張超

（中國煤炭地質(zhì)總局 物測(cè)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

隨著科技水平的提高，煤礦開采逐步向智能化、自動(dòng)化綜合開采發(fā)展。現(xiàn)代化煤礦建設(shè)對(duì)煤礦地質(zhì)情況的要求也相應(yīng)提高，更精確的地質(zhì)構(gòu)造資料是煤礦開采的有力保障。

三維地震勘探以其經(jīng)濟(jì)性、全面性的控制地質(zhì)構(gòu)造情況，被廣泛應(yīng)用于煤礦采區(qū)勘探。三維地震勘探是一種間接勘探手段，勘探成果的精度主要受限于三維地震勘探數(shù)據(jù)體的品質(zhì)，而數(shù)據(jù)體的品質(zhì)又受限于野外施工所采集的原始數(shù)據(jù)[1]。激發(fā)參數(shù)作為三維地震勘探野外數(shù)據(jù)采集的重要影響因素，其選擇是否科學(xué)、合理，將直接決定原始數(shù)據(jù)質(zhì)量和施工成本，進(jìn)而影響最終的勘探效果。因此，對(duì)激發(fā)參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的研究，能提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量并降低施工的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約勘探成本，提高勘探成功率[2]。

1 概 況

山西余吾煤礦位于山西省長治市屯留縣境內(nèi)，地理位置位于沁水煤田東部中段，地處太行山脈西側(cè)、山西上黨盆地西部，屬潞安礦區(qū)。井田內(nèi)地表廣為第四系黃土層覆蓋，北、西部屬高原丘陵地貌，地形復(fù)雜，地表沖溝發(fā)育，在溝谷地帶有二疊系基巖零星出露；中部絳河由西向東流入漳澤水庫，形成河谷階地，局部溝壑較發(fā)育，河道多淤積泥沙，含卵礫石；南部地形較平緩，多被改造為農(nóng)業(yè)用地或林地，村莊、工廠、養(yǎng)殖場也多分布于此[3]。

野外數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)工作所使用儀器設(shè)備為SERCEL公司的428XL數(shù)字地震儀，SJ-60檢波器（主頻60 Hz），成孔方式為人工水鉆，激發(fā)方式為地震勘探專用電雷管配合地震勘探專用高爆速成型炸藥[4]。

2 淺、表層類型劃分

根據(jù)對(duì)勘探區(qū)踏勘情況，全區(qū)淺、表層大致可以劃分3個(gè)類型（圖1），北部為絳河及其河灘，潛水位較淺，表、淺層為河道淤積的泥沙，多含卵石；中北部為較平坦的農(nóng)田，表層為第四系黃土覆蓋，因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)變?yōu)楦餐?，淺層有較穩(wěn)定的厚黏土層，一般呈棕紅色，局部為灰黑色；中南部為低山丘陵，地形復(fù)雜，沖溝發(fā)育，溝底偶有基巖出露，坡上黃土中含有鈣質(zhì)結(jié)核（礓石塊）或鈣質(zhì)硬層（礓石層）。

圖1 勘探區(qū)內(nèi)各淺、表層類型分布范圍示意Fig.1 Distribution scope of shallow and surface types in exploration area

勘探區(qū)內(nèi)所包括的3個(gè)淺、表層類型，涵蓋了井田的主要淺、表層類型[5]。本文對(duì)勘探區(qū)的三維地震勘探激發(fā)參數(shù)進(jìn)行研究，其成果對(duì)該井田后續(xù)的地震勘探工作有較大指導(dǎo)意義。

3 激發(fā)參數(shù)對(duì)比分析

試驗(yàn)工作是獲得三維地震勘探采集參數(shù)，尤其是激發(fā)參數(shù)的重要手段。通過對(duì)不同表、淺層類型的范圍進(jìn)行踏勘，在勘探區(qū)內(nèi)布設(shè)試驗(yàn)點(diǎn)，確保每種表、淺層類型范圍內(nèi)均有試驗(yàn)點(diǎn)。

在試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格遵循由已知到未知、由簡單到復(fù)雜及單一因素變化的原則，先使用相同的藥量進(jìn)行井深試驗(yàn)（激發(fā)層位試驗(yàn)），再利用井深試驗(yàn)（激發(fā)層位試驗(yàn)）所獲得的最佳井深（激發(fā)層位）結(jié)論，分別進(jìn)行井組合試驗(yàn)和藥量試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，以確定不同表、淺層類型最合適的激發(fā)參數(shù)。

3.1 平地類型

試驗(yàn)點(diǎn)位于勘探區(qū)中部，屬中部平坦的農(nóng)田地形。接收排列檢波器為198道，三支串聯(lián)，扎堆插置，道距10 m。

井深試驗(yàn)使用炸藥量2 kg，井深范圍6~30 m，井深間隔2 m。通過對(duì)比單炮記錄及分析對(duì)應(yīng)的振幅—頻譜分布范圍[6]（圖2）可知，井深為16 m時(shí)，有效波主頻突出，約為40 Hz，信噪比較高[7]；當(dāng)井深減小到10 m時(shí)，有效波主頻降低至不足20 Hz，能量降低為16 m時(shí)的0.7~0.8倍，同時(shí)低頻的面波掩蓋掉有效波；當(dāng)井深增加到22 m時(shí)，有效波主頻降低至20~25 Hz，能量降低為16 m時(shí)的0.8倍。因此當(dāng)井深減小時(shí)，有效波主頻逐步降低，面波能量增強(qiáng)，信噪比降低；當(dāng)井深增加時(shí)，雖然面波得到了抑制，但由于穿過了合適的激發(fā)層位，有效波主頻不突出或不穩(wěn)定，能量也有所降低。

圖2 井深試驗(yàn)單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.2 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

結(jié)合成孔時(shí)的巖性（土質(zhì)）記錄分析[8]，在試驗(yàn)位置16 m井深處有1層厚度約1.5~2 m的黏土層；根據(jù)對(duì)該范圍內(nèi)的其他試驗(yàn)成果以及施工過程中的成孔情況和監(jiān)視記錄對(duì)比，該黏土層是最佳激發(fā)層位，且在較平坦的地形范圍內(nèi)普遍存在，厚度和深度變化不大。

藥量試驗(yàn)采用井深試驗(yàn)成果，井深16 m，炸藥量0.5~3 kg。通過對(duì)比單炮記錄及分析對(duì)應(yīng)的振幅-頻譜分布范圍（圖3），可知藥量為0.5 kg時(shí)，有效波主頻較高，約為60 Hz，信噪比較高，但能量較弱，約為藥量2 kg時(shí)的0.8倍；藥量為3 kg時(shí)，有效波和面波能量較強(qiáng)，約為藥量2 kg時(shí)的1.1倍，主頻較低，約為20 Hz，信噪比較低；藥量為2 kg時(shí)，可以在能量與主頻之間獲得較好的平衡。因此，減小激發(fā)藥量，可以獲得頻率更高的有效波，但犧牲了能量；增加激發(fā)藥量，有效波能量略有增加，但干擾波能量增加明顯，且頻率也大幅降低，激發(fā)藥量的選擇需要兼顧有效波能量和頻率[9]。

圖3 藥量試驗(yàn)單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.3 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of explosive dose test

3.2 低山丘陵類型

試驗(yàn)點(diǎn)位于勘探區(qū)中南部，屬低山丘陵，地形復(fù)雜，沖溝發(fā)育。接收排列檢波器為156道，三支串聯(lián)，扎堆插置，道距10 m。

井深試驗(yàn)使用炸藥量2 kg，井深范圍為9~22 m，井深間隔1~2 m。通過對(duì)比單炮記錄及分析對(duì)應(yīng)的振幅—頻譜分布范圍（圖4）可知，井深為14 m時(shí)，有效波主頻突出，信噪比較高；井深為10 m時(shí)，有效波主頻降低，約為20~25 Hz，面波能量有所增強(qiáng)，信噪比降低；井深為20 m時(shí)，有效波主頻和能量相較于14 m時(shí)變化不大。因此，當(dāng)井深減小時(shí)，有效波主頻也隨之降低，面波能量隨之增強(qiáng)，信噪比降低；當(dāng)井深增加時(shí)，有效波主頻和能量變化不大，但施工成本增加，不利于施工的經(jīng)濟(jì)性。

圖4 井深試驗(yàn)單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.4 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

結(jié)合成孔時(shí)的巖性（土質(zhì)）記錄綜合分析，在試驗(yàn)位置14 m井深處有1層厚度約0.3~0.5 m的礓石層。同時(shí)對(duì)比該范圍內(nèi)施工過程中的成孔情況和監(jiān)視記錄，該礓石層是最佳激發(fā)層位，且在勘探區(qū)該地形范圍內(nèi)大面積存在，但由于低山丘陵范圍內(nèi)地形起伏變化大，該礓石層的埋深也有較大變化。

藥量試驗(yàn)結(jié)論與上述試驗(yàn)基本一致。

3.3 河灘類型

試驗(yàn)點(diǎn)位于勘探區(qū)北部，屬于絳河河灘，地表覆蓋物以河沙和淤泥為主，局部含卵石。接收排列檢波器為150道，三支串聯(lián)，扎堆插置，道距10 m。

河沙和淤泥覆蓋的河灘的井深試驗(yàn)使用炸藥量2 kg，井深范圍為14~26 m，井深間隔1~2 m。通過對(duì)比單炮記錄及分析對(duì)應(yīng)的振幅—頻譜分布范圍（圖5）可知，井深為20 m時(shí)，有效波主頻突出，約為35 Hz，信噪比較高；井深為16m時(shí)，有效波主頻略有降低，約為30 Hz，低頻率的面波的能量略有增強(qiáng)；井深為24 m時(shí)，有效波頻率變化不大，但能量降低為井深為20 m時(shí)的約0.7倍。因此當(dāng)井深減小時(shí)，有效波主頻隨之降低，面波能量增強(qiáng)，信噪比降低；當(dāng)井深增加時(shí)，主要影響有效波能量。

圖5 井深試驗(yàn)單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.5 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

藥量試驗(yàn)結(jié)論與上述試驗(yàn)基本一致。

含卵石的河灘分布在靠近主河道處，潛水位較淺，成孔困難，最大孔深約2 m，考慮到施工的安全性，限定單孔藥量在1 kg以內(nèi)，且針對(duì)性進(jìn)行了井組合對(duì)比試驗(yàn)[10]，包括單井和雙井組合。通過對(duì)比單炮記錄及分析對(duì)應(yīng)的振幅—頻譜分布范圍（圖6）可知，在相同井深情況下，井組合與炸藥量變化對(duì)地震資料的影響不大，但組合井的能量略強(qiáng)，主頻略高，說明較淺的潛水位有利于地震波的激發(fā)。

圖6 井組合試驗(yàn)單炮記錄及振幅—頻譜分布Fig.6 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well combination test

4 結(jié) 論

激發(fā)井深（激發(fā)層位）方面，在勘探區(qū)南部的低山丘陵地帶，適合的激發(fā)層位為埋深約14 m的礓石層，受地形影響，在無法探測(cè)到礓石層的范圍，應(yīng)采用14~20 m作為最佳激發(fā)井深范圍；在平坦農(nóng)田范圍，應(yīng)重點(diǎn)將激發(fā)層位限定在埋深約16 m的厚黏土層中，施工中要注意該黏土層的埋深變化，遵循“層位優(yōu)先于井深”的原則；在河灘范圍，河沙覆蓋區(qū)采用20 m井深，卵石分布的河灘，因井深較淺，宜采用組合井。激發(fā)藥量方面，在井深能保證安全的情況下，使用2 kg；卵石河灘范圍，組合井的單井藥量為0.5~1 kg。

（1）在地形起伏和表、淺層類型具有一定變化的區(qū)域，激發(fā)參數(shù)的選擇上要更加注重激發(fā)層位，把握“層位優(yōu)先于井深”的大原則。

（2）通過定量化分析有效波的頻率和能量，可以更精準(zhǔn)的選擇最佳激發(fā)參數(shù)。

（3）激發(fā)藥量要與激發(fā)層位相適應(yīng)，既要保證能量也要保證頻率。