Question

中国煤炭工业地震勘探技术的新进展

Answer 1

时作舟　唐建益　方正

（中国煤田地质总局，河北涿州　072750）

摘要　地震技术在中国煤炭工业中的应用已有40年历史。以往，用这一技术在中国发现了几十个新煤田和煤产地，并与钻探配合，对200个以上地区的煤田、井田进行了普查、详查、精查勘探。形成了一套适合于中国地质情况的独特的综合勘探技术。近年，为适应各大型、特大型煤矿区淮南、淮北、平顶山、兖州、神木、潞安、开滦等综合机械化采煤的需要，发展了一种专门为采区设计服务的地震技术，在为煤炭工业生产和建设提供更高精度的地质成果方面取得了重大进展。本文以实例，简要论述了近年来中国煤炭工业地震勘探技术的新进展，包括高分辨率地震、煤矿采区地震、高分辨率三维地震、煤层横向预测、VSP以及岩溶地震勘探技术。

关键词　煤炭地震　新进展　地震勘探　中国

1　引言

中国是世界上以煤炭为主要能源的少数国家之一，煤炭在一次能源生产和消耗结构中约占76%。中国的煤炭主要产自石炭二叠系、侏罗系，少部分产自第三系。煤矿的地质构造比较复杂，煤层的稳定性也较差，给开发开采带来了困难。中国东部、中部大型综合机械化采煤工作面，常因地质构造影响正常生产或使采掘接替失调。一些基建矿井对设计作重大修改或重新调整采区设计或增加井巷工程量，使巷道报废，造成重大经济损失。用钻井加密的方法更细微了解地质构造周期太长、成本太高，经济上很不合算，有时甚至是不可能的。

近年，中国东、中部地区的大型矿井，因依靠深入的地震工作及其进步技术，进行了成功勘探，在100多个煤矿采区取得了突出的地质效果和经济效益。使这100多对矿井在一定程度上扭转了煤矿建设和生产上由于地质构造问题引起的被动局面，促进了中国煤炭工业的发展。

现今的地震技术，在煤炭工业中已可成功地完成以下地质任务。

（1）查明落差大于10m以上的断层（二维地震）；查明落差大于5m以上断层、查出落差大于3m的断点（三维地震）；

（2）查明主要可采煤层中幅度大于10m（二维地震）和5m（三维地震）以上的褶曲，主要可采煤层底顶板深度误差小于2%（二维地震）和1%（三维地震）；

（3）确定和预测主要可采煤层分叉合并带、冲刷带、天然焦化带；

（4）确定废弃巷道位置；

（5）探测陷落柱；

（6）探测煤层隐伏露头位置、平面位置误差＜50m。

2　高分辨率地震技术

煤矿高分辨率地震技术是一项系统工程，它包括野外工作方法、仪器和资料处理技术的全面改进。提高分辨率能力的关键是增强信号的高频成分，当然仅提高频率是不够的，还必须加宽频带和兼顾改善高频讯号的信噪比，以及对环境高频噪声的抑制。这就带来了以下问题：

（1）如何激发频率较高、频带宽的地震信号；

（2）如何接收和尽量避免接收过程中的高频信号的损失；

（3）在记录时如何将反射波中的高频信息记录下来；

（4）如何提高信噪比，还要尽可能保留反射波中的高频信息；

（5）如何补偿地震波传播中高频的衰减；

（6）如何在处理中提高分辨率。

在中国东部、中部特大型煤矿，通过野外试验确定的方法是：

2.1　激发

在兼顾信噪比的基础上，采用高速成型炸药，小炸药量一般为0.5～1kg，按各地区潜水位和地层条件选择激发高频成分、高信噪比的最佳地层来激发地震波，井深8～15m或30m，砾石区采用可控震源（10～125Hz,8～10次扫描）。

2.2　接收

（1）采用60Hz检波器或100Hz检波器或水听器或涡流检波器，安置在深0.3m或2m的浅坑或8m浅井中，以防止地表高频噪声和避免低速带对高频反射信号的吸收；

（2）时间采样率0.5ms、1ms；空间采样率2.5m、5m、10m;

（3）采用24位A/D转换，超低噪声超低畸变的地震资料采集系统；

（4）野外地震仪器前置放大器用30Hz或60Hz或90Hz的低通滤波器；

（5）12次、24次或48次叠加；

（6）单点多检波器接收。

2.3　资料处理

野外采集的原始地震记录，主要煤层反射波的频率一般仅在60Hz左右。不能达到要求的分辨率，事实上不大可能在采集阶段完全解决分辨率问题，而且也是不经济的。精细处理可以使分辨率得到很大提高。众所周知，处理中除有提高分辨率的有力手段之外，也有很多环节包括叠加在内降低了分辨率。因此，在处理中各地区十分注重以下问题：

（1）精细静校正，应用初至折射资料估算静校正量；

（2）高精度动校正，以减小拉伸畸变，减小高频校正误差；

（3）噪声衰减；

（4）压缩和缓和子波作用；

多道最小平方统计反褶积、Q补偿、子波处理、串联反褶积、反Q滤波；

（5）连并约束反演；小波变换。

采用以上方法，使1000m以上主要可采煤层反射波主频达到100Hz左右，优势信噪比频率达到10～200Hz，在地震剖面上能分辨落差大于5～10m的断点，厚约0.7m的煤层。

2.4　实例

（1）图1是淮南矿区一张典型的高分辨率地震剖面，图中左下角的断层和中部的褶曲构造清晰可见。

图1　典型的高分辨率地震剖面

图2　连井约束反演地震剖面

a—约束反演前地震剖面；b—约束反演后地震剖面

（2）图2连井约束反演地震剖面，经连井约束反演处理后，主要反射频率由60Hz提高到约100Hz。

3　三维高分辨率地震勘探技术

3.1　三维地震勘探技术特点

前已叙及，由于开采煤炭的深度较浅（垂深1000m以内），对地质构造查明的程度要求又很高。因此，中国煤炭工业中的三维地震勘探技术与石油工业中的三维地震勘探技术有着以下不同的特点：

（1）排列长度较短，一般约500～700m，非纵距不超过600m;

（2）CDP网格很密，一般为（5～10）m×（10～20）m;

（3）采用高频检波器接收，其自然频率在60Hz、100Hz，埋置在深0.2～0.3m的浅坑中；

（4）通常以4线6炮或8线3炮制获取12次覆盖共深度点反射地震数据；

（5）在资料处理中通常用每平方公里5～10个钻井数据对反射层位进行标定；

（6）采用钻孔标定速度，使主要解释精度达到1%;

（7）对地震成果数据进行动态管理，即使用采掘过程中的新获得数据对，地震解释成果进行实际修正，重新解释。

近年，在中国的淮南、淮北、济宁、开滦、永夏、大屯等矿区已完成15块三维地震勘探，每块面积2～7km²。

其主要效果：

（1）查明了采区内落差大于5m的断层，落差3m的断点在地震剖面上显示明显；

（2）主要可采煤层底板埋藏深度误差，经巷道验证＜1%;

（3）查出运输大巷的位置。

3.2　典型实例

（1）图3是淮南矿区LB矿3.4采区三维地震数据盒。

图3　淮南矿区LB矿3、4采区三维地震数据盒

（2）图4是淮南矿区PS矿A采区三维地震水平切片的一部分。小断层断距5m，在图中黑框内清晰可见。

图4　淮南矿区PS矿三维地震水平切片小断层断距5m

4　煤层横向预测的地震技术

4.1　煤层预测

煤层横向预测的地震技术是以地震信息为主结合钻井地质成果和测井成果，研究煤层横向变化。煤层横向预测采用以下几项技术：

（1）煤层层位精细标定技术；

（2）煤层底板空间几何形态描述技术；

（3）主要可采煤层厚度变化预测技术；

（4）煤层分叉、合并带、冲刷带描述技术；

（5）主要可采煤层露头预测技术。

横向预测煤层的依据是地震反射波的振幅变化、相位变化、频率变化和速度变化。

通常预测煤层是利用人工合成记录，VSP资料对地震剖面上反射波的层位进行精确标定后用下述方法实现：

（1）波形分析法；

（2）特征参数法；

（3）稳健迭代法反演；

（4）积分地震道技术和波阻抗反演；

（5）子波振幅谱总能量法；

（6）道振幅谱比法。

4.2　典型实例

（1）图5是一段典型的处于煤层分叉、合并地段的地震剖面、图中T₃波为3号煤层反射波，T3L波为三号石灰岩反射波。

图5　典型的煤层分叉、合并地段的地震剖面（引自刘天仁）

（2）图6是用地震资料解释的3号煤层分叉、合并成果平面图。该成果经三批38个钻井验证成功率达84%。图中地震解释与钻探不一致的钻孔为T17-9、T8-3、T14-2、T15-3、T23-1、T10-3。

5　煤矿采区地震技术

5.1　采区地震技术特点

矿井初步设计前后，或煤矿投入生产后为合理布置采区、预备采区或工作面，而应用的地震技术称之为采区地震技术。它是90年代发展起来的为煤矿生产服务的技术，主要特点是：

图6　用地震解释的3号煤层分叉、合并成果平面图（引自朱华荣、杨奎）

该成果经三批38个钻井验证成功率达84%，图中●为地震解释成果经钻探验证不一致钻孔

（1）普遍采用二维、三维高分辨率地震技术。

（2）二维勘探测网较密一般175m×250m，构造复杂区125m×200m；三维测线网（20～40）m×（40～60）m。

（3）采区地震技术要完成以下主要地质任务：

①二维勘探查明落差10m以上的断层，查出落差5m的断点；三维勘探则查明落差5m以上的断层，查出落差3m以上的断点；②主要煤层底板的深度误差＜1%（三维）、2%（二维）；③查明主要可采煤层冲刷带范围；④查明陷落柱的范围。

（4）具有一整套适应各地区不同地质情况二维地震数据时深转换，三维偏移归位技术。

5.2　实例

（1）淮南LB矿井

该矿井设计年产300万t，在即将建成前进行采区高分辨率地震勘探。原矿井设计区内只有一条原F39断层，设计两个采面。地震勘探后煤系地层起伏形态与精查地质报告基本一致，但断层变动较大如图7。可见两个采区均为采区地震勘探查出的延伸很长的F₃₉断层切剖，为此对设计采面进行改动，新工作面可推进2000m。1993年投产至今已产原煤200万t以上。

图7　淮南LB矿井高分辨率地震勘探前后断层构造对比图

图中原F₃₉为精查勘探查出的断层，F₃₉、F_s为采区地震勘探查出的断层，巷-541/震-537分别为巷道对13-1煤层底板标高验证结果和地震解释结果

（2）河南LE矿井

该矿井设计年产240万t，原设计采区内无断层采区，采区地震勘探后查明断层17条。原设计三个采面中的两个采面被断层切断，见图8。后只好修改设计，避免了经济损失。

图9是一张典型的煤矿采区地震时间剖面，图中T3为3号煤层反射波，由F12和八里铺断层切割，而形成的地质构造清晰可见。

6　垂直地震剖面（VSP）

VSP主要用于确定反射波的地质层位；提高地震资料处理分辨率和了解钻井周围及井底以下的地质构造。

7　奥灰岩溶地震勘探技术

奥灰岩溶水一直是中国邢台、峰峰、焦作、鹤壁、邯郸等煤矿生产防治水和开采太原组煤层的主要障碍。据估算至少有5亿t煤受水的威胁无法开采。以往，靠钻井的方法予以探测成本高、周期长、成功率低。奥灰岩溶地震勘探技术主要借助于中、低频勘探，高覆盖次数的地震数据的特殊处理，来完成对奥陶灰岩内幕、岩溶发育带和奥灰顶界的埋深，断层的导水性的勘查。

图8　LE矿井高分辨率地震勘探前后断层构造对比图

1—地质精查查出的断层；2—高分辨地震查出的断层；3—二₁煤层底板等高线

图9　典型的采区地震时间剖面

图中T_Q为新生界底界面反射波，T₃为3号煤层反射波

8　结论

本文简要论述了中国煤炭工业地震勘探技术的新进展，可以看到它在煤炭工业中的应用已取得了丰硕的成果。高分辨率二维、三维地震；地震道反演；VSP等等技术，特别是高分辨率三维地震，由于技术成果精度高，勘探周期短，因此把它作为煤矿设计和开采中高度现代化的工具，正在成为中国东部地区一些煤矿的标准作法。

今后，中国东部、中部地区仍将是中国的主要产煤基地，开采深度将更深（1000～1200m）。为煤炭工业服务的地震技术将向勘探细小构造3m或更小断层的，高分辨率、高精度三维地震勘探和煤层勘探的目标发展。在综合利用各种资料和技术时，煤层横向描述，煤层顶底板岩性变化描述，地压预测，瓦斯富集带预测，断层导水性预测技术也将在矿井中起着重要作用。

参考文献

[1]　唐建益．煤田波阻抗剖面．煤田地质与勘探，1985,3:51～61.

[2]　方正．中国煤田勘探地球物理技术．地球物理学报，1994,37（增41）：396～407.

[3]　唐建益．中国煤田地震勘探剖面图集．北京：煤炭工业出版社，1992．