姜韞麒 孔令軍
(山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì),山東 濟(jì)南 250104)
地震勘探技術(shù)是煤田資源勘查必不可少的重要手段,對(duì)于尋找礦區(qū)資源、圈定采區(qū)范圍以及采區(qū)構(gòu)造勘查來說都是最有成效的技術(shù)方法,已獲得廣泛認(rèn)可與應(yīng)用[1]。地震勘探具有勘探精度高、分辨率高、能直觀表現(xiàn)地下形態(tài)等特點(diǎn),是目前煤礦找礦中最有效、最經(jīng)濟(jì)的勘探方法[2]。
以新安煤礦找礦為例,詳細(xì)介紹地震勘探技術(shù)在煤礦找礦中的應(yīng)用過程。該工作區(qū)位于水體覆蓋區(qū)域,主要可采煤層為3煤層,但煤層存在沖刷剝蝕現(xiàn)象,為圈定煤層的具體賦存范圍,為煤礦開采提供地質(zhì)依據(jù),決定采用地震勘探的方法進(jìn)行查明。
工作區(qū)含煤塊段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,根據(jù)鉆孔資料揭露,存在煤層沖刷、剝蝕等現(xiàn)象,為進(jìn)一步提高該采區(qū)斷層構(gòu)造和煤層賦存情況的控制程度,確定煤層沖刷邊界,需采取三維地震手段對(duì)工作區(qū)進(jìn)行勘探,以降低鉆探成本,滿足煤礦開采中巷道工作面布置的需要。
該區(qū)劃分為華北地層區(qū)、魯西地層區(qū)和濟(jì)寧地層區(qū)。該區(qū)為第四系覆蓋,經(jīng)鉆探,第四系下為第三系、侏羅系、二疊系和石炭系。元古界、志留系、泥盆系、三疊系和白堊系均缺失。其中二疊系的山西組和石炭系的太原組為本區(qū)的主要含煤地層。
工作區(qū)地形平坦,交通方便,區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦,地面標(biāo)高+35 m左右。但區(qū)內(nèi)地面大部為湖面、魚塘等水體覆蓋區(qū)域,地表?xiàng)l件復(fù)雜,給三維地震的施工帶來很大難度,因此表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜。該區(qū)水面以下巖性多為粘泥層,有利于地震波的激發(fā),區(qū)內(nèi)第四系厚度比較穩(wěn)定,厚度平均123.31 m。第四系底界面與下伏上侏羅統(tǒng)蒙陰組地層相比,在沉積環(huán)境、巖石物理力學(xué)性質(zhì)等方面都有很大的差異。其底界面是一良好的反射界面,但由于第四系厚度較薄,有效覆蓋次數(shù)低,該反射波品質(zhì)較差,但界面兩側(cè)角度不整合明顯,基本可以全區(qū)連續(xù)追蹤,因此淺層地震地質(zhì)條件一般。該區(qū)主要目的層為山西組的3(3上)煤層、太原組的12下煤層和16煤層。該區(qū)3煤層賦存地段厚度較大,一般在4 m左右,能形成較好的反射波。12下煤層與16煤層由于煤層較薄,同時(shí)在3煤層賦存地段其反射波受到上覆3煤層強(qiáng)反射層的屏蔽作用,很難形成全區(qū)可連續(xù)追蹤的反射波。另外,該區(qū)大面積受沖刷影響,3煤層變薄、缺失,未受沖刷影響的范圍較小。煤系上覆地層為侏羅紀(jì)地層,與煤系地層間距很小,一般為十幾米,且兩套地層間傾角相差很小,大大增加了反射波識(shí)別和對(duì)比解釋工作難度。因此,該區(qū)深層地震地質(zhì)條件復(fù)雜。綜上所述,該區(qū)為魚塘水面施工,表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜,深部煤層變化較大,構(gòu)造較復(fù)雜,綜合地震地質(zhì)條件為特別復(fù)雜區(qū)。
該區(qū)采用三維地震勘探工作方法,測(cè)線的布置設(shè)計(jì)應(yīng)以盡量垂直地層走向?yàn)樵瓌t,同時(shí)檢波線的布置還要盡量順著魚塘的分布走向沿岸鋪設(shè),最終設(shè)計(jì)西北-東南向測(cè)線共6條,采用12線8炮、中點(diǎn)發(fā)炮的觀測(cè)系統(tǒng)。
由于工作區(qū)內(nèi)魚塘遍布,除去魚塘堤壩,區(qū)內(nèi)地面80%以上為水面覆蓋,與常規(guī)的地面三維地震勘探相比,野外施工的難度極大地增加,為此針對(duì)水體覆蓋區(qū)域的三維地震數(shù)據(jù)采集,采取了如下應(yīng)對(duì)措施:
(1)提前對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)魚塘分布進(jìn)行踏勘,模擬變觀設(shè)計(jì)
測(cè)量對(duì)該區(qū)域進(jìn)行實(shí)測(cè),然后將魚塘水深及能否打孔放炮情況標(biāo)注到工程布置圖中,同時(shí)利用MESA觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件對(duì)這些不能打孔放炮的區(qū)域進(jìn)行變觀設(shè)計(jì)。通過在這些區(qū)域周圍增加炮點(diǎn),改變接收排列的方式進(jìn)行合理的變觀設(shè)計(jì),確保這些區(qū)域下覆蓋次數(shù)達(dá)到要求的疊加次數(shù),確保地震資料的完整性和有效波的保真度。
(2)水上測(cè)量布點(diǎn)
水上測(cè)量采用全球定位系統(tǒng)GPS測(cè)量?jī)x器,相較于傳統(tǒng)的全站儀,GPS具有靈活方便、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)[3],更有利于水上測(cè)量人員進(jìn)行靈活操作。本次水上測(cè)量分小組進(jìn)行,每小組分配兩艘小船。進(jìn)入水塘后,由一專職測(cè)量人員乘坐小木船進(jìn)行測(cè)量,另一人同時(shí)向水中插設(shè)足夠長(zhǎng)的竹竿,確保竹竿準(zhǔn)確地插入測(cè)量點(diǎn)位置,并且要露出水面1 m以上,便于識(shí)別。每個(gè)竹竿上用不同顏色的布條分別代表炮線和檢波線,貼好測(cè)線號(hào)和樁號(hào),以便區(qū)分。
(3)水上成孔
相對(duì)于陸地勘探,水上成孔的難度極大地增加,是水上地震勘探的難點(diǎn)之一。因此要制定專門用于水上成孔的機(jī)船,船只的正中間設(shè)計(jì)一個(gè)孔洞,作為一個(gè)簡(jiǎn)易的鉆井平臺(tái)。成孔時(shí)打孔人員使用與陸地相似的鉆井設(shè)備在機(jī)船上面進(jìn)行打孔操作,打到預(yù)定深度后用塑料管將孔口罩住,以便于下放TNT成型炸藥,保證測(cè)區(qū)內(nèi)不會(huì)大面積空炮。
(4)水上檢波器的插置
由于一般的數(shù)字檢波器都沒有防水的功能,因此本次專門采用特制的防水檢波器,考慮到湖底淤泥可能較厚,本次把檢波器尾椎加長(zhǎng)了50~80 cm。鋪設(shè)檢波器時(shí)由放線班使用專門制造的插檢波器的夾子工具,把檢波器插入水下的淤泥中,并保證檢波器插直插緊。同時(shí),把檢波線與大線連接的一端拉出水面并系在竹竿上,以方便與大線連接。
(5)利用工作站及時(shí)進(jìn)行資料處理,嚴(yán)格遵循“三邊”原則,邊施工,邊處理,隨時(shí)了解施工效果及出現(xiàn)的問題,并及時(shí)修正施工參數(shù),對(duì)所遇到的問題進(jìn)行及時(shí)處理。以現(xiàn)場(chǎng)處理的數(shù)據(jù)體作為質(zhì)量監(jiān)控依據(jù),從而更科學(xué)、更有說服力。
通過采取一系列的水上施工質(zhì)量保障措施,最終得到了較好的原始資料:
(1)由于勘探區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜,局部炮點(diǎn)分布不均,覆蓋次數(shù)有所變化,但本區(qū)的三維原始資料總體質(zhì)量較好,初至波較清晰。測(cè)區(qū)內(nèi)總體激發(fā)條件較好,原始單炮的信噪比較高,反射波層次豐富清晰,從原始單炮上可以清晰地識(shí)別出。在區(qū)內(nèi)煤層沖刷及變薄區(qū)塊,反射波能量較弱。如圖1。
圖1 原始典型單炮
(2)通過對(duì)原始單炮進(jìn)行頻譜分析,有效頻帶約為10~120 Hz,主要目的層的主頻約20~80 Hz,可見本區(qū)原始資料的頻帶較寬。
(3)本區(qū)原始單炮的主要干擾波是隨機(jī)噪聲、面波和聲波。針對(duì)主要干擾,處理時(shí)采取加強(qiáng)疊前多域組合去噪的方法進(jìn)行處理;針對(duì)個(gè)別品質(zhì)稍差的單炮,采用保幅隨機(jī)噪音及低頻壓制模塊單獨(dú)進(jìn)行凈化處理,可以得到良好的效果。
對(duì)采集得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將處理完成的三維數(shù)據(jù)體(如圖2)加載在GeoFrame 解釋工作站上,采用人機(jī)聯(lián)作解釋系統(tǒng),進(jìn)行層位自動(dòng)追蹤、任意方向時(shí)間剖面閉合、水平切片斷點(diǎn)分析、斷層立體追蹤、圖形縮放、不同方式顯示等手段對(duì)三維地震資料進(jìn)行整體解釋[4],最終解釋成果方案見圖3。最終圈定了煤層的沖刷范圍,控制了區(qū)內(nèi)構(gòu)造及煤層厚度的變化。
圖2 處理得到的偏移數(shù)據(jù)體
圖3 3煤層解釋成果方案平面示意圖
該區(qū)的主要目的為查明3上煤層的賦存情況,標(biāo)定沖刷邊界,以滿足采區(qū)工作面布置的需要。在時(shí)間剖面中,3上煤層賦存區(qū)域內(nèi)3上煤層反射波表現(xiàn)為兩個(gè)正相位夾一個(gè)負(fù)相位的復(fù)合波組,即兩個(gè)黑色夾一個(gè)白色反射軸(圖4),當(dāng)3上煤層沖刷變薄或者消失時(shí),該復(fù)合波組變?yōu)橐粭l單一的反射波。分析解釋3上煤層賦存范圍時(shí),綜合分析該復(fù)合反射波特征變化情況,可作為判斷3上煤層賦存范圍的有力依據(jù)。另外,由于3上煤層正常賦存時(shí),煤層厚度較厚,形成強(qiáng)反射波,會(huì)對(duì)下賦12、16煤層的層位反射波造成屏蔽作用;而3上煤層變薄、消失區(qū)域,失去屏蔽作用,下賦層位的反射波會(huì)變強(qiáng)(圖5),可根據(jù)下賦層位反射波的強(qiáng)弱變化反推測(cè)3上煤層正常賦存范圍。
圖4 可采范圍內(nèi)的3煤層反射波
圖5 3上煤層反射波會(huì)對(duì)下賦煤層反射波造成屏蔽作用
綜合分析:該區(qū)大部分地段3上煤層被沖刷,只有局部地段有3上煤層賦存,該區(qū)3上煤層賦存面積約占全部勘探面積的30%??傮w為一個(gè)呈走向近南北、傾向西的單斜構(gòu)造,褶曲形態(tài)較為簡(jiǎn)單。
由圖3可知,該區(qū)3煤層賦存區(qū)域內(nèi)3上煤層厚度基本未受沖刷影響,面積約0.30 km2,煤層厚度為正常沉積厚度,一般為4 m左右,為較穩(wěn)定厚煤層(圖4)。沖刷邊界煤層厚度急劇變化,從正常煤層厚度很快變?yōu)?.7 m厚度(圖5),在時(shí)間剖面上顯示為單一的正相位反射波。
本次采用三維地震勘探方法對(duì)新安煤礦3煤層可能賦存的工作區(qū)進(jìn)行勘探工作。從設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集到資料處理、解釋,每一環(huán)節(jié)都進(jìn)行了充分的論證和質(zhì)量把關(guān)。相較于以往的陸地施工,本次三維地震勘探全部為湖區(qū)施工,施工條件極其復(fù)雜。但由于采用了正確有效的施工方法,獲得了品質(zhì)較高的地震資料。最終圈定了可采煤層的覆存范圍,獲得了較為準(zhǔn)確的地質(zhì)成果,為煤礦安全開采和成本的節(jié)約提供了有利地支持。