张 锋

(山西煤炭运销集团明业煤矿有限公司,山西 宁武 036707)

煤矿开采前需进行前期的地质勘探,以查明区内煤层赋存情况和地质构造发育特征,这对于安全生产具有重要的指导意义[1]。目前,煤矿采掘前的常规勘探方法主要包括地质钻孔勘查、地面高精度三维地震勘查和电磁法勘查等[2]。其中,地面高精度三维地震勘探技术能够对煤层赋存情况、断层分布、陷落柱的空间位置等地质条件的空间分布具有较好的探测效果,因此,该方法是目前煤矿勘探前期工作的首选方法[3]。

1 勘探区概况

明业煤矿有限公司井田位于宁武县城以南,位于宁武县西马坊乡姚家沟、榆林沟、小峪村三个村子围定的区域之内,直距宁武县城约60 km。井田位置位于吕梁山北段芦芽山脉东麓,东倚汾河,中生代以来的长期隆起和新生代构造运动形状起伏变化较大,总体地势西高东低,沟谷发育。井田内发育有姚家沟河、榆林沟河、小沟河三条季节性河流,在井田东南部外围合为一条韩家沟河,河水流量较小。韩家沟河由西向东汇入汾河,为季节性河流,区内无常年溪流。

1.1 地质概况

明业煤矿所属井田位于宁武—静乐块坳的南段,大致位于姚家沟、榆林沟、小峪村三个村子围定的区域之内。井田受一大型单斜构造控制,地层倾角变化较大。井田内未见断层、陷落柱及岩浆岩侵入体等构造体,井田内部整体上构造相对简单。地层整体表现为走向NNE-SSW,倾向为ES。其中西北部大同组地层产状陡立,倾角40°～55°,从WN—ES,地层产状变缓到近水平,呈5°～10°。井田内出露地层主要有三叠系和侏罗系,从下至上有三叠系中统延长组,侏罗系中统大同组一、二、三段,云岗组一、二段,天池河组一、二、三段。在山坡及沟谷中有第四系上更新统及全新统黄土层分布。其中,侏罗系大同组上段地层主要为含煤地层,可采煤层为侏2#、侏3#地层,煤层累计平均厚度4.0 m。其中侏2#煤层厚度0～5.44 m,平均2.60 m；该煤层结构简单,含0～2层夹矸,夹矸为泥岩及炭质泥岩,厚度为0～0.80 m；顶板为黑色泥岩少数为细粒砂岩,厚度为1.85 m～4.12 m,平均3.50 m左右；底板为黑色泥岩及砂质泥岩。侏3#煤层厚为0.97 m～1.65 m,平均1.40 m；顶板一般为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩,厚度为2.12 m～4.50 m,平均3.12m；底板为泥岩、中细粒砂岩,厚度2.42 m～4.80 m,平均3.50 m,厚度稳定。

1.2 地球物理特征

1)浅层地震地质条件:区内地形较复杂,高差变化较大,标高在1 468～1 633 m。沟谷发育,庄稼等植被较多,主要为基岩裸露区和黄土覆盖区。地表条件恶劣,钻孔困难,激发和接收条件复杂,属表层地震地质条件较差的地区。

2)深层地震地质条件:地层主要受一单斜构造影响,但煤系地层沉积稳定,主要煤层厚度变化较小,岩性、岩相组合特征清楚,沉积旋回清晰,煤层与其围岩物性差异明显,其顶、底板均为强反射界面。煤层与其围岩物性差异明显,其顶、底板均为强反射界面，属典型的山地勘探。

2 野外勘探

2.1 野外采集施工

2.1.1采集参数试验

为更好地了解研究区的地球物理响应特征,以及选取更合适的采集参数。本次采用法国Sercel公司产428XL高分辨地震仪分别对黄土覆盖区和基岩出露区内包括炮孔深度、放炮药量等激发条件进行了采集相关参数实验。

通过现场布置的15个物理点的测试结果发现,在基岩区内激发得到的单炮频率比黄土中激发的单炮频率高。在厚黄土区6 m以上井深,1.5 kg药量激发效果较好。在基岩出露区,4 m井深,1.5 kg药量激发效果较好。因此,现场施工尽量避免在黄土区成孔,无法避免时需要穿透薄黄土层。在基岩出露区,遇到成孔困难通过适当降低井深(不低于3 m)进行。所有炮孔均采用闷井激发,以避免声波、压制面波等的干扰。

2.1.2野外采集

观测系统设计为8线8炮,满覆盖次数为20次,检波线距40 m,检波器采用3只串60 Hz检波器,10 m道距,640道(8×80),中间放炮,20次覆盖(横4次×纵5次),面元大小5 m×10 m,如图1所示。实际完成线束15束,完成炮点共计1629个。其中:甲级品934个,甲级率57.3%;乙级品672个,乙级率41.3%;废品23个,废品率1.4%;合格率98.6%。空炮3个,空炮率0.18%。

图1 8线8炮束状观测系统Fig.1 8-8 beam observation system

2.2 地震资料处理

2.2.1原始资料品质分析

在数据处理前,首先要对原始资料进行全面的分析。只有对原始资料的各种特征有了充分的认识,才能选取合理的处理手段,得到真实可靠的处理成果。主要包括静校正分析、干扰波分析、频率分析、信噪比分析、能量分析等。

通过原始资料品质分析(如图2)可知:基岩裸露区和黄土覆盖区,工区地表地质条件复杂,低降速带厚度和速度横向变化较大,受高程及地表低降速带的横向速度和厚度变化的影响,静校正问题突出;不同炮间偏移距分布差异大;资料信噪比低,干扰波严重,有效信号较弱,炮记录品质差;目的层面波和声波干扰尤其严重;地震资料能量差异大。

图2 原始炮记录(shot1374)Fig.2 Original gun records (shot 1374)

2.2.2资料处理

针对原始资料的特点,可知在后期处理中需要重点关注静校正、噪声压制和振幅补偿等工作。在做好前期准备工作后开展处理工作。

1)折射静校正。本次采集中低速带厚度和横向速度变化大,造成不同的检波点接收到的地震波至时间出现延迟,反射波时距曲线畸变严重。初至波拾取的结果显示,区内有着较稳定的折射层,可更好地开展折射静校正[4-6],折射静校正属于层状近地表模型的反演方法,相对于层析方法,满足折射静校正条件的近地表计算速度更快,稳定性更高,如图3所示。

图3 shot580折射静校正应用前(上)、后(下)单炮对比图Fig.3 Comparison of front (top) and rear (bottom) single gun before refraction static correction (shot 580)

2)振幅补偿。地震波随传播时间呈现为能量衰减的现象,这表现为浅部能量强、深部能量弱。球面扩散补偿可以补偿地震波向下传播过程中由于球面扩散而造成的能量衰减,使浅、中、深层能量均衡[7]。地表一致性振幅补偿,主要消除由于采集过程中地表条件的差异引起的振幅变化。

3)多域分步叠前噪声压制。工区地震资料信噪比低,面波、声波、线性干扰、环境噪声干扰和随机干扰等较大,目的层面波和声波干扰尤其严重,有效信号较弱,炮记录品质差[8]。通过采用分频的方法,多域压制面波、声波和异常干扰,提高资料品质。

4)地表一致性预测反褶积。黄土、农田、基岩初露等地表的特点表明,地震激发接受条件差异大,子波自相关一致较差。地表一致性预测反褶积,不但可以提高整体地震频率,而且更能有效地消除频率的不一致性。

5)地表一致性剩余静校正。本次采集资料的静校正问题比较突出,静校正的质量对于地震资料品质影响较大,前期的折射静校正很好地解决了地震资料的长波长静校正问题;而通过剩余静校正和速度分析的多轮次循环迭代,可以逐步解决中短波长静校正问题,使有效信号实现同相叠加,达到提高信噪比和改善连续性的目的[9]。

6)叠后时间偏移。地震的采集并非完全理想的自激自收模式,而是存在炮检距的采集系统。因此,需要通过偏移,将地震反射波校正至真实的反射界面,这可更加真实地表明接口地层、构造特征。

7)叠前时间偏移。叠前时间偏移相对于叠后偏移成像更精确,更适用于复杂构造区,更实用于大倾角地层,分辨率更好,可以有效解决复杂构造成像问题。

2.3 地震资料解释

在充分分析井田地质资料基础上,熟知煤矿地质规律,初步了解煤矿的地质构造特征、煤层发育特征。以现有钻井资料为出发点,进行井震联合的人工合成记录标定,确定煤层的地震波反射同相轴特征,进行煤层层位追踪。再对比水平叠加、叠后偏移、叠前偏移等多个不同参数处理剖面,依据反射波特征和地震属性特征进行断层、陷落柱等不良构造的分析。最后通过建立速度场进行时深转换,将时间域解释成果转换为地质成果,从而得到煤层构造特征和煤层厚度分布特征。

区内目的层侏2#煤层、侏3#煤层反射波波组特征明显(如图4、图5)。侏2#煤层的反射波定为T2波,属振幅强、连续性好、波形稳定的反射波,视周期20 ms～25 ms左右,频率40 Hz～50 Hz,在时间剖面上极易识别和对比追踪。由侏3#煤层形成的反射波定为T3波,在本区由于侏2#煤层的屏蔽反映较弱,但连续性尚好,全区可连续追踪对比。

图4 ZK4-1孔人工合成记录Fig.4 Synthetic record of the ZK4-1 hole

图5 ZK4-1目标煤层反射波组特征图Fig.5 Characteristic diagram of reflection wave group of the target coal seam (ZK4-1)

经反射波特征分析、地震属性分析,未见两煤层发育断层、陷落柱,仅在局部地区发育背向斜。

利用T2波和T3的能量(振幅值的平方),采用谱矩法对侏2#煤层厚度和侏3#煤层厚度进行了计算,计算过程中使用钻孔煤层厚度值做了必要的约束,从而可得到煤层厚度分布情况。

2.4 地质成果

经过井震标定、层位追踪、构造分析、时深转换、煤厚分析等资料解释,得到了最终的侏2#、侏3#煤层的地质成果。

勘探区煤层形态变化规律明显(如图6),整体为一单斜构造,但是煤层倾角变化较大,从东南向西北方向煤层倾角迅速变大,从5°增大至35°以上。区内没有发现断层、陷落柱和采空区,也未见煤层风氧化带、冲刷构造带等地质异常,仅发育褶曲构造。次级褶曲构造多垂直或近垂直向斜构造,主要以背向斜的形式出现,全区共解释褶曲3个,其中背斜1个,向斜2个。

图6 侏2#煤层底板等高线图Fig.6 Floor contour map of Jurassic formation No.2 coal seam

图7显示侏2#煤层在整个区内都有发育,但是厚度变化较大,从东北区域的5 m多向西南方向逐渐减小为1 m左右;图8表明侏3#煤层全区厚度变化不大,平均厚度1.4 m左右。

图7 侏2#煤层厚度变化趋势图Fig.7 Trend of coal seam thickness of Jurassic formation No.2 coal seam

图8 侏3#煤层厚度变化趋势图Fig.8 Trend of coal seam thickness of Jurassic formation No.3 coal seam

3 结论

在山西明业煤矿开展的三维地震勘探技术应用,通过现场试验得到了采集参数,完成了现场采集工作。后期的静校正、噪音压制、振幅补偿等相关处理工作得到了高品质地震资料。利用该处理成果进行的解释分析揭露了煤层由东南向西北倾斜发育,倾角变化较大为5°～35°;2#煤厚变化也较大,为1 m～5 m;3#相对稳定,在1.4 m左右。此外还确定了区内无明显断层、陷落柱、采空区等地质异常,仅发育褶曲。

分析矿区内14个钻孔资料,可见区内无明显断层等异常地质构造;2#煤层厚度平均值约为3.07 m,其中ZK1-2孔2#煤层最薄,为0.58 m,ZK6-1孔2#煤层最厚,为5.34 m;3#煤层厚度相对稳定,其中ZK8-1孔3#煤层最薄,为0.97 m,ZK1-2孔3#煤层最厚,为1.65 m,煤层基本呈由东南向西北倾斜状,与三维地震解释成果一致性较好。

三维地震勘探技术在明业煤矿取得了较好的应用结果,为下一步煤矿安全生产提供地质技术指导,具有较高的应用意义。