三维地震在淮南煤田采区勘探中的应用效果

1 概况
1.1 地质概况
工作区位于淮南煤田的西北段，构造单元隶属淮南复向斜中的次一级褶皱——陈桥背斜之北翼，为淮南复向斜次一级构造，呈一轴向NW略有起伏的宽缓向斜。区内为全隐蔽含煤地层，含煤地层属古生界石炭系、二叠系，主要含煤段为二叠系的山西组及上、下石盒子组。北部有较薄的红层沉积，地层倾角小于10°。
1.2 地震地质条件
工作区高差变化不大，海拔标高为+26m左右，但村庄分布密集，人工开挖的沟渠纵横交错。表层一般为松散沙土或沙质粘土结构，潜水面一般距地表2～4m，全区激发条件良好。区内含煤地层沉积稳定，煤层与围岩间物性差异较大，具备形成地震反射波的良好条件。但由于构造复杂，部分地段反射波连续性较差。
2 三维地震勘探方法及效果
2.1 三维地震勘探方法
在充分试验的基础上，使用SN388遥测地震数据采集系统，采用规则束状8线10炮制观测系统，端点激发，512道接收，CDP网格5m×10m，16次叠加，炮点网度20m×80m，检波点网度10m×40m，共完成三维地震测线21束，物理点10286个，物理点甲级率95.92%，工程质量良好，控制面积14.365km2，施工面积16.78km2。

图1 地震时间剖面图

野外测量工作采用全球卫星定位系统（GPS）进行，精度很高。
2.2 勘探效果
本次三维地震勘探查明了区内5m以上落差的断层56条，其中保留断层5条，修改断层10条，新发现断层41条，查清了煤层底板起伏大于5m的褶曲，8煤、5煤底板起伏形态得到了严密控制，（图1、图2），并对煤层厚度变化趋势进行了合理的预测。
本次三维地震勘探提高了对构造的控制程度，新查明落差大于5m的断层41条，这些构造的变化与存在对矿井的生产建设影响很大，根据地震资料提供的成果，矿井设计部门及时修改了采区设计，调整了采场、采面的布置。

图2 SF25、DF1断层在时间剖面上的显示

3 成果验证
本区三维地震勘探成果与原精查勘探相比，构造变动很大，在查明的56条断层中仅有5条断层与原勘探成果一致，其余均为新发现和重新修改的（图3）。目前重新设计的6个井筒已全部施工完毕，验证了8煤、5煤底板等高线图误差不超过2m，同时另有钻孔资料证实了SF25逆断层的存在（图2）。

图3 三维地震勘探前后构造对比示意图

4 结束语
运用高分辨三维地震勘探技术解决复杂地质构造问题在板集煤矿获得了很好的效果，其勘探成果为采区设计以及工作面的布置提供了主要的决策依据。同时缩短了建设周期，取得了良好的技术效果和可观的经济效益。

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、Fs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TQ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．

1 淮南煤田的地质情况和地震条件

1.1 地质条件

淮南煤田为全隐蔽含煤井田，据钻孔资料揭露，区内地层由老至新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、第四系等。含煤地层为石炭—二叠系。上石炭统太原组含薄煤层无开采价值，二叠系为主要含煤地层。

1.2 地震地质条件

区内盖层为第四系、第三系松散冲积层。主要煤层与其顶、底板相比物性差异大，故煤层与顶板、底板分界面都是良好的反射界面，可形成较强的反射波，主要可采煤层有13-1、11-2、8、4、1煤层等厚煤层，属稳定或较稳定煤层，可获得如下标准反射波。

（1）T₀波。对应于新生界底界（基岩顶界面）的反射波，新生界底界与下伏地层呈不整合接触关系。该界面上、下岩性差异大，形成一个较稳定的波阻抗界面，故定为主要标准波之一，用以控制新生界厚度变化。由于受古地貌的影响区内T₀波部分地段品质变差。

（2）T₅波。T₅波为对应于二叠系上石盒子组13-1煤层的反射波。该煤层厚且稳定，与其顶底板之间物性差异显著，波阻抗差异大，形成的反射波波形突出，能量强，波形特征明显，勘探区内都能够连续追踪，是研究上部煤系地层起伏形态及控制断裂构造的主要标准波之一。

（3）T₄波。形成于二叠系上石盒子组11-2煤层波形突出，特征明显，与T₅波间距40ms左右，能够连续追踪对比，是控制11-2煤层的标准反射波。

（4）T₃波。对应于二叠系下石盒子组8煤层的反射波，反射波波形突出，能量强，波形特征明显，能够全区连续追踪，是煤系地层的主要反射波，与T₅波间距90ms左右。

总之，淮南煤田各煤层对应的反射波发育齐全稳定，能够真实的反映煤系地层的起伏形态及构造规律的变化。各煤层反射波及其对应关系见图1，图中左边为实际生产的时间剖面，右边是利用钻孔的声波和密度测井曲线与雷克子波褶积获得的合成记录。

图1 各反射波组与煤层的对应关系

据上述分析，该煤田地震地质条件良好，各煤层反射波波形突出，能量强，信噪比高。煤层之间的波组关系稳定、清晰，分辨率高。

2 三维地震采集方法

采集参数根据不同的矿区、不同煤层埋藏深度及倾角等地质因素，通过试验确定合适的施工参数。淮南煤田三维地震勘探，一般采用束状（8线8炮、8线3炮、6线4炮等）观测系统，接收道数192道、384道、576道等，接收道距：10m、20m，叠加次数16～24次，CDP网格为10m×10m。采样率：0.5mS，采样长度：1.5s，记录格式：SEG-D。记录密度：6500BPI。

3 地质成果

3.1 煤系地层的起伏形态和次级褶曲的控制

追踪煤层反射波同相轴（图2），勾绘出各煤层的形态；如图3中煤层底板等高线的间隔可以控制到1.0～2.0m。图4煤层的三维可视化显示某煤层的鸟瞰图。在淮南煤田，三维地震能够查明主要煤层的起伏形态及波幅≥5m的褶曲，煤层底板深度误差≤1.5%。利用三维数据体，通过煤层底板等高线图、鸟瞰图等可以客观、准确地控制地下煤层起伏形态。

图2 煤层产状在时间剖面上的反映

图3 煤层底板等高线图

图4 煤层鸟瞰图

3.2 断层的控制

利用时间剖面上有效波的同相轴、波形、振幅强度、波组特征、时差等综合对比来控制煤层的构造发育。落差较大的断点表现为同相轴的明显错断和重复；落差小的断点反映为对应煤层反射波同相轴的错动、扭曲、波形异常等现象，如图5。

图5 落差3m左右断层在时间剖面上的显示

对于淮南煤田，三维地震能够查明主要煤层落差≥3m的断层，平面摆动小于15m；小于3m的断点尽可能给予组合。当主要煤层之上有13-1厚煤层时，查明8煤层落差≥5m的断层，平面摆动小于15m；小于5m的断点尽可能给予组合。

下表是淮南煤田某矿三维地震勘探断层控制一览表，三维地震勘探控制面积为0.3km ²，解释组合断层14条：落差≥5m的3条，落差0～3m的5条，落差0～2m的6条；后经巷道揭露，查明了3m以上断层，落差2～3m的断层基本相符。

中国煤矿物探研究

3.3 岩性及煤厚变化趋势的预测和研究，取得了较好的效果

根据煤层反射波振幅、相位、频谱的变化，利用钻孔揭露的煤层厚度作标定，可以对岩性及煤厚变化趋势进行预测。

图6 不同煤厚对应的反射波同相轴振幅不同

图7 煤层等厚线图

图6是煤层厚度变化与反射波振幅的对应关系标定图，图7是根据图6的对应关系，计算机自动拾取振幅参数计算出的煤层等厚线图。图7是某矿11-2煤层的厚度变化情况，从图中可以看出，11-2煤层厚度变化基本稳定，在测区中东部、东南部、西南角为厚煤带，一般厚度2.0～2.5m；西南部为一树杈形薄煤带，其煤层厚度仅为1.0～1.5m。其余为较厚煤层带，煤厚1.5～2.0m。区内无煤厚小于1.0m的不可采薄煤带。

对于淮南一些矿三维地震勘探的成果资料，从后期验证情况来看，在淮南煤田，对煤层赋存形态的控制，主要煤层的深度误差不超过1.5%；查明落差大于5m的断层，对落差3～5m的断层能够基本查明，解释落差0～3m的断层。结合钻孔资料能够圈定出煤层的厚度变化趋势和不可采范围。

三维地震勘探经过采集、处理、解释等各个环节的细致工作，提供了煤层形态、构造及煤层结构变化趋势等各项资料，为矿井更加合理布置采煤工作面提供了可靠的地质依据，取得了明显的经济效益。

（本文发表于2005年《煤田地质与勘探》增刊）