徐曉培

(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

0 引言

地震反射波法在多次覆蓋技術(shù)提出后被廣泛的應(yīng)用到能源勘探領(lǐng)域，用來(lái)反映地下地質(zhì)構(gòu)造和地層展布情況。反射波法能夠很好的獲取深部地層的反射信息，煤田常采用三維地震反射技術(shù)布置綜采工作面、巷道的開拓方向、識(shí)別陷落柱、斷層等構(gòu)造。然而針對(duì)復(fù)雜地表?xiàng)l件、高干擾的超淺層露天煤田反射波地震勘探仍存在一些主要問題，主要表現(xiàn)在以下六個(gè)方面：

①煤礦生產(chǎn)、施工干擾大，資料信噪比低；

②露天煤礦生產(chǎn)強(qiáng)度高，協(xié)調(diào)難度大，施工環(huán)境復(fù)雜；

③施工難度大，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，隨時(shí)調(diào)整三維地震測(cè)線施測(cè)方案。

④地形高差相對(duì)于煤層埋深的比值較大，靜校正問題突出；

⑤淺埋深引起煤層反射波的有效接收窗口窄，有效覆蓋次數(shù)低；

⑥地表出露為黃土層，由于黃土層對(duì)地震波強(qiáng)烈的吸收衰減作用，激發(fā)信號(hào)的高頻成分衰減過(guò)快，對(duì)地震波的激發(fā)、接收將帶來(lái)很大的困難。

相比獲取深層的地震反射波，獲取超淺層地層的地震反射波信息更難。更不要說(shuō)利用地震反射波識(shí)別采空區(qū)，預(yù)測(cè)煤層變薄區(qū)等地質(zhì)現(xiàn)象，然而三維地震勘探是目前識(shí)別小斷層、采空區(qū)、預(yù)測(cè)煤層厚度變薄較為有利的地面預(yù)測(cè)手段。為解決上述問題，擬采用小道距、高密度三維地震技術(shù)，為露天煤礦安全開采提供物探資料依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為一露天煤礦，位于山西省寧武煤礦北端，區(qū)內(nèi)屬于山西黃土高原朔平臺(tái)地，為典型的低山丘陵地帶，區(qū)內(nèi)多為黃土覆蓋，研究區(qū)地表目前均已剝離改變，呈臺(tái)階狀(圖1)。高程為1 190～1 380m，東北角最低為1 190m，南部較高為1 380m，相對(duì)高差190m。部分區(qū)域?yàn)榈V坑主干道，行車較密集。區(qū)內(nèi)主采煤層埋藏深度變化大且淺，4號(hào)煤層底板埋深0～150m，平均70m；9號(hào)煤層40～210m，平均110m(圖2)。

圖1 研究區(qū)地表衛(wèi)星圖Figure 1 Study area surface satellite image

圖2 研究區(qū)內(nèi)主采煤層柱狀圖Figure 2 Study area main mineable coal seam columns

2 關(guān)鍵性技術(shù)

2.1 采集關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 震源選擇

用于研究區(qū)內(nèi)超淺層露天煤礦地震勘探小排列多道單支檢波器接收的反射波法，對(duì)激發(fā)震源要求輸出窄脈沖、寬頻帶、高頻成分好，此外，還要求激發(fā)震源能夠適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)、體積小、易搬運(yùn)、激發(fā)能量合適。

①炸藥震源。炸藥震源是目前能源勘探行業(yè)最常用的震源，在淺層勘探中盡量采用小藥量激發(fā)，或者選擇適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)層位，以保證接收到淺層高信噪比反射波，相對(duì)比較適合淺層勘探，但由于研究區(qū)內(nèi)煤礦還在施工生產(chǎn)，炸藥激發(fā)安全性較差，不適合此次勘探。

②電火花震源。電火花震源激發(fā)的地震資料相位是最接近炸藥震源的，接收資料有效頻帶寬，高頻成分豐富。但是，其要獲得較高的激發(fā)能量，需要較大的激發(fā)電流，這就必須配備大功率發(fā)電機(jī)。此外設(shè)備體積較大，在這種地形較為復(fù)雜的地表施工，挪動(dòng)設(shè)備耗時(shí)耗力，影響施工周期，不宜采用。

③重錘震源。重錘震源的優(yōu)點(diǎn)是安全、輕便、廉價(jià)，缺點(diǎn)是單次激發(fā)能量，但通過(guò)多次激發(fā)，提高疊加次數(shù)，從而達(dá)到提高激發(fā)能量的目的，相對(duì)比較適合此次地震勘探。

2.1.2 觀測(cè)系統(tǒng)選擇

研究區(qū)內(nèi)主采煤層埋深特別淺，有的地方出露地表，加之地表干擾源較多，常規(guī)的三維地震面元太大，對(duì)淺部地層空間采樣不足，在有效的接收偏移距范圍內(nèi)針對(duì)淺層的有效覆蓋次數(shù)較少，為了提高面元內(nèi)淺部信息的有效覆蓋次數(shù)，采用高密度、小道距、小線距、單道接收的6～11線9炮正交型觀測(cè)系：

CDP網(wǎng)格，6m(橫)×3m(縱)；

接收道數(shù)，384(64×6)；

接收線數(shù)，6～11條；

接收線距，36m；

道距，6m；

炮線距，24m；

炮點(diǎn)距，12m；

橫向最大炮檢距，144～204m；

橫向最小炮檢距，0m；

縱向最大炮檢距，189m；

縱向最小炮檢距，3m；

最 小 炮 檢 距，3m；

最 大 炮 檢 距，200m以上；

排列片滾動(dòng)距離，108m；

橫縱比，0.47；

疊加次數(shù)，大于40次。

2.2 處理關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 靜校正處理

靜校正問題是困擾復(fù)雜山地資料成像的主要問題，靜校正問題不能很好解決，高保真、高分辨處理就無(wú)從談起。研究區(qū)內(nèi)地形受煤礦開采活動(dòng)影響，呈剝離臺(tái)階狀，高程1 245～1 350m，相對(duì)高差105m。地表高差變化相對(duì)煤層埋深比值較大，地表覆蓋有第四系的黃土，靜校正問題突出。綜合考慮研究區(qū)內(nèi)的激發(fā)、接收密集程度、靜校正問題的表現(xiàn)特征，采用層析靜校正解決長(zhǎng)波長(zhǎng)問題，利用折射、反射剩余靜校正解決中、短波長(zhǎng)靜校正問題[1]，消除了地表高程變化及第四系低、降速帶引起的靜校正問題，煤層反射波連續(xù)性增強(qiáng)，線性干擾波線性效果變好，為后續(xù)地震資料去噪、速度分析、偏移成像等工作奠定了基礎(chǔ)(圖3)。

圖3 靜校正單炮效果圖Figure 3 Statics single shot result

2.2.2 組合去噪

在研究區(qū)內(nèi)噪音類型多，主要發(fā)育聲波、面波、多次折射、50Hz、機(jī)械振動(dòng)、異常大值等多種干擾，疊前去噪的原則是針對(duì)不同類型的噪聲，采用不同的方法進(jìn)行分類去除，在剔除和衰減噪聲的同時(shí)，盡量多保留有效反射信號(hào)，盡可能的不損傷或者減小損傷有效波，遵循“循序漸進(jìn)、分類壓制”原則，逐步提高信噪比。處理時(shí)需進(jìn)行去噪方法優(yōu)選，有針對(duì)性的選擇去噪模塊。針對(duì)50Hz工業(yè)干擾，采用單頻干擾衰減技術(shù)壓制；針對(duì)線性干擾，分析線性干擾的傾角、頻率范圍，采用t-x域減去法去噪，該技術(shù)在去除線性噪聲同時(shí)對(duì)有效波改造相對(duì)較??；針對(duì)大值、聲波等異常振幅壓制處理，采用分頻異常振幅衰減壓制技術(shù)，能夠起到很好的壓制作用；針對(duì)較強(qiáng)的背景隨機(jī)干擾噪音，采用自適應(yīng)高頻衰減技術(shù)，分頻、多次壓制，有效衰減隨機(jī)噪音。通過(guò)組合去噪，提高資料的信噪比，為后續(xù)振幅補(bǔ)償、反褶積、速度分析等處理環(huán)節(jié)提供較好的資料依據(jù)(圖4)。

圖4 組合去噪單炮記錄Figure 4 Combined denoising single shot record

2.2.3 振幅補(bǔ)償

振幅的相對(duì)關(guān)系一定程度上反映了地層巖石的變化，在資料處理過(guò)程中，有效的恢復(fù)地震振幅是后期煤層厚度變化預(yù)測(cè)的重中之重。目前主要的振幅補(bǔ)償方法有：球面擴(kuò)散補(bǔ)償、地表一致性振幅補(bǔ)償。為了恢復(fù)單炮記錄內(nèi)的振幅關(guān)系，采取了球面擴(kuò)散補(bǔ)償技術(shù)。球面擴(kuò)散補(bǔ)償具體表現(xiàn)為地層速度的補(bǔ)償，由于區(qū)內(nèi)目的煤層埋深較淺，淺表層的覆蓋黃土有厚度變化，淺層速度梯度變化較大，采用折射反演淺層速度作為淺部煤層的球面擴(kuò)散補(bǔ)償速度，并利用Dix公式將其轉(zhuǎn)換到時(shí)間域，以此速度作為地震的補(bǔ)償速度，很好的補(bǔ)償了由于地震波傳播距離造成的振幅衰減。此外通過(guò)地表一致性振幅補(bǔ)償，消除研究區(qū)內(nèi)炮集間的能量差異，使得地震資料達(dá)到了保真、保幅的目的(圖5)。

2.2.4 反褶積

目前用于巖性解釋的高分辨地震資料處理方法中，主要利用疊前反褶積來(lái)壓縮子波、提高資料的分辨率，常用的方法有兩種：地表一致性預(yù)測(cè)反褶積、地表一致性子波反褶積。在選擇反褶積參數(shù)過(guò)程中，主要參考資料的信噪比，在不降低信噪比的同時(shí)，盡可能的拓寬頻帶，提高資料的分辨率。預(yù)測(cè)反褶積主要用在多次波發(fā)育的地方，用來(lái)壓制反射多次波和鳴震，油田資料處理中用的較多，常常會(huì)壓制掉一些信息。此次研究區(qū)內(nèi)反射多次波不發(fā)育，為了更好的保存淺層的有效波信息，采用了地表一致性子波反褶積，在最大程度保真的同時(shí)，拓寬有效頻帶、提高了淺層的分辨率(圖6)。

2.2.5 面元均化

研究區(qū)勘探采用小排列高密度采集方法，炮點(diǎn)密度大，覆蓋次數(shù)高，由于野外采集施工條件復(fù)雜多變，部分地方存在采集變觀。導(dǎo)致炮點(diǎn)分布不均，致使覆蓋次數(shù)分布不均勻，造成疊加剖面在覆蓋次數(shù)低的地方振幅能量較弱，易產(chǎn)生資料解釋假象。針對(duì)這種情況，采用CMP面元均化技術(shù)，其根據(jù)地下構(gòu)造發(fā)育程度、覆蓋次數(shù)分布特點(diǎn)、動(dòng)校正拉伸情況、干擾波發(fā)育規(guī)律等因素對(duì)三維CMP面元進(jìn)行調(diào)整和分配，采用“就近原則”，從相鄰的面元中借道彌補(bǔ)觀測(cè)系統(tǒng)變化造成的覆蓋次數(shù)不均問題，消除覆蓋次數(shù)不均造成的構(gòu)造假象(圖7)。

3 應(yīng)用效果分析

圖8為解釋的兩條小斷層DF01、DF02，其中斷層DF01已經(jīng)被后期采掘巷道驗(yàn)證；圖9是解釋的4#煤層采空區(qū)，已被相鄰礦區(qū)已知的采掘資料加以驗(yàn)證，其在地震剖面上表現(xiàn)為煤層反射波頻率降低、同相軸下凹、地震波走時(shí)延長(zhǎng)；圖10解釋的是9#煤層結(jié)構(gòu)變化異常區(qū)，地震剖面上變現(xiàn)為煤層反射波振幅變?nèi)?，后?jīng)礦方鉆孔資料驗(yàn)證為9#煤層變薄區(qū)。通過(guò)圖8—圖10可以算出，小斷層、采空區(qū)、煤層結(jié)構(gòu)變化異常區(qū)等地質(zhì)異常體在地震屬性平面上都與地震剖面解釋具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明利用地震屬性可以有效圈定地質(zhì)異常體的大致邊界范圍，為露天煤礦采掘安全提供了良好的指導(dǎo)依據(jù)。

(a)振幅補(bǔ)償前排列 (b)振幅補(bǔ)償后排列圖5 振幅補(bǔ)償前后單炮記錄Figure 5 Single shot records before and after amplitude compensation

(a)反褶積前的頻譜 (b)反褶積后頻譜圖6 反褶積單炮記錄和頻譜Figure 6 Deconvolution single shot record and frequency spectrum

圖7 CMP面元均化前(上)后(下)疊加剖面Figure 7 Stacked sections before (upper) and after (lower) CMP surface elements homogenization

圖8 研究區(qū)斷層DF01、DF02在地震剖面與瞬時(shí)相位屬性切片上的顯示特征Figure 8 Study area faults DF01 and DF02 displayed features on seismic section and instantaneous phase attribute slice

圖9 研究區(qū)4#煤層采空區(qū)在地震剖面與波形聚類屬性平面圖的顯示特征Figure 9 Study area coal No.4 gob area displayed features on seismic section and wiggle clustering attribute plan

圖10 研究區(qū)9#煤層煤層結(jié)構(gòu)變化異常區(qū)在地震剖面與波形聚類屬性平面圖的顯示特征Figure 10 Study area coal No.9 coal seam structural variation abnormal place displayed features on seismic section and wiggle clustering attribute plan

4 結(jié)論

(1)反射波法應(yīng)用于超淺層煤田勘探，關(guān)鍵是選擇合適的激發(fā)、接收參數(shù)，確保接收到有效反射。

(2)針對(duì)淺埋深、高差大的野外數(shù)據(jù)，做好靜校正是保證地層準(zhǔn)確成像的基礎(chǔ)，是開展后續(xù)去噪、子波統(tǒng)計(jì)、速度分析等工作的良好開始。

(3)超淺埋深、高干擾的煤田地震資料，合理的壓制噪音是提高信噪比、保真度的關(guān)鍵手段，組合去噪既不能去噪過(guò)量，又要很大程度上去除掉噪音，是保證準(zhǔn)確成像的關(guān)鍵。

(4)高保真、高分辨處理有利于提高淺層成像分辨率，準(zhǔn)確清晰識(shí)別小斷層斷點(diǎn)等構(gòu)造邊界，為預(yù)測(cè)采空、識(shí)別煤層變薄區(qū)提供相對(duì)保真的振幅依據(jù)。

(5)面元均化有利于消除覆蓋次數(shù)不均問題，減少因采集變觀造成的構(gòu)造假象，提高淺層成像效果，減少采空區(qū)、煤層變薄帶預(yù)測(cè)誤差。