互結合，極大提高了三維地震信息利用水平，能夠為構造復雜礦井解決更多的地質問題，助力礦井安全高效生產。