劉 俊，趙 偉，韓必武

淮南礦區(qū)高精度三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用

劉 俊，趙 偉，韓必武

(淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232001)

淮南礦業(yè)集團(tuán)于2007年首次將全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)引入煤炭領(lǐng)域，并成功推廣應(yīng)用；由于常規(guī)三維地震區(qū)塊受采動(dòng)塌陷影響，不具備再次施工高密度三維地震的條件，2012年開始，淮南礦業(yè)集團(tuán)對(duì)常規(guī)三維地震區(qū)塊的原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行二次精細(xì)處理、解釋。高密度三維地震勘探和三維地震資料二次處理解釋都有效提高了地震資料的信噪比和橫向、縱向分辨率，達(dá)到了高精度三維地震探測(cè)的目的。通過煤礦大量揭露資料對(duì)比分析：高密度全數(shù)字三維地震勘探技術(shù)對(duì)于識(shí)別小斷層、查找陷落柱、刻畫灰?guī)r地層裂隙等方面效果顯著；常規(guī)三維地震資料進(jìn)行二次精細(xì)處理、解釋能明顯改善下部煤層的成像效果。高精度三維地震勘探技術(shù)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

高密度三維地震；高精度；精細(xì)處理；斷層；陷落柱

1993年淮南礦業(yè)集團(tuán)率先在謝橋礦開展了常規(guī)煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)研究[1]。隨著煤礦開采逐漸向深部延伸，常規(guī)三維地震勘探成果的解釋精度已無法滿足煤礦設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)的要求。為提高三維地震勘探的解釋精度，2007年，淮南礦業(yè)集團(tuán)與中石油東方物探公司合作，在煤炭系統(tǒng)首次引進(jìn)全數(shù)字高密度三維地震，并取得成功應(yīng)用[2]。經(jīng)過不斷探索驗(yàn)證，全數(shù)字高密度三維地震勘探在淮南礦區(qū)已成為一項(xiàng)成熟的勘探技術(shù)，在淮南礦區(qū)得到推廣應(yīng)用。

淮南礦區(qū)主采煤層從上向下分為C組(13-1、11-2煤層)、B組(8、6、4煤層)、A組(3、1煤層)。2007年以前，常規(guī)煤礦采區(qū)三維地震勘探塊段，由于受當(dāng)時(shí)處理解釋技術(shù)及軟硬件條件等局限，勘探目的層主要是淺部C組的13-1、11-2煤層，而對(duì)下部的B、A組煤層構(gòu)造及A組煤層底板灰?guī)r中巖溶陷落柱的發(fā)育情況多數(shù)都未進(jìn)行解釋；后來受C組煤層采動(dòng)塌陷影響，這些塊段不具備再次施工全數(shù)字高密度三維地震勘探的條件。針對(duì)這些問題，2012年開始，淮南礦業(yè)集團(tuán)與相關(guān)科研、勘探單位合作，在原三維地震勘探成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)揭露和補(bǔ)勘地質(zhì)資料，對(duì)常規(guī)三維地震原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了二次精細(xì)處理、解釋；重新處理后，地震資料的保真度、分辨率和信噪比都有一定提高[3]，尤其是下部A組煤及灰?guī)r成像效果得到明顯改善。

經(jīng)過20多年的應(yīng)用和實(shí)踐，淮南礦區(qū)已由早期的常規(guī)煤礦采區(qū)三維地震技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的高精度三維地震技術(shù)，即全數(shù)字高密度三維地震技術(shù)以及能夠顯著提高資料信噪比和分辨率的常規(guī)三維地震資料二次處理解釋技術(shù)?；诠P者多年來在相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)積累，系統(tǒng)總結(jié)淮南礦區(qū)三維地震技術(shù)，選取代表性成果，展示淮南礦區(qū)三維地震的進(jìn)展，給同行提供參考

1 全數(shù)字高密度三維地震勘探關(guān)鍵技術(shù)

1.1 地震采集技術(shù)

全數(shù)字高密度三維地震采集技術(shù)核心是通過高空間采樣率、數(shù)字檢波器接收，提高地震資料品質(zhì)[4-5]。通過加密空間采樣，采用面元5 m×5 m、采樣率1 ms、高覆蓋次數(shù)、寬方位的觀測(cè)系統(tǒng)[6]，提高了三維地震資料的信噪比和分辨率，為資料處理和解釋打下良好的基礎(chǔ)。

同時(shí)，相較于早期常規(guī)三維地震勘探使用的模擬檢波器而言，采用數(shù)字檢波器接收，能提高高頻弱信號(hào)的接收能力，有效改善常規(guī)模擬檢波器的低頻壓制和畸變，還能夠有效避免電磁干擾[7]。表1給出了常規(guī)三維地震和全數(shù)字高密度三維地震采集參數(shù)的對(duì)比。

1.2 地震數(shù)據(jù)處理

全數(shù)字高密度三維地震勘探數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，主要是以“三高”為前提的疊前時(shí)間偏移[8]和疊前深度偏移處理技術(shù)，從而大大提高了構(gòu)造成像精度。

隨著三維地震勘探技術(shù)的發(fā)展，地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)已從早期的疊后偏移向疊前偏移發(fā)展。疊前時(shí)間偏移是基于繞射疊加成像原理，直接在時(shí)間域進(jìn)行偏移處理，然后再做疊加，以實(shí)現(xiàn)真正的共反射點(diǎn)疊加[9-10]。疊前偏移數(shù)據(jù)處理過程中保證了分辨率和振幅，在CRP道集上進(jìn)行速度分析，該方法具有較好的構(gòu)造成像效果和保幅性，能夠解決疊后時(shí)間偏移存在的不足，是解決煤田高陡地質(zhì)構(gòu)造、小斷層、斷點(diǎn)、陷落柱等復(fù)雜構(gòu)造成像問題的一種有效手段[11]。

表1 常規(guī)三維和高密度三維采集參數(shù)對(duì)比

1.3 地震數(shù)據(jù)解釋

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，地震數(shù)據(jù)屬性解釋技術(shù)也不斷豐富，充分利用井巷工程以及鉆井資料進(jìn)行層位標(biāo)定，通過正演模型，利用疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)體提取方差、相干、曲率、螞蟻體、譜分解、紋理等多種屬性體，結(jié)合三維可視化技術(shù)，多屬性對(duì)比分析[12]，識(shí)別小斷層、陷落柱、火成巖等地質(zhì)現(xiàn)象，提高了地震數(shù)據(jù)體的解釋精度。

2 三維地震二次精細(xì)處理解釋技術(shù)

由于早期常規(guī)三維地震勘探目的層主要是C組煤層，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，下伏煤層A組煤、B組煤的成像效果普遍較差，而且解釋成果多在疊后時(shí)間偏移數(shù)據(jù)體上完成。隨著三維地震數(shù)據(jù)處理、解釋技術(shù)的發(fā)展，2012年，淮南礦區(qū)開始逐步對(duì)早期常規(guī)三維地震采集數(shù)據(jù)進(jìn)行二次精細(xì)處理解釋，通過生產(chǎn)揭露和補(bǔ)勘資料，建立準(zhǔn)確可靠的速度場(chǎng)，利用三維連片處理、高精度迭代精度校正、疊前噪聲分析與壓制、振幅處理等技術(shù)[13]，最大程度地提高了地震數(shù)據(jù)的信噪比(圖1)。

在二次精細(xì)處理疊前偏移數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)解釋，深部地層分辨率和信噪比均有較大提高，加上地震解釋人員的經(jīng)驗(yàn)積累，因此，大大提高了斷層的解釋精度，常規(guī)地震無法解釋的地震異常也能夠得到重新認(rèn)識(shí)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了新的地質(zhì)異常，滿足了煤礦安全生產(chǎn)的地質(zhì)保障需求。

圖1 二次精細(xì)處理解釋前后對(duì)比

例如顧北礦北一6-2采區(qū)通過三維地震資料二次處理解釋新發(fā)現(xiàn)2個(gè)疑似陷落柱、2個(gè)地塹式斷層復(fù)雜帶，并圈定了8煤沖刷帶范圍；朱集東礦東一、西一采區(qū)二次處理解釋否定了原解釋的2個(gè)地震異常體，并圈定了火成巖侵入范圍。后期驗(yàn)證結(jié)果表明：三維地震二次處理與精細(xì)解釋效果與采掘情況基本相符，其地質(zhì)解釋精度明顯提高。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

3.1 小斷層識(shí)別

全數(shù)字高密度三維地震采集和處理得到的數(shù)據(jù)，目的層主頻為60~80 Hz，主要煤層信噪比高，通過三維地震時(shí)間剖面、結(jié)合地震屬性分析技術(shù)，非常有利于進(jìn)行小斷層的識(shí)別和解釋(圖2)[14]。同時(shí)，下伏11-2煤層反射波同相軸信噪比得到提高，連續(xù)性較好，斷點(diǎn)清晰，上覆、下伏煤層互動(dòng)解釋，也進(jìn)一步控制了斷層的產(chǎn)狀。

通過張集、謝橋等礦33個(gè)常規(guī)三維地震區(qū)塊內(nèi)156個(gè)綜采工作面的實(shí)見驗(yàn)證，上部13-1煤層中落差5 m以上斷層解釋的準(zhǔn)確率達(dá)到66.7%，對(duì)于落差3~5 m的斷層解釋的準(zhǔn)確率達(dá)到51.7%；11-2煤層中3~5 m斷層解釋的準(zhǔn)確率為34.21%；8煤及以下煤層，實(shí)際驗(yàn)證效果較差。

2007年，開展全數(shù)字高密度三維地震勘探以后，已施工20個(gè)區(qū)塊，通過采掘揭露資料分析，13-1、11-2落差2 m以上斷層驗(yàn)證準(zhǔn)確率達(dá)85.7%[15]。高密度全數(shù)字三維地震勘探技術(shù)大大提高了小斷層的解釋精度。

圖2 高精度三維地震剖面

2013年10月張集礦西二1煤1號(hào)探放水斜巷三灰順層1號(hào)孔在鉆探過程中異常出水，最大出水量120 m3/h。根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)及水文觀測(cè)孔資料分析，水源為奧陶系灰?guī)r水，初步推測(cè)在灰?guī)r層位中發(fā)育有隱伏陷落柱。該區(qū)塊三維地震資料為2007年采集的常規(guī)三維地震，1煤層較厚，對(duì)下伏太原組及奧陶系灰?guī)r信號(hào)屏蔽嚴(yán)重，地震波組反射較差、能量弱、連續(xù)性差，無法對(duì)出水鉆孔進(jìn)行地震資料分析。因此，2014年2月對(duì)該區(qū)塊重新進(jìn)行了面元2.5 m ×5.0 m、最大覆蓋次數(shù)136次的高密度三維地震勘探工程。

圖3 出水點(diǎn)處高精度三維地震連井時(shí)間剖面

3.2 陷落柱識(shí)別

2002年以來，通過地面三維地震勘探發(fā)現(xiàn)具有陷落柱特征的地質(zhì)異常體(疑似陷落柱)共30個(gè)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證和采掘揭露證實(shí)為7個(gè)、排除11個(gè)、待驗(yàn)證的12個(gè)。

通過采掘揭露和鉆探發(fā)現(xiàn)：淮南礦區(qū)巖溶陷落柱多為直立型，平面形狀多為橢圓形，剖面上小下大，其頂界最高發(fā)育到第四系，基底多發(fā)育于寒武紀(jì)灰?guī)r地層內(nèi)，巖心破碎，裂隙發(fā)育；三維地震時(shí)間剖面顯示的陷落柱為直立型，上小下大，1煤層標(biāo)準(zhǔn)反射波同相軸彎曲下凹至中斷，太灰、奧灰層位反射波同相軸雜亂、不連續(xù)；在煤層方差體、相干體等屬性切片上顯示為橢圓形異常，三維地震顯示的陷落柱形態(tài)特征明顯[16]。圖4為謝橋礦5號(hào)陷落柱三維地震時(shí)間剖面、方差體屬性切片，地震解釋資料與補(bǔ)勘情況完全吻合。

圖4 謝橋礦5號(hào)陷落柱地震、地質(zhì)剖面

3.3 A組煤及灰?guī)r層位解釋

淮南礦區(qū)A組煤層屬優(yōu)質(zhì)資源，但是A組煤層埋藏深，且受底板灰?guī)r水害威脅嚴(yán)重，因此，A組煤層及底板灰?guī)r中構(gòu)造控制尤為重要。但是，早期三維地震對(duì)A組煤解釋很少，對(duì)灰?guī)r更是未解釋。2007年全數(shù)字高密度三維地震試驗(yàn)成功之后開始對(duì)A組煤層及底板灰?guī)r進(jìn)行重點(diǎn)解釋，并針對(duì)A組煤、灰?guī)r層位及構(gòu)造控制從設(shè)計(jì)、采集、處理等方面進(jìn)行了不斷優(yōu)化，利用地面鉆孔資料進(jìn)行地震層位標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)在C33下灰?guī)r頂界面、奧陶系灰?guī)r頂界面有較為連續(xù)的反射波。圖5為潘二礦針對(duì)A組煤及灰?guī)r施工的全數(shù)字高密度三維地震塊段的典型時(shí)間剖面。

圖5 潘二礦高密度三維地震時(shí)間剖面

近幾年，通過對(duì)A組煤層開采資料總結(jié)，全數(shù)字高密度三維地震勘探對(duì)A組煤層3~5 m斷層控制精度較好，驗(yàn)證準(zhǔn)確率達(dá)71.3%，對(duì)灰?guī)r層位中落差8 m以上斷層控制較可靠，最重要的是能夠發(fā)現(xiàn)切割A(yù)組煤層至灰?guī)r層位的斷層[17]，對(duì)A組煤工作面設(shè)計(jì)、灰?guī)r水害治理提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

3.4 裂隙帶預(yù)測(cè)

隨著三維地震多屬性分析技術(shù)的發(fā)展，將油田領(lǐng)域三維地震油藏預(yù)測(cè)技術(shù)更多地應(yīng)用到煤礦采區(qū)三維地震勘探上，在預(yù)裂隙帶方面效果明顯[18]。

謝橋煤礦–610 m東二A組軌道石門設(shè)計(jì)從6煤層底板施工石門穿層至1煤層，巷道靠近西側(cè)2號(hào)陷落柱(陷落頂界為8煤層)，最小平距140 m，撥門前施工了6個(gè)水文地質(zhì)探查孔，其中布置巷道西側(cè)的兩個(gè)鉆孔出水。1號(hào)出水點(diǎn)層位在4煤底板55 m、1煤頂板35 m處，巖性砂巖，最大出水量60 m3/h；2號(hào)出水點(diǎn)層位在4煤底板35 m、1煤頂板55 m處，巖性砂巖，水量1 m3/h。水質(zhì)化驗(yàn)分析為灰?guī)r水；另外4個(gè)鉆孔沿巷道及巷道東側(cè)布置，終孔4煤底板，均無出水現(xiàn)象。

對(duì)該區(qū)塊三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行相干屬性分析，發(fā)現(xiàn)：雖然兩處出水點(diǎn)距2號(hào)陷落柱中心較遠(yuǎn)，但2號(hào)陷落柱與兩側(cè)的相干屬性異常區(qū)域呈成片分布，從相干體水平切片(–600 ms)顯示出水鉆孔處在相干低值異常范圍，而未出水鉆孔對(duì)應(yīng)相干高值區(qū)域(圖6)。綜合出水水源可以認(rèn)為，出水點(diǎn)靠近2號(hào)陷落柱，巖層雖然未發(fā)生陷落，但是受其影響巖性破碎，裂隙較發(fā)育，并直接與陷落柱腔體、以及下伏太灰、奧灰層位溝通，形成出水通道，是造成此次鉆孔出水的原因。

圖6 謝橋煤礦三維地震相干屬性剖面及時(shí)間切片(–600 ms)

4 結(jié)論

a. 全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)作為查明煤礦地質(zhì)構(gòu)造、尋找致災(zāi)地質(zhì)因素的有效手段，為煤礦制定安全開采方案、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害提供了強(qiáng)有力的保障。

b. 隨著三維地震資料處理解釋軟件、技術(shù)不斷升級(jí)，尤其是疊前時(shí)間偏移技術(shù)、疊前深度偏移技術(shù)的應(yīng)用，加上煤礦不斷揭露的地質(zhì)資料，早期常規(guī)三維地震資料進(jìn)行二次精細(xì)處理解釋后能夠提高深部地層的分辨率，一些地震波反射異常現(xiàn)象得到重新認(rèn)識(shí)，滿足了深部煤層開采的地質(zhì)需求。

c. 隨著三維地震裝備升級(jí)、處理解釋技術(shù)進(jìn)步，下一步全數(shù)字高密度三維地震應(yīng)該在煤礦瓦斯富集、富水區(qū)、巖性預(yù)測(cè)等方面加強(qiáng)研究與應(yīng)用。

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Application of high-precision 3D seismic exploration technology in Huainan mining area

LIU Jun, ZHAO Wei, HAN Biwu

(Huainan Mining Industry(Group)Co., Ltd., Huainan 232001, China)

Huainan Mining Group first introduced the full-digital high density 3D seismic exploration technology into the field of coalfield 3D seismic exploration in 2007, and has successfully promoted and applied it. As conventional seismic blocks were affected by mining collapse, they did not have the conditions for reconstruction of high density 3D seismic. In 2012, it began to perform secondary fine processing and interpretation of the original collected data of conventional 3D seismic blocks. Both high density 3D seismic exploration and secondary processing and interpretation of 3D seismic data have effectively improved the signal-to-noise ratio and horizontal and vertical resolution of seismic data, achieving the purpose of high-precision 3D seismic exploration. Through comparative analysis of a large number of uncovered data from coal mines, high density, fully digital 3D seismic exploration technology has significant effect in identifying small faults in coal mines, finding collapsed columns, and depicting limestone fissures. The secondary fine processing and interpretation of conventional 3D seismic data can significantly improve the imaging effect of the lower coal seams. High-precision 3D seismic exploration technology has broad prospects for popularization and application.

high density 3D seismic; high precision; fine processing; fault; collapse column

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P631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.002

1001-1986(2020)06-0008-07

2020-10-15；

2020-11-10

劉俊，1985年生，男，安徽安慶人，工程師，現(xiàn)在從事礦井地質(zhì)工作. E-mail：360397531@qq.com

劉俊，趙偉，韓必武. 淮南礦區(qū)高精度三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：8–14.

LIU Jun，ZHAO Wei，HAN Biwu. Application of high-precision 3D seismic exploration technology in Huainan mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：8–14.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)