羅忠琴，劉 鵬，唐建益，劉最亮

(1.中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北省涿州市，072750；2.中國煤炭地質(zhì)總局，北京市海淀區(qū)，100038；3.華陽新材料科技集團有限公司，山西省陽泉市，045000)

煤炭長期以來為我國能源安全穩(wěn)定供應提供了有力保障。我國煤炭主要產(chǎn)自石炭系、二疊系、侏羅系，少部分產(chǎn)自第三系。煤礦的地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，煤層的穩(wěn)定性也較差，給開發(fā)開采帶來了諸多困難。我國東中部地區(qū)的大型綜合機械化采煤工作面常受地質(zhì)構(gòu)造影響導致采掘接替失調(diào)，一些基建礦井由于地質(zhì)構(gòu)造沒有調(diào)查清楚，造成設(shè)計進行重大修改或重新調(diào)整采區(qū)設(shè)計或增加井巷工程量或巷道報廢，造成重大經(jīng)濟損失。然而用鉆井加密的方法精細地探測地質(zhì)構(gòu)造成本高、周期長甚至無法完成。

地震勘探技術(shù)在我國煤炭工業(yè)中的應用已有60多年(1955年至今)歷史[1]，特別是20世紀末以來，煤炭地震的技術(shù)概念與內(nèi)涵、技術(shù)的發(fā)展與應用不斷趨于完善，高分辨率三維地震技術(shù)作為煤礦采前勘探服務(wù)不可或缺的地球物理手段得到了大規(guī)模推廣應用。目前煤炭高分辨率三維地震技術(shù)已成為我國目前各大中型、特大型煤礦區(qū)高效開采和安全生產(chǎn)地質(zhì)保障的重要技術(shù)手段之一。但是，隨著煤礦機械化水平不斷提高，煤礦智能采區(qū)不斷推進，復雜地質(zhì)條件煤層智能綜采、智能化煤礦建設(shè)等給煤礦安全開采地質(zhì)保障提出了更高的地質(zhì)需求[2]。筆者綜合分析了我國煤炭地震勘探所面臨的諸多挑戰(zhàn)，提出在未來幾年我國煤炭地震勘探需要加強的10個方面的新技術(shù)新方法研究，以形成一套我國煤炭地震勘探高精度解決我國煤礦復雜地質(zhì)問題的關(guān)鍵技術(shù)系列，進而大幅提高地質(zhì)構(gòu)造探測能力和空間定位精度、巖性識別解釋精度和隱蔽地質(zhì)災害預測能力，為我國各大中型、特大型礦區(qū)綠色開發(fā)、智能化煤礦建設(shè)發(fā)展服務(wù)。

1 我國煤炭地震勘探技術(shù)現(xiàn)狀

20世紀90年代煤礦采區(qū)三維地震勘探主要在我國東部煤礦區(qū)實施，21世紀初我國煤炭工業(yè)發(fā)展重點逐步向中、西部煤炭資源豐富、煤質(zhì)優(yōu)良的礦區(qū)轉(zhuǎn)移，然而這些礦區(qū)大部分地質(zhì)條件都十分復雜。20多年來各煤炭物探單位，會同有關(guān)煤業(yè)、礦業(yè)集團公司針對煤炭開采的主要地質(zhì)需求和中西部礦區(qū)黃土塬、山地、沙漠、戈壁等復雜地震地質(zhì)條件區(qū)域的三維地震數(shù)據(jù)采集、處理、解釋技術(shù)方面的諸多難題，分段持續(xù)開展了相當長一段時間的地震技術(shù)方法攻關(guān)，攻關(guān)重點放在提高地震信噪比、分辨率和地震成像空間定位精度方面，以提高煤礦地質(zhì)構(gòu)造的勘探能力，特別是提高中、小斷層的探測能力和符合率等方面，使得在不同條件地區(qū)均可以利用三維地震進行地質(zhì)構(gòu)造探查，不同地區(qū)煤礦采區(qū)三維地震勘探首次應用具體情況見表1，通過多年研究，逐步形成五大煤炭地震技術(shù)體系[3-4]：平原、丘陵煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)體系；黃土塬煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)體系；山地煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)體系；沙漠、戈壁煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)體系；淺海、湖泊煤礦三維地震勘探技術(shù)體系。

表1 煤礦采區(qū)三維地震勘探首次應用礦區(qū)

注：資料引自《黃土塬煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)》

20世紀，我國煤炭二維、三維地震技術(shù)主要應用于勘探地質(zhì)構(gòu)造。近10多來開始注重煤礦隱蔽災害地質(zhì)體與巖性三維地震綜合勘探技術(shù)的研究和應用。目前，煤炭三維地震勘探基本解決了煤層起伏形態(tài)、向背斜軸、斷層產(chǎn)狀及其延展情況、撓曲及其延展情況、陷落柱、沖刷變薄帶、采空區(qū)、巖漿侵入?yún)^(qū)等影響煤礦安全、高效生產(chǎn)的主要地質(zhì)構(gòu)造問題[2,5]，即使在地震地質(zhì)條件差的黃土塬區(qū)也實現(xiàn)了利用三維地震探查煤層及其頂?shù)装鍘r性。該方法的精度和能力得到業(yè)界的普遍認可，是采區(qū)準備前構(gòu)造勘探的首選技術(shù)手段，已得到廣泛應用[6]。

2 煤礦隱蔽致災因素地震勘探能力與效果

2.1 地震法探測地質(zhì)構(gòu)造的能力和效果

歷經(jīng)多年的發(fā)展，煤礦采區(qū)三維地震構(gòu)造勘探形成了以下流程。

(1)根據(jù)野外踏勘與探查目的設(shè)計觀測系統(tǒng)；

(2)野外生產(chǎn)采用安全綠色勘探管理，實行“兩寬一高”(寬頻帶、寬方位、高覆蓋)質(zhì)量要求，實行同步資料處理質(zhì)控；

(3)資料處理按照“三高”(高信噪比、高分辨率、高保真度)要求進行質(zhì)控；

(4)通過合成地震記錄對地震反射波進行標定，在此基礎(chǔ)上，以連井剖面為參照，并結(jié)合波組關(guān)系，進行目的層位追蹤與構(gòu)造解釋；在構(gòu)造導向濾波的基礎(chǔ)上，開展多屬性分析與三維可視化對比，利用此技術(shù)對進一步甄別異常、精細構(gòu)造解釋與斷點組合有極大幫助。最后進行成圖與誤差校正，獲得目的層底板等高線圖?；幢碧覉@礦某采區(qū)82號煤層三維地震屬性分析與三維可視化立體如圖1所示。

圖1 淮北桃園礦某采區(qū)82號煤層三維地震屬性分析與三維可視化立體

目前，三維地震解釋煤層底板標高的誤差一般約為1.0%，能解釋落差大于3 m的斷層[7-8]。高密度三維地震可以將斷層分辨率從落差3～5 m提高到2 m[7]。10余年來，三維地震數(shù)據(jù)二次精細處理解釋(疊前時間偏移、多屬性分析解釋+三維可視化)對提高一次地震解釋的地質(zhì)成果可靠性十分有效，實用性強；三次處理解釋(井巷約束疊前深度偏移、深度域?qū)傩苑治?三維可視化、巖性反演)逐漸發(fā)展，對進一步提高地震的地質(zhì)成果精度與地震勘探應用范圍的廣度提供了新的方向。

2.2 地震法探測煤礦陷落柱的能力和效果

煤礦陷落柱主要分布在我國北方石炭系、二疊系煤礦區(qū)，尤以汾河兩岸、太行山兩側(cè)煤礦為多。巖溶陷落柱密實程度變化大，比圍巖強度低，與圍巖的聯(lián)結(jié)也較脆弱，故巖溶陷落柱對煤層開采有明顯影響，其含水、導水陷落柱往往會造成重大水害。然而，陷落柱發(fā)育具有隨機性與不確定性，其預測定位定量化難度大且預測精度不高[9]。目前，陷落柱的定位主要采取逐次精確的辦法：利用地質(zhì)、構(gòu)造、采礦、鉆探、排水、化探手段，綜合分析陷落柱靶區(qū)；應用三維地震精細勘探初步圈定異常區(qū)；有針對性地開展放水、連通試驗，進一步查明陷落柱范圍與導水性；以鉆探驗證陷落柱存在與否，并確定其導水性[10-11]。

從20世紀90年代初開始，地球物理工作者就開始探索利用地震勘探探查巖溶陷落柱的方法，通過模型分析和山西晉城鳳凰山礦綜合物探探查陷落柱野外試驗，其中反射波地震法取得了效果[12-13]。隨后，通過對野外采集、資料處理解釋技術(shù)的全面改進，形成了適用于陷落柱探查的煤炭高分辨率地震勘探技術(shù)。1997年，在潞安礦區(qū)高河礦井高分辨率三維地震勘探中發(fā)現(xiàn)了直徑40～350 m的陷落柱多個，總結(jié)出陷落柱在地震剖面上的特征：標準反射波中斷或消失；繞射波、延遲繞射波、側(cè)面波等異常波出現(xiàn)；反射波動力學特征突變[14]。巖溶陷落柱在地震剖面上典型特征如圖2所示。1998年，江蘇煤田地質(zhì)局物測隊在陽泉礦務(wù)局五礦的山區(qū)(山坡坡度>60°，最大高差167 m)三維地震勘探工作中，在1.35 km2范圍探查出27個陷落柱，圈定0.8 km2可采掘面積，對該礦達產(chǎn)起到了重大作用[13]。

圖2 巖溶陷落柱典型地震剖面

為了更加精細探測陷落柱發(fā)育位置與形狀，探查其賦水性，眾多地球物理工作者探索出了聯(lián)合勘探方法：地面地震與井下地震聯(lián)合、地震與瞬變電磁聯(lián)合、地震與CSAMT聯(lián)合、地震與礦井TEM聯(lián)合[15-18]。高精度三維地震勘探探查巖溶陷落柱的分布狀況及其可能的突水通道和富水空間；直流電法、瞬變電磁、CSAMT、礦井TEM預測可能的低阻異常區(qū)，如果陷落柱異常與低阻區(qū)在空間上重合，則需要特別注意該陷落柱突水隱患。山西晉城趙莊二號井3號煤層地震與電法聯(lián)合探查斷層陷落柱富水性效果如圖3所示，圖中彩色底圖為主成分融合屬性，融合屬性值越高，代表賦水性越強。圖中地質(zhì)構(gòu)造為三維地震解釋成果，依據(jù)融合屬性值對構(gòu)造進行賦水性判定，藍色構(gòu)造表示賦水性強，紫色構(gòu)造代表賦水性弱。

圖3 地震與電法聯(lián)合探查斷層陷落柱富水性

地震資料處理與解釋預測陷落柱方面也取得長足進步，在“兩寬一高”資料基礎(chǔ)上，基于炮檢距向量片技術(shù)(OVT)處理，以及多屬性融合分析，提高解釋陷落柱的精度[19]。

(1)OVT域疊前偏移處理；

(2)分方位、分角度對數(shù)據(jù)進行分析；

(3)利用構(gòu)造導向濾波、優(yōu)勢頻譜帶通濾波等技術(shù)，提高不同方位、不同角度觀測陷落柱形態(tài)的能力；

(4)提取巖層或?qū)娱g屬性，包括相干、方差、曲率、波形相似、波形差異、混沌體等屬性；

(5)進行敏感屬性主成分分析融合，使陷落柱在平面上的邊界更加清晰；

(6)結(jié)合井巷、地震剖面、屬性剖面、屬性平面進行陷落柱綜合解釋。

地震精細屬性分析識別煤礦采區(qū)陷落柱如圖4所示。

圖4 地震精細屬性分析識別煤礦采區(qū)陷落柱

煤炭三維地震采用運動學和動力學相結(jié)合的方法，查明陷落柱吻合率在淮南礦區(qū)和永城礦區(qū)大于89%，在其他地區(qū)大于78%[7]。

2.3 地震法探測煤層厚度的能力和效果

煤厚變化對煤礦生產(chǎn)的影響主要有以下幾個方面。

(1)影響礦井開采工程布置。例如煤層厚度很大，過去采用分層開采，因為煤層突然變薄，被迫改為單層開采，這樣就要重新調(diào)整巷道布置；開采的煤層突然變薄造成大面積不能回采，使整個采區(qū)的布置受到影響。

(2)影響計劃生產(chǎn)，造成工作被動。

(3)增加掘進巷道數(shù)量。例如煤層分叉變薄，可能巷道掘進到分叉帶、尖滅帶時會造成廢巷。另外，還有古河流沖刷問題等使煤層突然變薄[7]。

20世紀80年代初，中國礦業(yè)大學朱華榮在地震剖面上發(fā)現(xiàn)煤層反射，并用煤層反射的調(diào)諧振幅法預測出煤層厚度變化趨勢。1985年安徽省淮南礦區(qū)中日合作劉莊井田精查高分辨率二維地震勘探中，對所獲地震資料作波阻抗反演處理，證實13-1號煤層在地震反演剖面上為低波阻抗條帶[20]。20世紀90年代初以來，山東省、安徽省、江蘇省、陜西省、河南省煤炭物探測量隊和中國煤炭地質(zhì)總局物探研究院、煤炭科學研究總院西安研究院等單位，陸續(xù)開始用鉆井、測井資料作約束地震反演研究煤層厚度。

近年來，重點研究和應用地震多屬性、約束稀疏脈沖地震反演、疊前彈性參數(shù)反演、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演、地質(zhì)統(tǒng)計隨機反演、多參數(shù)巖性地震反演等技術(shù)預測煤層厚度。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，目前三維地震對較厚-厚煤層煤厚的預測誤差在1.0 m左右[7]。地震反演預測的煤層厚度剖面如圖5所示。

圖5 地震反演預測的煤層厚度剖面

2.4 地震法探測煤層頂、底板突水災害的能力與效果

煤礦水害是與瓦斯、火災、粉塵、動力地質(zhì)災害并列的煤礦建設(shè)與生產(chǎn)過程中的五大安全災害之一。煤礦水害產(chǎn)生的三大要素是水源、水量、導水通道[21]，起決定性作用的是含水層及其補給和排泄條件，水源具有區(qū)域性和面狀分布的特點，而導水通道(斷層、裂縫、不良封閉鉆孔等)具有極強的局部性和難以預測性。

大多數(shù)災害性突水源于導水通道的不可預知性。據(jù)以往的煤礦突水事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國煤礦突水災害最為嚴重、突水因素最為隱蔽、最為普遍、水害安全最難預知的屬華北型石炭二疊煤系煤層底板奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水，通過斷層、陷落柱或隱伏陷落柱突水或底鼓突水易造成水害事故。從已有的文獻介紹來看，也有許多煤礦存在頂板水害隱患，但其對煤礦安全生產(chǎn)的影響遠不如前者。實際情況表明，在我國煤炭工業(yè)發(fā)展中，頂、底板水害問題都是亟待研究解決的重要問題[21-22]。

2.4.1 煤層頂板突水災害地震預測技術(shù)

煤層頂板包括偽頂、直接頂和基本頂。偽頂很薄一般僅十到幾十厘米，多為泥巖，分布極不均一，有的塊段沒有偽頂；直接頂是位于煤層上方的一層或幾層相近的巖層，直接頂?shù)暮穸扔写笥行?，因地而異；基本頂是直接頂上方對采場礦壓有明顯影響的巖層平衡結(jié)構(gòu)，基本頂可能形成裂縫帶，基本頂也可能形成“三帶”中的垮落帶。煤層未被采動前，煤層及其頂、底板巖層均處于靜力平衡狀態(tài)。

近年來，在煤層頂板突水災害地震預測中，僅側(cè)重于研究頂板賦水層，并開展煤層頂板巖性、頂板巖體裂縫發(fā)育帶的預測，應用的技術(shù)包括以下幾方面。

(1)地震反演預測煤層頂板巖性技術(shù)；

(2)煤層頂板賦水帶預測技術(shù)，主要采用疊前同時地震反演、頂板巖層孔隙率反演、自然電位地震反演、地震多屬性分析；

(3)裂隙發(fā)育帶地震預測技術(shù)，主要采用譜分解的螞蟻追蹤法識別、OVT域地震屬性分析等。

孔隙率地震反演連井剖面如圖6所示。圖中可得出砂體厚度和砂體孔隙度；對于砂體厚度大且孔隙度高的區(qū)域，如圖中N35井附近，可以推斷該砂體在該區(qū)域為富含水區(qū)。

圖6 孔隙率地震反演連井剖面

2.4.2 煤層底板突水災害地震預測技術(shù)

(1)煤層底板突水是一個受多種因素影響的非常復雜的問題，以往大量實際資料研究顯示，控制煤層底板突水直接因素包括：煤層底板下伏含水層的水頭壓力及富水性；礦山壓力；煤層底板與下伏含水層頂板之間的相對隔水層厚度、強度及巖石性質(zhì)是否足以抵抗下伏含水層的水頭壓力及礦山壓力，當隔水層厚度越厚、巖石越硬、強度越大、越完整時，則抵抗水壓力及礦山壓力的能力越強，反之則越易發(fā)生突水；地質(zhì)構(gòu)造是決定突水具體地點的最重要的因素之一，底板突水絕大多數(shù)都發(fā)生在斷層及其附近，另一些突水點是先發(fā)生底鼓，然后節(jié)理面張開裂縫并冒水冒泡，向斜軸部、傾伏背斜的端點以及斷層的交叉點也易發(fā)生突水；巖溶陷落柱可高達數(shù)十米至數(shù)百米，巖體強度要比正常巖體的強度小很多，較易突水[21]。

(2)煤層底板突水災害地震預測技術(shù)難度大，研究起步很早但成功實例不多，近年重點研究應用了以下技術(shù)：頻譜特征分析，根據(jù)煤層底板灰?guī)r區(qū)地震縱波“低頻高值，高頻低值，主頻低值”的屬性特征，判別煤層底板突水的可能性[7]；地震多屬性反演獲取與巖層富水性相關(guān)的物性參數(shù)，利用“三低一高”(視電阻率值低、人工伽馬(或補償密度)值低、自然伽馬值低、孔隙度值高)預測煤層底板的水害[22]；綜合物探方法，利用高分辨率三維地震解釋預測構(gòu)造發(fā)育位置，然后利用瞬變電磁和井下高密度二維、三維電法勘探進行煤層底板水情探測，通過突水系數(shù)、突水指數(shù)或主成分分析進行突水評價及危險性分區(qū)[21,23]。

利用多屬性反演主成分分析預測煤層底板的富水性分布，如圖7所示。由圖7可以清晰判定賦水性強弱，同時也可以辨識發(fā)育于該層段斷層的賦水性強弱。

圖7 多屬性反演預測富水性分布

2.5 地震法探測煤與瓦斯突出災害的能力與效果

煤與瓦斯突出嚴重威脅煤礦的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益，隨著礦井開采深度的增加，煤與瓦斯突出發(fā)生的可能性和危害性也日趨嚴重。有關(guān)研究表明，發(fā)生煤與瓦斯突出的部位都發(fā)育有一定厚度的構(gòu)造煤(即破碎煤、碎粒煤和糜棱煤)，構(gòu)造煤的賦存和分布是發(fā)生煤與瓦斯突出的主要地質(zhì)因素[24-25]。

近年來，相關(guān)研究表明，瓦斯富集常伴隨煤體結(jié)構(gòu)與厚度、煤體密度、頻譜特征、能量特征、縱/橫波速度、泊松比等彈性參數(shù)的變化而變化，可以利用地震勘探資料中振幅、頻率、相位、時間、速度、波形、波阻抗、能量以及衍生的復合屬性等豐富彈性波信息，研究瓦斯富集地球物理特征。多次試驗表明以下相關(guān)地震勘探技術(shù)可以用于瓦斯富集區(qū)的預測[26]。

(1)瓦斯富集區(qū)地震勘探以反射波方法為主，主要采用縱波勘探、橫波勘探或多波勘探；

(2)地震資料處理要求做到煤層反射波的高保真、高分辨率、高信噪比處理；

(3)地震資料解釋可以綜合振幅、頻率、相位等屬性及其復合屬性(如“低頻高值、高頻低值”)和地震微相特征分析，綜合辨識構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)；

(4)通過疊前、疊后多屬性聯(lián)合反演，利用反演的波阻抗、彈性參數(shù)等綜合辨識構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)；

(5)基于橫向各向同性介質(zhì)的方位AVO技術(shù)分析與基于各向同性/異性介質(zhì)理論的AVO技術(shù)分析預測瓦斯富集區(qū)。

陽泉礦區(qū)寺家莊礦中央盤曲采區(qū)15號煤層地震微相分析預測構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)如圖8所示。經(jīng)采掘驗證，西南部掘進煤巷(圖中紅色巷道處)，自東向西揭露構(gòu)造煤厚度由0.1 m逐漸變?yōu)?.6 m，預測趨勢與實見構(gòu)造煤分布相吻合[27]。

圖8 陽泉礦區(qū)寺家莊礦中央盤區(qū)15號煤層地震微預測構(gòu)造煤分布

2.6 其他

煤炭三維地震勘探除上述應用外，在預測已采掘巷道、采空區(qū)、煤層沖刷變薄帶、巖漿巖侵入?yún)^(qū)等方面也取得不錯成果。煤炭三維地震應用成果如圖9所示。

(1)1993-1994年淮南礦區(qū)謝橋煤礦首采區(qū)高分辨三維地震勘探資料，利用斷棱檢測技術(shù)，在460 m深度上清楚分辨3.2 m×3.8 m相互平行的、相距50 m的石門巷道[7]，如圖9(a)所示。

(2)淮北礦區(qū)祁南煤礦采用巖性反演、屬性分析技術(shù)、聚類分析技術(shù)，提高利用地震資料預測巖漿巖侵入煤層的范圍，如圖9(b)所示，28個鉆孔位置，27個孔預測結(jié)果與鉆孔吻合，符合度達96%[5]。

(3)采空區(qū)在地震剖面上表現(xiàn)為煤層反射波中斷、能量降低、反射波紊亂等特征，典型地震剖面如圖9(c)所示。

(4)山西晉城趙莊二號井應用PCA融合屬性分析劃分了3號煤層的古河流沖刷帶，如圖9(d)所示，且融合屬性值與煤層厚度呈近似線性關(guān)系，判定系數(shù)達0.888 9，即表示可用融合屬性值較為準確地回歸預測出煤層厚度[28]。山東省濟寧礦區(qū)濟寧二號煤礦二采區(qū)北部三維地震圈定煤層沖刷缺失區(qū)270 m，實際揭露無煤段長度240 m，誤差僅30 m，其3301工作面地震解釋無煤區(qū)面積2.8萬m2，實際揭露無煤區(qū)面積3.5萬m2[29]。

圖9 煤炭三維地震應用成果

3 煤炭地震前沿技術(shù)攻關(guān)進展

3.1 煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)進展

2000年，新加坡石油地學服務(wù)公司(PGS公司)在海上地震勘探中推出一項精細地震勘探技術(shù)——高密度三維地震勘探技術(shù)。主要通過縮小接收線距、道距、炮線距、炮點距實現(xiàn)高密度空間采樣，獲得更高分辨率的地下成像。

目前國際上有兩類代表性高密度三維地震勘探技術(shù)：一類是小道距高成像道密度，如PGS公司的HD3D技術(shù)和地球物理服務(wù)公司(CGG公司)的Eye-D技術(shù)，所用面元是常規(guī)面元的一半；另一類單點接收室內(nèi)數(shù)字組合高密度，如斯倫貝謝公司的Q技術(shù)。Q技術(shù)在中東、非州等地區(qū)已規(guī)模化應用。Eye-D技術(shù)在中東卡搭爾采用了3.75 m×3.75 m面元24 000道接收、500次覆蓋，可使鹽丘及鹽下構(gòu)造成像更加清楚[30]。

鑒于煤礦采區(qū)常規(guī)三維地震技術(shù)能力、地質(zhì)成果精度與煤礦井下綜合機械化采煤工作面的地質(zhì)需求的差距，需進一步提高地震法對煤礦小斷層、小幅度褶曲的地震識別能力與地質(zhì)體空間定位精度以及地震技術(shù)預測煤礦隱蔽地質(zhì)災害的能力問題等。對此2006年淮南礦業(yè)(集團)公司與中國石油東方地球物理公司合作，在安徽省淮南礦區(qū)丁集煤礦西部首采區(qū)應用煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)(我國首塊應用此技術(shù)的煤礦)，及小面元、高成像道密度試驗和生產(chǎn)，滿覆蓋面積2.5 km2。采用以提高地震分辨率為前提的高空間采樣率采集與數(shù)字檢波器接收為主的采集方法，接收道數(shù)2 560道，面元尺寸5 m×5 m，覆蓋次數(shù)64次，取得了高品質(zhì)、高分辨率的地震數(shù)據(jù)。對所獲地震數(shù)據(jù)通過地表一致性處理和疊前去噪處理、保持振幅處理、提高分辨率處理、疊前時間偏移處理以及高精度鉆孔間地層對比、正演模型、相干、譜分解等多項地震解釋技術(shù)。本次煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探使所獲地震資料縱橫向識別能力大幅提高，解釋出斷層46條、新發(fā)現(xiàn)斷層21條(其中2 m落差的小斷層18條)、否定原解釋斷層10條。地震識別井下巷道、煤層厚度變化的能力均有較大幅度提高。

2010年，淮南礦業(yè)集團公司潘北煤礦針對采空塌陷積水區(qū)陡傾斜煤層、多組斷層密集切割復雜的地質(zhì)條件，開展了第二塊高密度三維地震精細勘探技術(shù)研究，同樣也獲得了較好的地震勘探成果。2014年，淮北礦業(yè)集團公司開始在淮北礦區(qū)推廣應用煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)，截至2018年，勘探面積達124 km2。此間，各有關(guān)煤炭物探單位陸續(xù)在陜西省彬長礦區(qū)，山西省長治礦區(qū)、晉城礦區(qū)、大同礦區(qū)、潞安礦區(qū)和遼寧省鐵法礦區(qū)等多個礦區(qū)進行了高密度三維地震勘探，均獲得較好的地質(zhì)成果，典型的高密度三維地震時間剖面如圖10所示。

圖10 淮南煤田丁集礦高密度三維地震時間剖面

我國煤礦采區(qū)應用高密度三維地震采集方法有兩類：一類是采用模擬檢波器接收輸出模擬信號到數(shù)字地震儀系統(tǒng)記錄；另一類是數(shù)字檢波器接收，從檢波器直接輸出數(shù)字地震數(shù)據(jù)到數(shù)字地震儀記錄系統(tǒng)，屬全數(shù)字采集記錄過程。目前，利用高密度三維地震技術(shù)的優(yōu)勢，構(gòu)建一套高精度地質(zhì)構(gòu)造探測與煤礦地質(zhì)災害預測綜合技術(shù)體系還在不斷攻關(guān)完善中。

煤礦采區(qū)高密度三維地震勘探成本費用較高，一般為常規(guī)地震勘探的1.5～2.5倍，因此，全面推廣該技術(shù)進度緩慢。如果從新技術(shù)集成創(chuàng)新入手，以高精度的地質(zhì)成果提高礦方的投資回報率，讓更多的煤礦用得起采區(qū)高密度三維地震勘探手段，比以往任何發(fā)展階段都更為緊迫。

3.2 井巷約束下實時動態(tài)疊前深度偏移成像處理解釋技術(shù)進展

為解決地層橫向速度劇烈變化區(qū)域的偏移問題，20世紀70年代，克萊鮑特(CLAERBOUT)首次提出將波動方程引入到地震波場偏移成像中，由于波場外推算子可描述復雜波場的傳播過程，因此可解決橫向變速劇烈條件下的地震波成像問題，但該方法計算的穩(wěn)定性及精度差，且存在受傾角限制的問題[31]。隨后施耐德(SCHNEIDER W J)提出基于波動方程積分解的克希霍夫積分法，該方法具有更為高效的計算效率與更高的穩(wěn)定性；因此目前生產(chǎn)中疊前深度偏移應用該方法最為廣泛，但該方法也存在精度下降與對算子假頻敏感的問題。1983年，貝塞爾(BASSEL E)、科索爾夫(KOSOLF D)提出了逆時偏移法，由于該方法采用雙程旅行時成像，介質(zhì)橫向速度變化、陡傾角構(gòu)造不會對反射波成像產(chǎn)生影響，回轉(zhuǎn)波、多次波甚至可用來正確成像，但是逆時偏移主要難點是運算量大[31-32]，受限于計算機運算能力，未能推廣使用。

20世紀90年代初，我國就引進了深度偏移技術(shù)，但直至1995年，大慶油田遇到深層火山巖構(gòu)造區(qū)成像難和構(gòu)造畸變等問題，興城北、徐家圍子等地區(qū)的地震資料才嘗試使用疊前深度偏移處理方法。該方法壓制多次波同時突出了深層反射，相比疊前時間偏移地震剖面具有更高的信噪比和分辨率，疊前深度偏移資料基本查清了斷層軌跡、火山巖分布與氣柱等問題[33-34]。此后，疊前深度偏移技術(shù)在東部深層地層勘探中漸漸走向規(guī)模化。

目前我國疊前深度偏移處理技術(shù)已逐步完整，在很多油田勘探區(qū)取得明顯的應用效果，該技術(shù)的作用逐漸受到高度重視。2019年，中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院研發(fā)了井、巷道等多信息約束的疊前深度偏移速度建模方法，進一步提高了速度模型建立的精度，在此基礎(chǔ)上進行深度偏移的成果與真實地質(zhì)情況更加接近。

淮南礦區(qū)顧橋礦疊前時間偏移與疊前深度偏移(克?；舴蚍e分法)的地震剖面對比如圖11所示。由圖11可以看出，疊前深度偏移通過精細速度建模，消除了第三系地層隆起對下部煤層反射波成像的影響，提高了主采煤層起伏形態(tài)的控制情況，且第三系與二疊系、石炭系不整合界面的成像也更加清晰。

圖11 疊前時間偏移與疊前深度偏移地震對比剖面

4 我國煤炭地震勘探技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

我國煤炭地震勘探技術(shù)促進了煤礦安全高效地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)的逐步成熟，但從智能化采掘工作面以及綜合機械化工作面逐步向深部推進的地質(zhì)需求上看，現(xiàn)有煤炭地震技術(shù)還存在很大差距[34]，在為煤礦采前勘探服務(wù)領(lǐng)域面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

(1)面臨如何大幅度提高探測地質(zhì)構(gòu)造的精度和能力。從已有文獻[7,5,29]統(tǒng)計來看，礦井井田邊界大斷層，探采對比結(jié)果可靠，斷層擺動誤差10～30 m；井田采區(qū)內(nèi)落差5 m以上斷層的準確率在70%左右；落差3～5 m的斷層準確率小于34%～51.61%。必須提高探測地質(zhì)構(gòu)造的精度和能力。

(2)面臨提高煤層厚度預測精度的難題。厚度5.5～11.6 m的厚煤層，地震預測煤層厚度絕對誤差一般在0.1～3.1 m[35]；對厚度小于1.3 m的薄煤層，目前地震預測難以做到較為準確地預測其厚度。顯然距離智能化采掘工作面的地質(zhì)需求差距較大。

(3)面臨煤與瓦斯突出地質(zhì)災害高精度預測的地質(zhì)需求。需要在查明煤層厚度變化的基礎(chǔ)上，圈定出構(gòu)造煤發(fā)育帶及煤層裂縫發(fā)育帶的空間展布，確定的構(gòu)造煤發(fā)育帶和裂縫發(fā)育帶的平面位置誤差小于10 m；查明煤層直接頂板巖層巖性和頂板巖層厚度變化，巖性解釋符合率大于90%，厚度變化解釋誤差小于5%～10%[36-37]。本項研究起步很早，但進展較慢，離上述要求還有相當差距。

(4)面臨煤層頂板突水災害防治工程方面的高精度預測的地質(zhì)需求。主要涉及以下幾個方面：構(gòu)建精細的煤層頂板巖層(巖性)三維地質(zhì)模型，要求精細劃分出粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、礫巖、泥巖及其厚度變化，巖性解釋符合率90%以上，巖層厚度解釋誤差小于20%；查出煤層頂板裂縫發(fā)育帶分布范圍、相對密度、裂縫方向及其與頂板富水帶的關(guān)系；查明頂板富含水層分布及水的流向；構(gòu)建工區(qū)水文地質(zhì)模型。模型中包括含水層、富含水層、隔水層以及與煤層間的空間關(guān)系；預測煤層直接頂板的巖石抗壓強度、抗拉強度等演示力學參數(shù)。我國煤炭地質(zhì)勘探技術(shù)在上述很多方面的研究至今尚處于試驗階段。

(5)面臨煤層底板突水災害防治工程方面的高精度預測地質(zhì)需求。主要涉及以下幾個方面：構(gòu)建精細的煤層底板巖層(巖性)三維地質(zhì)模型，要求劃分出粗砂巖、細砂巖、泥巖、石灰?guī)r4種巖層及其厚度變化，巖性解釋符合率大于80%，巖層厚度解釋誤差小于10%～20%；煤層底板突水通道及煤層底板隔水層厚度高精度預測；奧陶系頂部剝蝕面形態(tài)及剝蝕面下200 m內(nèi)巖溶洞縫發(fā)育帶預測；查明太原組灰?guī)r巖溶洞縫發(fā)育帶分布；斷裂系統(tǒng)的空間展布及其對礦井水的封堵導水性。然而上述各項研究在我國煤炭地震系統(tǒng)剛開始起步。

5 我國煤炭地震勘探的發(fā)展方向

基于我國煤炭地震技術(shù)所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，特別是如何大幅度提高探測地質(zhì)構(gòu)造和煤層厚度的的精度和能力、煤層頂?shù)装逋凰疄暮εc瓦斯突出災害預測的精度和能力。未來幾年我國煤炭地震技術(shù)的發(fā)展，必須做好針對性的技術(shù)攻關(guān)，采用系統(tǒng)集成創(chuàng)新的技術(shù)思路，下大力氣研發(fā)以突破上述領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，大幅度提升對我國煤炭工業(yè)發(fā)展的地質(zhì)保障能力，力爭在“十四五”期間基本形成一套適合于我國大中型、特大型煤礦采煤技術(shù)升級改造的我國煤炭地震新的技術(shù)體系，為此一定要作好以下幾方面研究工作。

(1)強化地震巖石物理分析方法研究。巖石物理分析方法研究被認為是促進常規(guī)地震勘探從定性走向半定量乃至定量的最重要途徑。地震巖石物理分析早已成為國內(nèi)外油氣勘探地球物理研究熱點，其重要性主要體現(xiàn)在可有效提高地震巖性識別能力、提高儲層預測能力和流體檢測精度與可靠性上。

目前，我國煤炭物探系統(tǒng)在地震巖石物理研究方面處于剛起步階段，一直是煤炭地震技術(shù)領(lǐng)域的“第一短板”，更談不上深入實驗研究、理論模型分析、實際地震巖石物理應用。煤炭地震巖石物理研究的主要難點是各煤礦測井資料的問題很多，如井田內(nèi)各鉆孔間測井資料的時間跨度太長，最短也都在10多年以上，測井儀器、方法、參數(shù)以及標定等都存在多種問題。盡快扭轉(zhuǎn)目前這種被動局面，只有加快速度因地制宜地學習國內(nèi)外油氣勘探地球物理方面的經(jīng)驗和技術(shù)，通過建設(shè)煤炭地震巖石物理分析院所，專門從事煤炭地震巖石物理分析研究，集中優(yōu)勢技術(shù)能力有針對性進行關(guān)鍵性技術(shù)攻關(guān)，盡快形成生產(chǎn)能力，實現(xiàn)煤炭地震巖石物理分析技術(shù)的工業(yè)化應用。

(2)優(yōu)化煤礦采區(qū)高密度三維地震勘探技術(shù)。從10多年來各地煤礦采區(qū)高密度三維地震實施的情況來看，小道距、單點、高次覆蓋、全方位、寬方位三維地震勘探獨特優(yōu)勢已初步顯現(xiàn)，地震分辨率提高、深層反射信息增強、弱反射信號更加豐富，反射信號連續(xù)性、信噪比也更好一些，地震地質(zhì)效果明顯提升，但仍有多方面優(yōu)化空間，研究完善的重點：一是優(yōu)化野外觀測系統(tǒng)；二是采集中如何保護低頻信息、拓寬頻帶；三是逐漸由單波段向縱橫波聯(lián)合勘探轉(zhuǎn)變，獲得全波地震記錄；四是處理如何做好保幅，完善高密度三維壓噪、高精度靜校正、分方位角處理，完善井巷約束疊前深度偏移技術(shù)，努力實現(xiàn)高精度地震空間歸位成像，完善OVT域處理與OVT解釋等技術(shù)；五是強化井震融合反演等。以大幅度提高探測地質(zhì)構(gòu)造的精度和能力，提高煤層厚度預測精度，提高煤與瓦斯突出地質(zhì)災害高精度的預測能力。

從新技術(shù)集成創(chuàng)新入手，以高精度的地質(zhì)成果進一步提高煤礦采區(qū)高密度三維地震勘探的成本投入產(chǎn)出比，讓更多的煤礦用得起和喜歡用煤礦采區(qū)高密度三維地震勘探手段。

(3)創(chuàng)造條件開展VSP測井，發(fā)揮井筒地震在地面地震資料處理和解釋中的作用。從油氣地震經(jīng)驗來看，VSP測井在井控處理中存在以下明顯優(yōu)勢：由于井筒資料分辨率較高，可以通過約束提高地面地震處理結(jié)果的分辨率；通過井控地震資料處理進一步實現(xiàn)井震資料的一致性，為井震融合解釋提供基礎(chǔ)；用于地面地震資料處理或參數(shù)標定，提高地面地震資料參數(shù)選取的可靠性和準確性，使處理結(jié)果與井地質(zhì)資料達到最佳匹配；用于提高保幅處理質(zhì)量[38]。20世紀80年代到90年代，我國煤炭系統(tǒng)曾在多個地區(qū)進行過VSP測井，主要用于層位標定和速度求取，后來由于多種原因而終止。

(4)推動疊前深度偏移處理地震成像技術(shù)的工業(yè)化應用。疊前深度偏移是指疊加前的地震記錄在深度域進行偏移，使反射波歸位、繞射波收斂。疊前深度偏移技術(shù)是以波動方程描述地震波在地下傳播的情況，充分考慮了波在地下傳播時由于介質(zhì)不均勻而彎曲折射的客觀現(xiàn)象，可以偏移聚焦成像良好[32]。目前，在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域地震疊前深度偏移成像的基本方法已經(jīng)比較成熟。而煤炭勘探開采領(lǐng)域由于各方面的原因，開展疊前深度偏移則剛起步不久，針對煤礦開采中井巷數(shù)據(jù)的獨特優(yōu)勢，2018-2019年首次進行井巷約束下的實時動態(tài)礦井三維地震數(shù)據(jù)體高精度疊前深度偏移成像技術(shù)研究與應用，取得較好效果。應推動疊前深度偏移處理地震成像技術(shù)的工業(yè)化應用，吸取油氣地震的經(jīng)驗，未來的發(fā)展方向：一是要特別注意采集中采用較高覆蓋次數(shù)、增大排列長度，以滿足速度分析和偏移孔徑的要求；二是通過試驗選擇適合于工區(qū)地質(zhì)情況的疊前深度偏移方法；三是采用適合于煤礦采區(qū)三維地震新的速度建模技術(shù)和井巷數(shù)據(jù)實時動態(tài)優(yōu)化速度場，使速度場更加逼近真實的地下地震速度場，進一步提高偏移成像質(zhì)量和地質(zhì)目標的空間定位精度。

(5)開展OVT域疊前時間偏移。在OVT域進行地震資料處理的一大優(yōu)勢是其空間采樣的均勻性。在傳統(tǒng)域噪聲可能產(chǎn)生高度假頻，特別是在聯(lián)絡(luò)線方向往往采樣不充分，而在OVT偏移域無論是主測線或是聯(lián)絡(luò)線方向采集都很充分，易于將信號和假頻噪聲分開。另外OVT域偏移后的CRP道集整體能量均衡，近、中、遠道集上能量趨于一致，能更好地保存炮檢距和方位角信息，有利于進行方位各向異性分析、疊前反演和裂縫預測[39-40]。OVT偏移與常規(guī)方法沒有什么差別，只是輸入OVT道集，既可輸入單個OVT道集，也可輸入可互換OVT道集(2個OVT)進行偏移。可互換OVT道集組成2次覆蓋的數(shù)據(jù)子集，互補了彼此的照明使偏移后采集腳印影響降低[39]。從上述分析來看，用煤礦采區(qū)高密度三維地震資料作OVT域疊前時間偏移預測煤層頂板裂縫方向與裂縫密度是重要的發(fā)展方向，并可在復雜地震成像和煤層頂板裂縫描述中發(fā)揮更大作用。當然也應注意OVT域的疊前深度偏移的試驗研究，因為OVT域道集內(nèi)各道炮檢距和方位角相對恒定，它也是疊前深度偏移的理想數(shù)據(jù)。

(6)提高地震巖性識別能力和巖層厚度變化預測精度。20年來，為了用地震法獲得煤層頂?shù)装鍘r層巖性、厚度變化，煤炭系統(tǒng)有關(guān)物探單位做了大量研究，但至今未取得突破性進展，主要難在石炭二疊紀煤系和侏羅紀煤系屬于致密碎屑巖層粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖間波阻抗差異不明顯，且存在多個交叉帶，再加之在橫向上的相變，地震法區(qū)分識別起來非常困難，符合率低。學習油氣地震的經(jīng)驗，未來努力方向：一是發(fā)揮測井和地震資料各自的橫向、縱向優(yōu)勢，二者密切結(jié)合優(yōu)勢互補，其中關(guān)鍵在于強化研究解決地震與測井資料自動匹配，做好井震一致性處理與校正；二是做好巖石物理分析[40]；三是根據(jù)采區(qū)的地質(zhì)情況優(yōu)選反演方法；四是注意測井資料在地震的反演中如何做好有效約束。

(7)強化煤層頂板巖體裂縫發(fā)育帶地震預測技術(shù)研究。用地震技術(shù)預測煤層頂板巖體裂縫發(fā)育帶未來發(fā)展方向；一是根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)條件優(yōu)選適應本區(qū)的識別裂縫的技術(shù)方法，注意采用融合技術(shù)提高地質(zhì)成果精度；二是推廣高密度三維地震勘探方法，從OVT域處理和解釋入手，尋求提高預測裂縫的精度。

(8)開展震、電聯(lián)合勘探，強化煤層頂、底板富水帶地震預測技術(shù)研究，盡快形成高精度煤層頂、底板富水帶地震預測技術(shù)體系。目前該技術(shù)系列還在不斷完善中，主要是還不能排除反演結(jié)果解釋的多解性。下一步發(fā)展重點是強化地震與鉆井、測井資料相結(jié)合的疊前同時反演、泊松阻抗等多種流體檢測技術(shù)綜合研究。

(9)強化大幅度提高煤層厚度預測精度技術(shù)研究，以及大幅度提高煤與瓦斯突出地質(zhì)災害預測精度技術(shù)研究。

(10)煤炭地震技術(shù)與三維地質(zhì)建模技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建精細三維地質(zhì)模型、水文地質(zhì)模型、瓦斯地質(zhì)模型、地應力模型，為煤礦智能開采提供更為精細的綜合數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

我國煤炭地震勘探最初僅限于煤炭資源勘探領(lǐng)域，20世紀90年代后期逐步轉(zhuǎn)向為大、中、特大型煤礦采前勘探服務(wù)，絕大部分采區(qū)勘探項目都采用的是高分辨率三維地震技術(shù)，近10多年高密度三維地震技術(shù)也正在由我國的東部平原煤礦區(qū)投入生產(chǎn)，逐步向中西部復雜地形的山區(qū)、黃土塬煤礦區(qū)推廣應用，并取得了很好的地質(zhì)效果和很高的投資回報率。為了適應煤礦開采向智能化發(fā)展的地質(zhì)需求，我國煤炭地震技術(shù)的發(fā)展最重要的是要下大力氣注重提高地質(zhì)目標的定性和空間定位精度，根據(jù)不同地區(qū)地質(zhì)情況研究采用集成創(chuàng)新優(yōu)選的地震技術(shù)系列，逐步解決長期以來在煤礦安全開采中應用地震法存在的技術(shù)“瓶頸”，提高煤礦安全高效地質(zhì)保障系統(tǒng)能力，盡快形成一套煤礦地質(zhì)構(gòu)造精細探測高精度定位和煤礦隱蔽地質(zhì)災害預測綜合的地震技術(shù)體系，降低煤礦井下頂?shù)装逋凰疄暮兔号c瓦斯突出災害事故發(fā)生率。