煤矿采区地质小构造的三维地震勘探技术

1、煤矿采区地质小构造的三维地震勘探技术唐建益汤英侠高远(中国煤田地质总局 ,涿州072752)(安徽煤田地质局物测队 ,宿州234002)摘 要 本文以新近在几个大型煤矿所开展的三维地震勘探为例 ,扼要论述了煤矿采区的三维地震勘探数据采集和处理技术 ,以及人机联作解释技术 ,并以所获典型成果 ,介绍了应用该技术在煤 矿开采的 800 m 浅垂深范围内 ,所能查明的小断层和低幅度小褶曲构造的能力和精度 。由于该技 术成果精度高 ,勘探周期又短 。因此 ,把三维地震技术作为煤矿设计和开采中高度现代化的工具 , 正在成为中国东部地区一些煤矿的标准作法 。关键词 煤矿地质小构造 ,三维地震 。引言199

2、3 年以来 ,中国煤炭工业中的勘探技术有了一个新的方向 ,这就是结合中国的地质情 况 ,发展了一种适合于煤矿需要的高密度 、高分辨率三维反射地震勘探煤矿地质小构造技术 。 这里所谓的煤矿地质小构造主要是指小断层和小褶曲 。这种小构造 ,特别是小断层其断 距仅几米或十多米 ,延展长度仅几十米至二三百米 ,其规模虽小 ,但对高效率的综合机械化采 煤机组的生产效率影响极大 。中国东部的大型 、特大型煤矿 ,由于断层出现而造成工作面的关 闭的比率尚未可知 。但是 ,对某一新开发的矿井调查发现 ,几乎 30 %工作面是由于出现新的0断层而过早地被废弃 。因此需要有一个能预报小断层的勘探系统 ,其重要性将

3、是不言而喻的 。煤矿三维地震勘探技术 ,为解决这一问题提供了令人高兴的新途径 。这主要是由于该技术在野外采用了多道高分辨遥测地震数据采集系统来采集地震数据 。地震数据网格平面上的密度 可达 5 m 10 m ,信息非常丰富且有较高的分辨率 ,煤层反射波主频可达 7080 hz ,利用所得很近的测线间反射波特征的相似性 ,能追踪各种地质现象的细微变化 ;三维地震输出显示方法 异常灵活 ,能提供所需的各类剖面图 、平面图 、立体图 ,动画式屏幕输出地震成果 ,使人们能直观 、快速 、可靠地认识地下情况 ;另外 ,三维地震野外施工有较大的灵活性 ,可设计成各种类型 的观测系统 ,以适应对许多复杂的地

4、表条件区和对村镇 、工业设施 、湖泊 、江河区进行数据采集 ;还可依据三维地震成果结合地质精查期间每平方公里稀少的钻孔资料 ,作出在今后 210 年建矿井和生产矿井的矿井开发中 、短期规划 ,这种规划的内容可包括将某个区段划分成几个 长壁工作面及其巷道 、长壁工作面本身的设计及有关巷道 、新井筒井位设计等 。近几年在安徽淮南的潘三 、谢桥 、潘一矿 、新集矿 、淮北的朱庄矿 、江苏大屯的姚桥矿 、河北开滦钱家营矿 、河南永夏的陈四楼矿 、永城矿等 12 块三维勘探的实践 ,获得令人鼓舞的技术成 果 。在此启示下 ,把三维地震技术作为煤矿设计和煤矿开采中高度现代化的工具 ,正在成为中 国东部地区

5、一些煤矿的标准做法 。1997 年 6 月 12 日收稿 ,同年 8 月 18 日收修改稿。本文扼要论述了煤矿采区地质小构造的三维地震勘探的野外数据采集 、处理和解释技术 ,用典型实例说明了该技术的勘探效果 ,以及巷道和钻孔对三维勘探成果精度的验证 ,最后对经 济效益进行了分析 。数据采集三维地震野外数据采集是一种面积接收 技术 ,如图 1 。采用二维地震技术时 ,激发点和 接收点排列在一条线上 ,而在三维地震中激发 点和接收点在地表是按面分布设置 ,产生一个 由基本等距的方形或长方形的地下数据点组 成的地震共深度点网 。每个数据点均为多次 覆盖接收 ,一般为 12 次 、24 次 。煤矿采区

6、三维地震勘探野外地震数据的 采集 ,通常使用地震线束观测系统 。测量时 , 把勘探区分成几个或十几个或更多的平行条带 ,条带应尽量与地质构造或地层走向垂直 ,依次对这些条带轮流进行勘探 ,条带之间一般2图 1 简单的三维地震射线路径模型图中反射界面呈水平状 ,断层的断距约 100 m ,断面倾 角约 15,地面布置 4 条接收线 ,接收线平行于断层走向互相重叠搭接 ,因此可以采用逐点爆炸技术 。地震束状观测系统的基本形式如图 2a 、b 。野外观测时一排横向炮点逐点激发后 ,如图 2b 中的 16 顺序 ,炮点排列和接收排列同时沿前进方 向滚动 ,再进行下排炮点激发 ,如图 2b 中的 712

7、 ,直到完成整条线束 ,然后垂直于原滚动方向整个移动炮点排列及接收排列 ,重复以上步骤进行第二束线 、第三束线的施工 ,直到采集完 整个勘探面积 。为了提高效率 ,近来各地正普遍推广六线四炮制和八线三炮制 。图 2 煤矿采区常用三维地震观测系统a 四线六炮端点放炮制束状观测系统 ; b 4 束线的观测系统中国东部的煤矿区 ,工农业十分发达 ,建筑群 、村庄和鱼塘稠密 ,道路 、电网 、地下管线和河流纵横 ,这使野外采集不能按单一的正规束状观测系统施工 。为此 ,通常是在生产之前 ,对区 内障碍物性质 、大小及形状进行周密调查后 ,针对性采用 l 型 、t 型或框架型的特殊观测系 统 。然而对个

8、别小型障碍物如水井 、电线杆等则通过现场适时变化观测系统中的炮点位置 ,来 解决矿区障碍物下的勘探 ,使地下反射点按规定的规则网格 ,获得足够的叠加次数 。根据煤矿采区勘探深度 、地质情况 、要求的垂直 、水平分辨率 ,并考虑到动校正拉伸畸变 、2 期唐建益等 : 煤矿采区地质小构造的三维地震勘探技术101 采样和偏移过程中产生的假频等因素 ,综合考虑计算 ,典型的三维勘探采集参数见表 1 、2 。表 1 六线四炮制表 2八线三炮制数据处理3三维地震数据的处理步骤极为复杂 ,为求得主要可采煤层精确的空间成像位置 ,近年普遍采 用全三维处理 。图 3 是淮南矿区一个典型的三维地震处理流程 ,这个

9、流程中最关键的步骤为 :(1) 预处理阶段的野外质量监控 ,包括用炮点 分布图检查炮点坐标 ,45观测系统检查观测系统 工程变化情况 ,共深度点 ( cd p) 分布图检查 cd p 分布及覆盖次数的均匀程度 ,共炮线初至剖面检查确定空间属性文件建立的正确性 ;(2) 对废炮 、异常道 、异常炮 、野值做编缉剔 除 ;(3) 利用低速带 、炮点 、检波点高程 、爆炸井深 等资料建立精确的近地表模型 ;(4) 对大障碍区特殊观测系统采集的资料 ,要 先分别处理后再与束状线形规则网资料合并 ;(5) 用频谱整形滤波提高分辨率 ;(6) 采用钻孔数据对三维偏移速度进行控制 和标定 ,并作精细三维速度

10、分析 ;(7) 倾斜时差校正叠加 dmo ( dip moveo u) 。 当地层倾角在 1030之间变化时 ,对于埋深 500700 m 的反射层 ,在普通水平叠加共中心点道 集中每道所对应的反射点最大分散度达 100 m 以 上 ,显然对时间剖面上小断点的成像会造成模糊 。为了克服倾角变化对叠加效果的影响 ,各地通常 采用的是时空域 dmo 算法 ;(8) 偏后分频处理 。资料解释所有的煤矿采区三维地震数据解释 ,都在人 机联作地震资料解释工作站上完成 。解释工作站 具有自动追踪 、图形缩放 、彩色显示 、屏幕全方位4图 3 典型的三维地震处理流程接收道数192 道纵向最大炮检跑400 m

11、接收线数8 条纵向最小炮检距32 m接收线距20 m横向最大炮检距150 m接收道距16 m横向最小炮检距10 m叠加次数12 次炮线距/ 炮点距80 m/ 32 m接收道数216 道纵向最大炮检距608 m接收线数6 条纵向最小炮检距48 m接收线距40 m横向最大炮检距130 m接收道距16 m横向最小炮检距10 m叠加次数12 次炮线距/ 炮点距20 m/ 48 m卷动 、反射层拉平 、拖拉窗口对比 、快速动画显示 、立体投影 、各种比例尺实时成像 、任意切割拾取时间剖面以及波阻抗剖面 、反射系数剖面 、瞬时频率 、瞬时相位 、瞬时振幅等多种特殊处理剖 面的对比 ,能给解释员不同视觉感观

12、 ,以便更准确地揭示地质现象 。解释方法步骤如下 :(1) 层位标定 地震反射层的地质层位标定 ,通常是用 v sp ( 垂直地震剖面) 或人工合成 地震记录完成 。(2) 垂直时间剖面对比 垂直时间剖面可以沿测线拾取 ,也可沿任意方向以任意间隔拾 取 。获取的垂直时间剖面的对比方法与二维时间剖面对比基本相同 ,即在标定层位的基础上 利用剖面上有效波的同相性 、波形 、振幅强度 、波组特征 、上 、下层之间的时差等进行综合对比 , 通过主测线及联络线的解释建立闭合关系 ,利用以下主要标志解释时间剖面上的断点 ,实现对 反射层连续追踪 。断点在垂直时间剖面上的主要标志为反射同相轴明显错断 ( 图

13、 4) ; 反射同相轴扭曲 (图 5) ;反射同相轴视倾角突变 ( 图 6) 。未经三维偏移处理的剖面上出现断棱绕射 波 。如在时间剖面上有两个或两个以上反射波时 ,可解释出断层的倾向 、倾角 。图 4 反射同相轴明显错断图中 t0 为新生界底界反射波 , t3 为 3 号煤层反射波图 5 反射同相轴扭曲图中 t0 为新生界底界面反射波 , t3 为 3 号煤层反射波(3) 水平时间切片解释水平时间切片是地下地质信息在同一反射时间的图像 ,相当于某一等时面的地质切片 。注意 ,它不是地质时代上的等时面 ,而是现存地质体的地震数据的等时2 期唐建益等 : 煤矿采区地质小构造的三维地震勘探技术10

14、3 图 6 反射同相轴视倾角突变图 7 fs3 断点垂直时间剖面与水平切片的对比图中方框内为解释的断点切片 。当然 ,同一地质层位的信息又可在多张不同时间的等时切片上连续得到反映 。断点在 水平时间切片上同相轴的错开量与断点的断距有关 ,水平时间切片同相轴错开量一般为垂直 时间剖面上错开量的 46 倍 ,即它对断点显示具有“放大”作用 ,通过它可以检验在垂直时间剖面上所解释出的断点的可靠程度 。图 7 是 fs3 断层在垂直时间剖面上与水平时间切片上的 比较 。图中方框内断点断距约 5 m ,垂直时间剖面上错开时间差仅 34 ms ,不易识别 ,但水平切片上错开量约 1 mm 。(4) 编制

15、t0 等时平面图 ,建立标定速度场和计算 ,制作煤层底板等高线图 。(5) 利用工作站多图形显示的方法对解释成果作检验与修正 。例如主要煤层反射波振幅 投影图 ,可以检查断点组合的正确性 ;断层断面投影图 ,检查断面解释的合理性 ,如果断层解释不合理 ,断层面会严重扭曲 。也可利用切割连井时间剖面 ,断层隔离线 ,垂直断层的时间剖面系列来检验解释成果的正确与否 。勘探效果典型实例 1(1) 图 8 是最近在 lb 煤矿进行三维勘探所获得的 a 采区 13- 1 煤层断层构造对比图 。55 . 1图 8 lb 煤矿 a 采区 13- 1 煤层 ,断层构造对比示意图a 二维地震勘探结果 ; b 三

16、维地震勘探结果 ;图中的 f s1中 f 表示断层 ; s 表示三维 ;1 表示断层编号该区三维地震勘探之前 ,曾进行过二维地震勘探和精查地质勘探 ,二维地震测网达 250 m500 m ,钻孔网达 500 m 500 m 。通过对三维地震数据体中 t5 波 (13- 1 煤层) 、t3 波 (8 煤层) 断点解释 ,本次在平面上共解2 期唐建益等 : 煤矿采区地质小构造的三维地震勘探技术105 释出 53 条断层 。断层断距 20 m 者 7 条 ;1020 m 者 18 条 ; 510 m 者 9 条 ; 35 m 者 19条 。区内原二维地震解释断点 26 个 (仅 13 - 1 煤层)

17、 ,经对比二维与三维吻合的断点为 20 个 , 另外有 6 个断点被否定 ,其断距均小于 10 m ,但二维与三维断层组合方案差别很大 ,二维 13 条断层中与三维基本一致者仅 2 条 ,修改者 1 条 ,被重新组合者 6 条 ,被否定者 4 条 (为区外延 入且断距小于 10 m 的断层) 。表 3三维地震勘探深度统计误差表 4 三维地震勘探断层位置统计误差表 5 三维地震勘探煤层位置符合率平均误差 0162 %二维与高分辨率三维勘探成果相差较大 ,主要原因是识别断层的能力不仅与反射信号频率有关 ,而且还与网度有关 。因为控制断层必须要有一定的测网 ,特别是对小断层 。小断层意 外突然出现

18、,改变走向 、有时延伸几十米 、数百米后突然消失 ,所以这些断层用普通二维地震方 法沿相距数百米的测线观测 ,有时则正好漏掉 ,另外二维勘探发现的断点 ,会因测线过稀而在组合时“张冠李戴”。三维观测则不然 ,数据体为 5 m 10 m 的网格 ,也就是说它的测线网密 度纵向为 10 m 一条测线 ,横向 5 m 一条测线 ,因此它对延伸较短的小断层 ,具有独特的控制作 用 。通过纵横线对比 ,以及水平切片 ,层拉平切片对比 ,断层组合上也不会出现“张冠李戴”。(2) 本次三维地震解释成果 , 经钻孔和巷 道 13 处验证地震解释 13- 1煤层底板深度相对 误差为 0 . 1 %1 . 53

19、% 。解释断层验证成功率 达到 100 % ,三维解释断层平面位置摆动最大 误差为 19 m ,如表 3 、4 、5 。5 . 2 典型实例 2图 9 是 mn 煤矿 w 采区的三维数据体 。 图 10 为 mn 煤矿 w 采区的典型水平时间切 片系列 ,其向斜构造明显可见 。图 11 是 mn 煤矿 w 采区三维勘探所获得典型的地垒构造垂直时间剖面系列 。图中t5 波 (13- 1 煤层反射) 在本剖面段呈宽缓向斜图 9 l e 煤矿 w 采区三维数据体图中数据体剥去了新生界 ,只保留石炭二迭煤 系及以下地层的地震数据( 时间 014110 s)13 - 1煤层落差二维与三维相比符合率h 1

20、0 m100 %h 10 m62 %h 5 m断层断层性质落差( m)平面位置地震巷道地震巷道f55逆逆65吻合1010差 19 mfs19正正1012吻合36 ( 正)3 ( 逆)吻合fs18正正55差 19 mfs26正正131520吻合f24逆逆54差 5 m验证 方式解释 深度验证 深度绝对误 差( m)相对误差%钻 孔12 w1- 49316- 4995 . 41 . 0912 e5- 670- 675 . 25 . 20 . 77巷 道1- 59613- 6001131801642- 591- 590101173- 58017- 5851541801825- 58118- 5871

21、151301916- 59113- 59013101177- 59516- 5951301301058- 60714- 61351601919- 61916- 626- 614110210- 61613- 61816213013711- 61914- 62001601112- 59814- 589149115313- 59315- 59117118013图 10 l e 煤矿 w 采区水平时间切片a 550 ms ; b 560 ms ;c 570 ms ; d 580 ms构造 ,为二条断距最大约 30 m 的断层构造所切割 ,其断距由 d 剖面向 a 剖面方向逐渐减小 ,至a 剖面右边的断

22、点已十分模糊 ,似呈一小褶曲 ,几乎看不见断层的影子 。由于受篇幅的限制 ,所示剖面间的间距为 120 m ,实际资料可形成间距为 20 m 的地震时间剖面 ,可更细微的观察 断层断距变化的规律及其特征 。表 6 二维与三维地震勘探经济效益对比( 万元)三维勘探效益分析表 6 列举了华东地区一个典型三维勘探区的经济效益的对比 ,可以看出每平方公里三维 地震勘探总投资比二维地震高 235 % ,但所获地震剖面总长度至少在 9 倍以上 ,不包括任意切6一次覆 盖面积12 次覆 盖面积二维地震勘探三维地震勘探测网密度( m)总剖面长( km)总投资( 万元)费用/ km( 万元)cd p 网格总剖面

23、长( km)总投资( 万元)费用/ km2155 km22109 km2125 2502917591421008 10573140100012442 期唐建益等 : 煤矿采区地质小构造的三维地震勘探技术107 图 11 mn 煤矿地质构造垂直时间剖面系图中每条时间剖面间距为 120 m ,每条时间剖面中的水平线间时间间隔为 100 ms割剖面 ,按每公里费用折算 ,三维则仅为二维的 1/ 8 。结论由上可见煤矿采区地质小构造的三维地震勘探技术 ,已能完成以下地质任务 :1 . 查明落差大于 5 m 的断层 ,其平面摆动范围小于 15 m ;2 . 查明主要煤层底板起伏形态和波幅大于 5 m 的

24、褶曲 ,其深度误差小于 1 % 。以往 ,我们应用地震勘探技术直接为煤矿采区设计服务时 ,仅想通过证实一个简单的构造 形态来确立开采位置 ,这往往以得到完全不同的断层形态和断层格架而告终 。原因之一是我们采用的是二维地震技术 ,二维地震测线不能确定正确的覆盖范围 ,特别是地层倾向 、倾角 、走 向变化较大的构造复杂地区 ,不能确立准确成像的小断层 ,从而导致不能准确地解释断层格架和煤层的起伏形态 。其二是由于所采用的二维地震测网线距太稀 ,最密也不可能超过 125 m7250 m ,因此所解释的断点组合成的断层 ,就有可能“张冠李戴”,而其真实的复杂性只能靠网格 5 m 10 mcd p 三维

25、数据来揭示 。当然 ,在中国煤田勘探阶段一般只能用二维数据靠人 为构思的简单构造模型来构图 ,而一旦进入开采阶段 ,毫无疑问这些地方采集到的三维数据 , 将会获得更多更不同更精确的成果 。因此 ,把三维地震技术作为煤矿设计和开采中高度现代 化的工具 ,正在成为中国东部地区一些煤矿的标准作法 。可以认为随着研究工作的进一步深入 ,在本世纪末实现煤层埋深 500 m 至 1 000 m 时 ,其 反射波的主频率达到 150 hz 以上 ,甚至 250 hz 是不成问题的 。那时我们勘探小断层的能力 , 可以比现在再提高一倍 。参考文献1 欧庆贤、万有林、勾精为 ,全面开展三维勘探研究 ,石油物探

26、,19 ( 1) ,1980 。2 唐建益主编 , 中国煤田地震勘探剖面图集 ,煤炭工业出版社 ,1993 。the 3d seism ic tec hnique fo r m ino rgeolo gic structures in coal m inestang j ianyi( chi na n at ional a d m i nist rat ion of coal geology , zh uoz hou 072750)tang yingxiagao yuan( a n hui coal geop hysical ex plorat ion crew , s uz hou 2340

27、02)abstractexemplified by 3d seismic exploratio n carried out in several large coal mines ,t his paper has discussedt he technique of 3d data acquisitio n and p rocessing as well as t he technique of interactive interp retatio n , and alsodemo nst rated t he capabilit y and accuracy of t he technique in detecting small2sized fault s and folds wit hin t he vertical dep t h of 800 m. the technique p roved to be effective.key wordsminor geological st ruct ures in coal mines , 3