采空区及其下部煤层地震勘探难点、对策与应用研究

2015-12-17刘兆国武磊彬

西部探矿工程 2015年1期

关键词：数据处理采空区勘探

刘兆国，武磊彬

（安徽省煤田地质局物探测量队，安徽宿州234000）

采空区及其下部煤层地震勘探难点、对策与应用研究

刘兆国*，武磊彬

（安徽省煤田地质局物探测量队，安徽宿州234000）

针对采空区及其下部煤层的地震勘探工作，分析了野外数据采集参数、地震数据处理、资料解释的难点，结合在山西某矿区的地震勘探工作实例，提出相对应的解决方法、对策，在工程应用中取得了满意的勘探效果。

采空区及其下部煤层；地震勘探；难点与对策

过去一段时期的煤矿生产，因勘探技术、开采技术、设备条件、成本因素等条件的制约，大部分地区只进行了上部埋藏较浅、赋存条件较好的煤层开采，对下部煤层没有进行有效的勘探、开采利用。随着我国国民经济的发展，煤炭能源的供需矛盾日益突出，对下部煤层的勘探、开采利用显得日益迫切。因此，今后一个时期地震勘探的重要工作便是对采空区的分布情况、下部煤层的赋存构造情况开展有效的勘探工作，为后期接续能源的安全开采提供可靠地质依据。

在采空区及其下部煤层地震勘探中，由于受上部采空区的“屏蔽”，地震数据的采集、处理、资料解释均受到严重影响，具体表现如下所述。

1 技术难点

（1）由于前期采煤活动破坏了层状地层，塌落的岩石、积水、空巷都会对地震反射波造成吸收和散射，使采空区及下部煤层反射波信噪比非常低；

（2）采空区地段由于地层介质填充物变得松散，地震反射波高频成分被大量吸收，严重影响了地震勘探的分辨率；

（3）根据地震勘探横向分别率的概念，小于第一菲涅尔带半径的采空区难以分辨；

（4）采空区及其下部煤层地段，地震数据处理成像、归位难度大，给地震数据处理的“高信噪比、高分辨率、高保真度”带来很大的挑战；

（5）在地震资料解释过程中，由于采空区填充物的速度异常，将影响到下部煤层的成像质量，具体表现为“弯曲”、“下陷”等假褶曲现象，给解释工作带来困扰。

针对以上技术难点，根据有关规范，并结合作者的工作实践，总结如下的解决对策。

2 难点对策

（1）采用三维理论观测系统图进行炮点、检波点设计。由于采空区及其下部煤层的反射波非常弱，为了得到较高信噪比的地震资料，在三维地震设计中，须确保有足够的叠加次数（通常要求30次以上）、足够方位角宽度、较小的CDP面元（一般采用5m×10m）；

（2）采空下部煤层由于埋藏较深，根据地震波反射原理，在保证动校正拉伸畸变切除不影响有效波的情况下，可以适当延长时距曲线，尽量增加最大炮检距，不但有利于下部煤层反射波的激发、接收，也利于采空区边界位置的确定（见图1）；

图1 地震反射波传播示意图

（4）选用中低频检波器多个组合，采用动态范围较大的数字地震仪器，以利于接收频率较低、信号弱的采空区及其下部煤层的反射波；

（5）在采空区地段的地震数据处理中，为了确保处理剖面的“高信噪比、高分辨率、高保真度”的最佳效果，以便利于采空区识别、下部煤层解释，重点需要做好静校正、速度分析、反褶积、常规偏移、叠前偏移等，特别是速度分析，要注意采空区位置的低速异常；

（6）在采空区地段，地震时间剖面上呈现为与煤层原始埋藏状态不一致的反射波。具体表现为目的层反射波中断、缺失，剖面面貌凌乱同时，运用各种地震属性技术进行综合对比。在采空区下部煤层解释时，通常出现目的层同相轴“弯曲”、“下陷”等假褶曲现象，应该根据实际地质资料，并结合数据处理过程中对应地段的速度、速度谱能量情况，正确认识和解释，而不能简单地追踪强相位（见图2）。

图2 采空区下部煤层假褶曲示意图

3 应用实例

山西某煤矿是国有大型矿业集团整合若干个地方小矿而成，前期各小煤矿生产、管理极其混乱，浅部煤层破坏严重。为全面提高煤炭资源开发利用水平，改善矿井安全生产环境，进一步提高矿井生产能力和技术水平，做到合理利用和有效保护资源，该矿决定实施三维地震勘探，查明上部2#煤采空区分布情况，探明下部11#煤层的赋存及构造形态。

3.1 地质概况

该区揭露的地层由老到新有奥陶系、石炭系、二叠系、第四系，主要含煤地层为石炭西太原组（11#煤）、二叠系太原组（2#煤）。2#煤下距11#煤层间距为79.37～94.17m，平均87.87m，平均埋深100～200m。煤层厚度为0.70～2.52m，平均1.44m；位于太原组下段顶部的9、10、11号合并层，统称11#煤层，厚度为5.60～7.45m，平均6.71m，平均埋深200～300m。

3.2 三维地震勘探主要参数

观测系统类型：非纵规则束状8线8炮中间激发（40C+40C）；接收道数：80×8=640道；接收线数：8条；接收道距：10m；接收线距：40m；叠加次数：8×4=32次（纵向8次，横向4次）；地面采样间隔：40m×10m；CDP网格：10m×5m；纵向最大炮检距：395m；横向最大炮检距：210m；最大炮检距：447.35m；纵向最小炮检距：5m；横向最小炮检距：10m；最小炮检距：11.18m；炮点网度：50m×20m；检波点网度：10m×40m。

3.3 三维地震数据处理

在常规处理的基础上，结合本区的地质特征，通过对本区资料分析，为了达到“三高”的地震数据处理目的，重点加强以下几个技术环节工作：

（1）做好叠前面波、声波及随机干扰消除。

（2）做好振幅恢复及补偿处理工作。

（3）做好反褶积测试工作，在兼顾信噪比的前提下，尽最大限度提高地震资料的分辨率。

（4）特别须做好静校正工作，彻底消除炮点、检波点及其他因素等产生的静校正量的影响。

（5）由于目的层较浅，要特别做好初至、动校正切除工作。

（6）做好常规速度分析和三维叠前时间偏移速度分析工作。扎实有效建立准确的三维叠前时间偏移速度场。

（7）叠前时间偏移处理技术。叠后偏移要求输入为自激自收剖面，而多次覆盖观测系统下，只有基于地下介质为水平层状和各向同性，才可以通过水平叠加直接得到自激自收剖面。然而，地下地质形态并非总是水平层状，且本区采空区分布广泛，严重破坏了介质的各向同性，共中心点水平叠加技术在介质有倾角时不但得不到自激自收剖面，反而会由于NMO的倾角滤波作用破坏有效信号。解决此问题的办法是直接进行叠前偏移，这样既避开了地层倾角的影响，又实现了偏移归位。

本次处理过程也试验了叠前时间偏移，采用了GEOcluster系统叠前克希霍夫绕射积分法叠前时间偏移方法。处理中通过对偏移孔径、偏移角度等的测试来确定最佳偏移参数。从试验结果来看，叠前时间偏移比叠后时间偏移断点更清楚，信噪比更高，对构造的分辨率也得以提高。

3.4 地震地质成果

本次三维地震勘探共组合断层共94条，其中可靠断层35条，较可靠断层19条，落差小于5m断层40条。

（1）查明了勘探区内落差3m以上的断层。对落差3～5m的断点做出解释，并尽量给予了组合，共解释断层94条。

（2）查明了勘探区内5m以上的褶曲，并查明了区域内次级小褶曲，同时部分较小断层与褶曲共生。

（3）查明了主要可采煤层2煤、11煤层的赋存状态，编制了煤层底板等高线图。

（4）预测了2煤、11煤煤层厚度变化趋势，共解释了6个陷落柱。

（5）基本查明了测区内老窑采空区分布（见图3、图4）。

图3 时间剖面上采空区的解释

图4 2#煤层采空区分布图（填充部分为采空区）

4 结束语

采空区及其下组煤层勘探是煤矿安全生产迫切需要解决的技术难题，采用高覆盖、宽方位角、小面元、中低频检波器采集方法；数据处理过程中，做好静校正、速度分析、反褶积、常规偏移、叠前偏移等，特别注意采空区位置的低速异常；在资料解释方面，充分运用各种地震属性技术进行综合对比，重视目的层同相轴“弯曲”、“下陷”等假褶曲现象，不能简单地追踪强相位。本次三维地震勘探所解释的采空区、下组煤构造，在后续煤矿整合地质调查、开采中得了很好的验证。证明了三维地震勘探探测采空区及其下组煤层是可行的，值得在各老矿区、资源整合煤矿推广应用。

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