煤礦采區(qū)地質(zhì)小構(gòu)造的三維地震勘探技術(shù)

1、第22卷第2期1998年4月物 探 與 化 探GEOPHYSICA L &GEOCHEM ICA L EXPL ORAT I ON V ol. 22, No. 2Apr. , 1998煤礦采區(qū)地質(zhì)小構(gòu)造的三維地震勘探技術(shù)唐 建 益(中國煤田地質(zhì)總局, 涿州 072752 湯英俠 高 遠(yuǎn)(安徽煤田地質(zhì)局物測隊(duì), 宿州 234002 摘 要 本文以新近在幾個大型煤礦所開展的三維地震勘探為例, 扼要論述了煤礦采區(qū)的三維地震勘探數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù), 以及人機(jī)聯(lián)作解釋技術(shù), 并以所獲典型成果, 介紹了應(yīng)用該技術(shù)在煤礦開采的800m 淺垂深范圍內(nèi), 所能查明的小斷層和低幅度小褶曲構(gòu)造的能力和精度。由于該技

2、術(shù)成果精度高, 勘探周期又短。因此, 把三維地震技術(shù)作為煤礦設(shè)計和開采中高度現(xiàn)代化的工具,正在成為中國東部地區(qū)一些煤礦的標(biāo)準(zhǔn)作法。關(guān)鍵詞 煤礦地質(zhì)小構(gòu)造, 三維地震。0 引言1993年以來, 中國煤炭工業(yè)中的勘探技術(shù)有了一個新的方向, 這就是結(jié)合中國的地質(zhì)情況, 發(fā)展了一種適合于煤礦需要的高密度、高分辨率三維反射地震勘探煤礦地質(zhì)小構(gòu)造技術(shù)。這里所謂的煤礦地質(zhì)小構(gòu)造主要是指小斷層和小褶曲。這種小構(gòu)造, 特別是小斷層其斷距僅幾米或十多米, 延展長度僅幾十米至二三百米, 其規(guī)模雖小, 但對高效率的綜合機(jī)械化采煤機(jī)組的生產(chǎn)效率影響極大。中國東部的大型、特大型煤礦, 由于斷層出現(xiàn)而造成工作面的關(guān)閉的比率

3、尚未可知。但是, 對某一新開發(fā)的礦井調(diào)查發(fā)現(xiàn), 幾乎30%工作面是由于出現(xiàn)新的斷層而過早地被廢棄。因此需要有一個能預(yù)報小斷層的勘探系統(tǒng), 其重要性將是不言而喻的。煤礦三維地震勘探技術(shù), 為解決這一問題提供了令人高興的新途徑。這主要是由于該技術(shù)在野外采用了多道高分辨遙測地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來采集地震數(shù)據(jù)。地震數(shù)據(jù)網(wǎng)格平面上的密度可達(dá)5m 10m , 信息非常豐富且有較高的分辨率, 煤層反射波主頻可達(dá)7080H z, 利用所得很近的測線間反射波特征的相似性, 能追蹤各種地質(zhì)現(xiàn)象的細(xì)微變化; 三維地震輸出顯示方法異常靈活, 能提供所需的各類剖面圖、平面圖、立體圖, 動畫式屏幕輸出地震成果, 使人們能直觀

4、、快速、可靠地認(rèn)識地下情況; 另外, 三維地震野外施工有較大的靈活性, 可設(shè)計成各種類型的觀測系統(tǒng), 以適應(yīng)對許多復(fù)雜的地表?xiàng)l件區(qū)和對村鎮(zhèn)、工業(yè)設(shè)施、湖泊、江河區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集; 還可依據(jù)三維地震成果結(jié)合地質(zhì)精查期間每平方公里稀少的鉆孔資料, 作出在今后210年建礦井和生產(chǎn)礦井的礦井開發(fā)中、短期規(guī)劃, 這種規(guī)劃的內(nèi)容可包括將某個區(qū)段劃分成幾個長壁工作面及其巷道、長壁工作面本身的設(shè)計及有關(guān)巷道、新井筒井位設(shè)計等。近幾年在安徽淮南的潘三、謝橋、潘一礦、新集礦、淮北的朱莊礦、江蘇大屯的姚橋礦、河北開灤錢家營礦、河南永夏的陳四樓礦、永城礦等12塊三維勘探的實(shí)踐, 獲得令人鼓舞的技術(shù)成果。在此啟示下, 把

5、三維地震技術(shù)作為煤礦設(shè)計和煤礦開采中高度現(xiàn)代化的工具, 正在成為中國東部地區(qū)一些煤礦的標(biāo)準(zhǔn)做法。1997年6月12日收稿, 同年8月18日收修改稿。100物 探 與 化 探22卷本文扼要論述了煤礦采區(qū)地質(zhì)小構(gòu)造的三維地震勘探的野外數(shù)據(jù)采集、處理和解釋技術(shù), 用典型實(shí)例說明了該技術(shù)的勘探效果, 以及巷道和鉆孔對三維勘探成果精度的驗(yàn)證, 最后對經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。2 數(shù)據(jù)采集三維地震野外數(shù)據(jù)采集是一種面積接收技術(shù), 如圖1。采用二維地震技術(shù)時, 激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)排列在一條線上, 而在三維地震中激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)在地表是按面分布設(shè)置, 產(chǎn)生一個由基本等距的方形或長方形的地下數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的地震共深度點(diǎn)網(wǎng)。每個

6、數(shù)據(jù)點(diǎn)均為多次覆蓋接收, 一般為12次、24次。煤礦采區(qū)三維地震勘探野外地震數(shù)據(jù)的采集, 通常使用地震線束觀測系統(tǒng)。測量時,把勘探區(qū)分成幾個或十幾個或更多的平行條帶, 條帶應(yīng)盡量與地質(zhì)構(gòu)造或地層走向垂直,依次對這些條帶輪流進(jìn)行勘探, 條帶之間一般互相重疊搭接, 因此可以采用逐點(diǎn)爆炸技術(shù)。地震束狀觀測系統(tǒng)的基本形式如圖2a 、b 。野外觀測時一排橫向炮點(diǎn)逐點(diǎn)激發(fā)后, 如圖2b 中的16順序, 炮點(diǎn)排列和接收排列同時沿前進(jìn)方向滾動, 再進(jìn)行下排炮點(diǎn)激發(fā), 如圖2b 中的712, 直到完成整條線束, 然后垂直于原滾動方向整個移動炮點(diǎn)排列及接收排列, 重復(fù)以上步驟進(jìn)行第二束線、第三束線的施工, 直到采

7、集完整個勘探面積。為了提高效率, 近來各地正普遍推廣六線四炮制和八線三炮制。圖1 簡單的三維地震射線路徑模型圖中反射界面呈水平狀, 斷層的斷距約100m, 斷面傾角約15 , 地面布置4條接收線, 接收線平行于斷層走向圖2 煤礦采區(qū)常用三維地震觀測系統(tǒng)a ! 四線六炮端點(diǎn)放炮制束狀觀測系統(tǒng); b ! 4束線的觀測系統(tǒng)中國東部的煤礦區(qū), 工農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá), 建筑群、村莊和魚塘稠密, 道路、電網(wǎng)、地下管線和河流縱橫, 這使野外采集不能按單一的正規(guī)束狀觀測系統(tǒng)施工。為此, 通常是在生產(chǎn)之前, 對區(qū)內(nèi)障礙物性質(zhì)、大小及形狀進(jìn)行周密調(diào)查后, 針對性采用L 型、T 型或框架型的特殊觀測系統(tǒng)。然而對個別小型障

8、礙物如水井、電線桿等則通過現(xiàn)場適時變化觀測系統(tǒng)中的炮點(diǎn)位置, 來解決礦區(qū)障礙物下的勘探, 使地下反射點(diǎn)按規(guī)定的規(guī)則網(wǎng)格, 獲得足夠的疊加次數(shù)。根據(jù)煤礦采區(qū)勘探深度、地質(zhì)情況、要求的垂直、水平分辨率, 并考慮到動校正拉伸畸變、2期唐建益等:煤礦采區(qū)地質(zhì)小構(gòu)造的三維地震勘探技術(shù)101采樣和偏移過程中產(chǎn)生的假頻等因素, 綜合考慮計算, 典型的三維勘探采集參數(shù)見表1、2。表1 六線四炮制接收道數(shù)接收線數(shù)接收線距接收道距疊加次數(shù)216道6條40m 16m 12次縱向最大炮檢距縱向最小炮檢距橫向最大炮檢距橫向最小炮檢距炮線距/炮點(diǎn)距608m 48m 130m 10m 20m/48m 接收道數(shù)接收線數(shù)接收線

9、距接收道距疊加次數(shù)表2 八線三炮制192道8條20m 16m 12次縱向最大炮檢跑縱向最小炮檢距橫向最大炮檢距橫向最小炮檢距炮線距/炮點(diǎn)距400m 32m 150m 10m 80m/32m 3 數(shù)據(jù)處理三維地震數(shù)據(jù)的處理步驟極為復(fù)雜, 為求得主要可采煤層精確的空間成像位置, 近年普遍采用全三維處理。圖3是淮南礦區(qū)一個典型的三維地震處理流程, 這個流程中最關(guān)鍵的步驟為:(1 預(yù)處理階段的野外質(zhì)量監(jiān)控, 包括用炮點(diǎn)分布圖檢查炮點(diǎn)坐標(biāo), 45 觀測系統(tǒng)檢查觀測系統(tǒng)工程變化情況, 共深度點(diǎn)(CDP 分布圖檢查CDP分布及覆蓋次數(shù)的均勻程度, 共炮線初至剖面檢查確定空間屬性文件建立的正確性;(2 對廢炮

10、、異常道、異常炮、野值做編緝剔除;(3 利用低速帶、炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)高程、爆炸井深等資料建立精確的近地表模型;(4 對大障礙區(qū)特殊觀測系統(tǒng)采集的資料, 要先分別處理后再與束狀線形規(guī)則網(wǎng)資料合并;(5 用頻譜整形濾波提高分辨率;(6 采用鉆孔數(shù)據(jù)對三維偏移速度進(jìn)行控制和標(biāo)定, 并作精細(xì)三維速度分析;(7傾斜時差校正疊加DMO(Dip Moveou 。當(dāng)?shù)貙觾A角在10 30 之間變化時, 對于埋深500700m 的反射層, 在普通水平疊加共中心點(diǎn)道集中每道所對應(yīng)的反射點(diǎn)最大分散度達(dá)100m 以上, 顯然對時間剖面上小斷點(diǎn)的成像會造成模糊。為了克服傾角變化對疊加效果的影響, 各地通常采用的是時空域DMO

11、 算法;(8 偏后分頻處理。4 資料解釋所有的煤礦采區(qū)三維地震數(shù)據(jù)解釋, 都在人機(jī)聯(lián)作地震資料解釋工作站上完成。解釋工作站具有自動追蹤、圖形縮放、彩色顯示、屏幕全方位圖3 典型的三維地震處理流程卷動、反射層拉平、拖拉窗口對比、快速動畫顯示、立體投影、各種比例尺實(shí)時成像、任意切割拾取時間剖面以及波阻抗剖面、反射系數(shù)剖面、瞬時頻率、瞬時相位、瞬時振幅等多種特殊處理剖面的對比, 能給解釋員不同視覺感觀, 以便更準(zhǔn)確地揭示地質(zhì)現(xiàn)象。解釋方法步驟如下:(1 層位標(biāo)定 地震反射層的地質(zhì)層位標(biāo)定, 通常是用VSP(垂直地震剖面 或人工合成地震記錄完成。(2 垂直時間剖面對比 垂直時間剖面可以沿測線拾取, 也

12、可沿任意方向以任意間隔拾取。獲取的垂直時間剖面的對比方法與二維時間剖面對比基本相同, 即在標(biāo)定層位的基礎(chǔ)上利用剖面上有效波的同相性、波形、振幅強(qiáng)度、波組特征、上、下層之間的時差等進(jìn)行綜合對比, 通過主測線及聯(lián)絡(luò)線的解釋建立閉合關(guān)系, 利用以下主要標(biāo)志解釋時間剖面上的斷點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)對反射層連續(xù)追蹤。斷點(diǎn)在垂直時間剖面上的主要標(biāo)志為反射同相軸明顯錯斷(圖4 ; 反射同相軸扭曲(圖5 ; 反射同相軸視傾角突變(圖6 。未經(jīng)三維偏移處理的剖面上出現(xiàn)斷棱繞射波。如在時間剖面上有兩個或兩個以上反射波時, 可解釋出斷層的傾向、 傾角。圖4 反射同相軸明顯錯斷圖中T 0為新生界底界反射波, T 3為3 號煤層反

13、射波圖5 反射同相軸扭曲圖中T 0為新生界底界面反射波, T 3為3號煤層反射波(3 水平時間切片解釋 水平時間切片是地下地質(zhì)信息在同一反射時間的圖像, 相當(dāng)于某一等時面的地質(zhì)切片。注意, 它不是地質(zhì)時代上的等時面, 而是現(xiàn)存地質(zhì)體的地震數(shù)據(jù)的等時 圖6 反射同相軸 視傾角突變圖7 F S3斷點(diǎn)垂直時間剖面與水平切片的對比圖中方框內(nèi)為解釋的斷點(diǎn)切片。當(dāng)然, 同一地質(zhì)層位的信息又可在多張不同時間的等時切片上連續(xù)得到反映。斷點(diǎn)在水平時間切片上同相軸的錯開量與斷點(diǎn)的斷距有關(guān), 水平時間切片同相軸錯開量一般為垂直時間剖面上錯開量的46倍, 即它對斷點(diǎn)顯示具有#放大作用, 通過它可以檢驗(yàn)在垂直時間剖面上

14、所解釋出的斷點(diǎn)的可靠程度。圖7是F S3斷層在垂直時間剖面上與水平時間切片上的比較。圖中方框內(nèi)斷點(diǎn)斷距約5m, 垂直時間剖面上錯開時間差僅34ms, 不易識別, 但水平切片上錯開量約1mm 。(4 編制T 0等時平面圖, 建立標(biāo)定速度場和計算, 制作煤層底板等高線圖。(5 利用工作站多圖形顯示的方法對解釋成果作檢驗(yàn)與修正。例如主要煤層反射波振幅投影圖, 可以檢查斷點(diǎn)組合的正確性; 斷層斷面投影圖, 檢查斷面解釋的合理性, 如果斷層解釋104物 探 與 化 探22卷不合理, 斷層面會嚴(yán)重扭曲。也可利用切割連井時間剖面, 斷層隔離線, 垂直斷層的時間剖面系列來檢驗(yàn)解釋成果的正確與否。5 勘探效果5

15、. 1 典型實(shí)例1(1 圖8是最近在LB 煤礦進(jìn)行三維勘探所獲得的A 采區(qū)13-1 煤層斷層構(gòu)造對比圖。圖8 LB 煤礦A 采區(qū)13-1煤層, 斷層構(gòu)造對比示意圖a ! 二維地震勘探結(jié)果; b ! 三維地震勘探結(jié)果; 圖中的F S1中F 表示斷層; S 表示三維; 1表示斷層編號該區(qū)三維地震勘探之前, 曾進(jìn)行過二維地震勘探和精查地質(zhì)勘探, 二維地震測網(wǎng)達(dá)250m 500m, 鉆孔網(wǎng)達(dá)500m 500m 。通過對三維地震數(shù)據(jù)體中T 5波(13-1煤層 、T 3波(8煤層 斷點(diǎn)解釋, 本次在平面上共解2期唐建益等:煤礦采區(qū)地質(zhì)小構(gòu)造的三維地震勘探技術(shù)105釋出53條斷層。斷層斷距%20m 者7條;

16、 1020m 者18條; 510m 者9條; 35m 者19條。區(qū)內(nèi)原二維地震解釋斷點(diǎn)26個(僅13-1煤層 , 經(jīng)對比二維與三維吻合的斷點(diǎn)為20個, 另外有6個斷點(diǎn)被否定, 其斷距均小于10m, 但二維與三維斷層組合方案差別很大, 二維13條斷層中與三維基本一致者僅2條, 修改者1條, 被重新組合者6條, 被否定者4條(為區(qū)外延入且斷距小于10m 的斷層 。表3 三維地震勘探深度統(tǒng)計誤差驗(yàn)證方式鉆孔12W112E51235巷道678910111213解釋深度-493 6-670-591驗(yàn)證深度-499-675. 2-590絕對誤差(m %5. 45. 23 814 85 310 35 6-6

17、 42 30 691 81. 090. 770 640 170 820 910 170 050 911 020 370 11 530 3F S19F S18F S26F 24正正正逆正3正正逆5135表4 三維地震勘探斷層位置統(tǒng)計誤差斷層F 55斷層性質(zhì)地震逆巷道逆落差(m 地震61010巷道510126(正 3(逆 5204平面位置吻合差19m 吻合吻合差19m 吻合差5m-596 3-600 1-580 7-585 5-581 8-587 1-591 3-590 3-595 6-595 3-607 4-619 6-613-626-616 3-618 6-619 4-620-598 4-58

18、9 4-593 5-591 7平均誤差0 62%表5 三維地震勘探煤層位置符合率13-1煤層落差 H 10m H 10m H 5m二維與三維相比符合率100%62%二維與高分辨率三維勘探成果相差較大, 主要原因是識別斷層的能力不僅與反射信號頻率有關(guān), 而且還與網(wǎng)度有關(guān)。因?yàn)榭刂茢鄬颖仨氁幸欢ǖ臏y網(wǎng), 特別是對小斷層。小斷層意外突然出現(xiàn), 改變走向、有時延伸幾十米、數(shù)百米后突然消失, 所以這些斷層用普通二維地震方法沿相距數(shù)百米的測線觀測, 有時則正好漏掉, 另外二維勘探發(fā)現(xiàn)的斷點(diǎn), 會因測線過稀而在組合時#張冠李戴。三維觀測則不然, 數(shù)據(jù)體為5m 10m 的網(wǎng)格, 也就是說它的測線網(wǎng)密度縱向?yàn)?/p>

19、10m 一條測線, 橫向5m 一條測線, 因此它對延伸較短的小斷層, 具有獨(dú)特的控制作用。通過縱橫線對比, 以及水平切片, 層拉平切片對比, 斷層組合上也不會出現(xiàn)#張冠李戴。(2本次三維地震解釋成果, 經(jīng)鉆孔和巷道13處驗(yàn)證地震解釋13-1煤層底板深度相對誤差為0. 1%1. 53%。解釋斷層驗(yàn)證成功率達(dá)到100%, 三維解釋斷層平面位置擺動最大誤差為19m, 如表3、4、5。5. 2 典型實(shí)例2圖9是MN 煤礦W 采區(qū)的三維數(shù)據(jù)體。圖10為M N 煤礦W 采區(qū)的典型水平時間切片系列, 其向斜構(gòu)造明顯可見。圖11是MN 煤礦W 采區(qū)三維勘探所獲得典型的地壘構(gòu)造垂直時間剖面系列。圖中T 5波(1

20、3-1煤層反射 在本剖面段呈寬緩向斜圖9LE 煤礦W 采區(qū)三維數(shù)據(jù)體圖中數(shù)據(jù)體剝?nèi)チ诵律? 只保留石炭二迭煤系及以下地層的地震數(shù)據(jù)(時間0 41 0s 106物 探 與 化 探22卷圖10 L E 煤礦W 采區(qū)水平時間切片a ! 550ms; b ! 560ms; c ! 570ms; d ! 580ms構(gòu)造, 為二條斷距最大約30m 的斷層構(gòu)造所切割, 其斷距由d 剖面向a 剖面方向逐漸減小, 至a 剖面右邊的斷點(diǎn)已十分模糊, 似呈一小褶曲, 幾乎看不見斷層的影子。由于受篇幅的限制, 所示剖面間的間距為120m, 實(shí)際資料可形成間距為20m 的地震時間剖面, 可更細(xì)微的觀察斷層斷距變化的規(guī)

21、律及其特征。表6 二維與三維地震勘探經(jīng)濟(jì)效益對比一次覆12次覆蓋面積蓋面積測網(wǎng)密度(m二維地震勘探總剖面長(km 29 7總投資(萬元 59 4費(fèi)用/km (萬元 2 00CDP 網(wǎng)格8 10三維地震勘探總剖面長(km 573總投資(萬元 140 00費(fèi)用/km (萬元 0 2442 55km 22 09km 2125 2506 三維勘探效益分析表6列舉了華東地區(qū)一個典型三維勘探區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益的對比, 可以看出每平方公里三維地震勘探總投資比二維地震高235%, 但所獲地震剖面總長度至少在9倍以上, 不包括任意切 圖11 M N 煤礦地質(zhì)構(gòu)造垂直時間剖面系圖中每條時間剖面間距為120m, 每條時間

22、剖面中的水平線間時間間隔為100ms割剖面, 按每公里費(fèi)用折算, 三維則僅為二維的1/8。7 結(jié)論由上可見煤礦采區(qū)地質(zhì)小構(gòu)造的三維地震勘探技術(shù), 已能完成以下地質(zhì)任務(wù):1. 查明落差大于5m 的斷層, 其平面擺動范圍小于15m;2. 查明主要煤層底板起伏形態(tài)和波幅大于5m 的褶曲, 其深度誤差小于1%。以往, 我們應(yīng)用地震勘探技術(shù)直接為煤礦采區(qū)設(shè)計服務(wù)時, 僅想通過證實(shí)一個簡單的構(gòu)造形態(tài)來確立開采位置, 這往往以得到完全不同的斷層形態(tài)和斷層格架而告終。原因之一是我們采用的是二維地震技術(shù), 二維地震測線不能確定正確的覆蓋范圍, 特別是地層傾向、傾角、走向變化較大的構(gòu)造復(fù)雜地區(qū), 不能確立準(zhǔn)確成像

23、的小斷層, 從而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地解釋斷層格架和煤層的起伏形態(tài)。其二是由于所采用的二維地震測網(wǎng)線距太稀, 最密也不可能超過125m250m, 因此所解釋的斷點(diǎn)組合成的斷層, 就有可能#張冠李戴, 而其真實(shí)的復(fù)雜性只能靠網(wǎng)格5m 10m CDP 三維數(shù)據(jù)來揭示。當(dāng)然, 在中國煤田勘探階段一般只能用二維數(shù)據(jù)靠人為構(gòu)思的簡單構(gòu)造模型來構(gòu)圖, 而一旦進(jìn)入開采階段, 毫無疑問這些地方采集到的三維數(shù)據(jù), 將會獲得更多更不同更精確的成果。因此, 把三維地震技術(shù)作為煤礦設(shè)計和開采中高度現(xiàn)代化的工具, 正在成為中國東部地區(qū)一些煤礦的標(biāo)準(zhǔn)作法?？梢哉J(rèn)為隨著研究工作的進(jìn)一步深入, 在本世紀(jì)末實(shí)現(xiàn)煤層埋深500m 至10

24、00m 時, 其反射波的主頻率達(dá)到150H z 以上, 甚至250Hz 是不成問題的。那時我們勘探小斷層的能力, 可以比現(xiàn)在再提高一倍。參 考 文 獻(xiàn)&1 歐慶賢、萬有林、勾精為, 全面開展三維勘探研究, 石油物探, 19(1 , 1980。&2 唐建益主編, 中國煤田地震勘探剖面圖集, 煤炭工業(yè)出版社, 1993。THE 3D S EIS MIC TECHNIQUE FOR MINOR GEOLOGIC S TRUCTURES IN C OAL MINESTang Jiany i(China National A dministration of Coal G eology , Zhu oz

25、hou 072750Tang Yingx ia Gao Yuan(An H ui Coal G eophysical Exp loration Crew , Suz hou 234002Abstract Ex emplified by 3D Seismic ex plo ration carried out in several larg e coal mines, this paper has discussed t he technique o f 3D data acquisition and processing as well as the technique of interactive interpretation, and also demonstrated the capability and accuracy of the technique in detecting small sized faults and folds within the vertical depth o f 800m. T he technique proved to be effective.Key words minor geological structures in coal mines, 3D seism.第一作