复杂黄土塬区浅埋煤层三维地震勘探技术研究

汤红伟

【摘 要】三维地震勘探技术是煤矿采区构造勘探的主要手段，在地震地质条件较好的区域取得了巨大的成功。但对于地震地质条件较差的黄土塬区、特别是在煤层埋藏深度浅的区域效果不太理想。本文在对沙梁井田三维地震试验区地震地质条件分析的基础上，分析了地震勘探的技术难点，给出了技术对策；指出了数据处理与资料解释的关键技术；得到了较准确的地质成果。实践证明，在复杂黄土塬浅埋煤层区进行三维地震勘探是可行的。

【关键词】黄土塬；浅埋；三维地震勘探

中图分类号： P631.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）19-0127-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.057

Research on 3D seismic exploration technology of shallow buried coal seam in complex loess tableland area

TANG Hong-wei

（China Coal Research Institute，Xian Branch，Xian City，Shaaxi Province，710077，China）

【Abstract】3D seismic exploration technology is the main method of structural exploration in coal mining areas，and has achieved great success in areas with good seismic and geological conditions.However，the effect is not ideal for loess tableland areas with poor seismic and geological conditions，especially for areas with shallow buried depth of coal seams. Based on the analysis of the seismic geological conditions in the 3d seismic test area of shaliang minefield，this paper analyzes the technical difficulties in seismic exploration and gives the technical countermeasures.The key technologies of data processing and data interpretation are pointed out.More accurate geological results have been obtained.Practice has proved that it is feasible to carry out 3-d seismic exploration in the shallow buried coal seam area of complex loess tableland.

【Key words】Loess tableland； Shallow burial； 3D seismic

1 概況

1.1 试验区地形地貌

庙哈孤矿区位于府谷县城西北部20km处，西北部与内蒙古自治区准格尔旗相邻。沙梁三维地震试验区是矿区的一部分，试验区地表为典型的黄土梁峁地貌，地形复杂、沟壑纵横（图1），地势东北部高，西南部低。沿北东向至南西向众多的沟梁成为自然分水岭。区内最低海拔为1080m、最高海拔为1358.1m。

1.2 试验区地质概况

1.2.1 地层

区内地形切割强烈、呈沟壑梁峁地势，山梁、缓坡大部分被第四系黄土及新近系红土覆盖，沟谷、陡坡均为基岩出露区，根据钻孔揭露、地表填图观测，区内分布的地层由老至新有：三叠系上统永坪组、侏罗系下统富县组、侏罗系中统延安组、侏罗系中统直罗组（J2z）、新近系及第四系，延安组为含煤地层。

1.2.2 煤层

主要可采煤层为22、31、42、51、52煤，煤层间距稳定至较稳定，变化范围一般在30～50m左右，局部地段变化超过50m，属稳定层间距。22煤层底板标高1082.71～1200.24m，煤层厚度0.31～5.00m，多数地段被剥蚀；31煤层底板标高1020.36～1194.46m，煤层厚度0.50～1.72m，部分地段被剥蚀；42煤层底板标高972.58～1198.41m，煤层厚度0.82～2.27m，全区分布；51煤层底板标高928.53～1165.42m，煤层厚度0.50～2.36m，全区分布；52煤层底板标高871.76～1169.06m，煤层厚度0.80～4.07m，全区分布。

2 地震地质条件分析

2.2.1 表浅层地震地质条件

试验区地表条件复杂，地表高差最高可达200多米 ，地形切割强烈、呈沟壑梁峁地貌山梁、缓坡大部分被第四系黄土覆盖、厚度较大。沿沟谷两侧阶地及山梁广为第四系黄土、褐黄色土、棕红色亚粘土覆盖，基岩局部出露，且风化程度较高。较厚的黄土层对地震波高频成分有较强的吸收衰减作用，不利于地震波的激发。

2.2.2 中深层地震地质条件

本区煤系倾角较为平缓，主要标志层间距变化小、岩性、岩相组合特征明显，沉积旋迴清晰，物性差异较大，特别是煤层与围岩顶界面都是良好的波阻抗分界面。能够形成能量强、波形特征突出、稳定的地震波；但是本区煤层埋藏深度较浅（10～380m）且变化范围大，观测系统设计困难，另外，煤层多且局部层间距小，可能会形成复合反射波，而且上组煤对下组煤有屏蔽作用。

总之，本区地震地质条件较差。但具备完成地质任务的物性条件。

3 地震勘探难点分析与技术对策

3.1 难点分析

（1）浅层地震地质条件较差

黄土塬复杂的表层条件对地震勘探造成的影响在采集方面主要有以下几点：首先黄土覆盖区缺乏良好的激发和接收条件；第二，相干干扰、次生干扰、黄土谐振干扰极其严重；第三，复杂地形影响的空炮、空道造成的反射空白段，以及激发能量在悬崖、陡坎侧面逸散，造成的不良反射段破坏了共反射点（反射面元）的属性；第四，短波长、大静校正的存在使记录在未校正前，反射同相轴的识别难度大，不利现场质量的监控。另外，厚黄土层内的虚反射界面可能产生的多次波对地震成果解释精度的影响也不容忽视。

（2）煤层埋藏深度变化大

本区煤层埋深度变化大（约10～300m）。观测系统设计困难，接收排列过长反射波容易发生畸变、且浅埋煤层有效覆盖次数降低，设计排列短会影响速度分析精度。

（3）第四系厚度变化大

本区新生界厚度变化大（局部地区基岩出露）、无潜水位，激发深度选择困难。

（4）地表高差大静校正难度大

3.2 设计技术对策

（1）针对浅层地震地质条件较差这一问题，井深因地制宜，厚黄土区深井为主；基岩埋深较浅区以浅井为主；沟底、河滩区域可考虑采用浅井组合。在规程允许的纵横向偏移的范围内，在不影响覆盖次数相对均衡的前提条件下，精选炮点位置，以提高激发效果。选择炮点的原则有三点：一是避高就低；二是“喜旧厌新”——多次利用能取得好资料的炮点；三是避开悬崖、陡坎、孤峰等不利地形，减少能量侧面逸散造成的不利影响。以保证得到较好的资料。

（2）针对煤层埋藏深度变化大的特征，选择小线距、小道距、小面元网格、高覆盖次数的观测系统，确保速度分析精度与浅埋煤层的有效覆盖次数。

（3）针对试验区无潜水位，激发深度选择困难的特点，布置200m×200m网度的低速带调查点，查清区内低速带的厚度变化趋势，确保激发层位选择在降速层中。

4 数据采集

4.1 试验工作

（1）低速带调查

在地形条件较好区域采用用小折射的方法进行低速带调查，观测时使用24道不等间距布置检波器，总长度104m。在第1道和第24道两处激发。

在地形变化剧烈区域采用微测井方法进行低速带调查，井深25m，从井底到井口每2m引爆1发雷管，检波器在距井口20cm处布设3道，远离井口布设4道，道距10m。

调查发现黄土区低速带厚度变化范围为3m～25m。

（2）井深试验

井深试验的目的是选择良好的激发层位，以获得高频率、单一稳定波形及高信噪比的目的层反射波。排列接收道数为120道、10m道距，中点激发。井深分别选择5m～25m，药量为1kg。

通过试验，认为井深不能选择确定的数字，需要保证进入红土层中激发才能获得理想的单炮记录。

（3）药量试验

选择固定井深，分别用0.5kg、1kg、1.5kg、2kg、2.5kg药量进行试验。

通过对比发现0.5kg、1kg的炸药量激发的单炮记录能量较弱，1.5kg与2kg炸药量激发的单炮记录煤层反射波组能量较强、连续且频率高，2.5kg药量激发得到的煤层反射波能量强但频率较低。综合认为在正式施工中采用1.5kg炸药量激发为宜。

4.2 测网布置

本次三维地震勘探线束布置主要考虑勘探区地表条件、构造发育、煤层埋藏深度、煤层倾角和地质任务等情况，采用12线6炮制线束状规则三维观测系统。线束方向南北向，自西向东按序编号，依次为第1束、第2束……第54束，每束与上一束重合6条接收线，每束内有测线12条，共布置线束54束。

5 数据处理主要模块与资料解释方法

（1）野外静校正

静校正是地震资料处理中的关键环节之一。由于地表高程及地表低（降）速带厚度、速度存在横向变化使得由此产生的地震波旅行时差会对信号的叠加效果产生一定的不利影响，致使反射波同相轴信噪比下降、频率降低。应用合适的静校正方法和参数，可以消除这种时差，确保叠加剖面的质量。本区通过不同静校正方法的比较，最终选用初至折射静校正方法，得出正确的炮、检点静校正值（图2、图3），确保叠加剖面的质量。

（2）干扰波消除

针对单炮记录中的线性噪音，声波和面波等干扰，采用多种方法进行去除。在时空域采用逐点多道识别、单道计算的方法来识别各种倾角的规则噪声，并采用中值滤波和预测滤波对检测到的规则噪声进行压制，而且处理结果不产生假象。这不仅不会损害有效波成分，同时也可以提高资料的信噪比。

面波衰減：通过分析面波和有效波的特征，我们发现面波的频带和有效波的频带有较大差异，面波速度在600m/s～1000m/s之间，与有效波速度有很大差异，因此可以通过区域高通滤波将其衰减，高通滤波参数为H（20，25）。

线性噪声衰减：单炮上还存在很多初至多次鸣震，它们的速度与初至波相同，位置与有效波相交叉，我们采用三维中值滤波技术将其衰减。

初至精细切除：由于本区目的层埋深较浅，初至波与反射波在大偏移距时相交，初至波的能量很强，通过线性噪声衰减不能将其完全去除，因此采用小网度的精细切除技术将初至波切除，保留有效波，提高信噪比。

剔除坏道、不正常道、尖脉冲等：通过上述噪声衰减手段，使噪声得到压制，有效波得到突出，资料的信噪比得到明显提高。

（3）综合层位标定方法的实现步骤

首先根据钻孔资料的煤层实际深度进行速度分析、t0时间与煤层深度线性拟合；之后编辑声波时差测井曲线、剔除曲线畸变，并结合单井合成记录标定层位，进行粗框架地震剖面追踪对比，检查各反射波闭合情况，然后针对钻孔分层数据不闭合的情况，调整不闭合井的合成记录。

（4）采空区解释

据了解房柱式采煤的采取率较低，煤层采空之后还存在大量煤柱，勘探后获得微弱的反射波或得不到连续的反射波，在时间剖面上表现有三种现象，其一是煤层反射波变弱，在采空区边界处反射波同相轴频率和产状发生突变，在采空区内部反射波同相轴不连续且杂乱无章；其二是与周围非采空区煤层反射波存在明显差别，而且煤层反射波之下的层位反射波同相轴增强，频率和产状突变，从整张剖面来看无采空区的地段煤层反射波较强，其下覆层位反射波很弱，而有采空区的地段煤层反射波同相轴表现微弱，其下覆层位反射波同相轴较强，形成明显反差；其三是煤层被完全采空，残余有少量煤柱，则在地震时间剖面上表现为煤层反射波缺失。本区采空区在时间剖面上表现为同相轴变弱、上弱下强（图4）。

（5）无煤带、薄煤带的解释

煤层变薄时，由于煤与围岩的波阻抗差异小，导致形成反射波的能量发生变化，在时间剖面上，反射波表现为振幅削弱、反射波连续性变差、频率增高等特征。无煤带的存在会造成时间剖面上同向轴缺失。

6 地质成果

按照40m×80m的网度对地震时间剖面进行质量评级，Ⅰ类剖面占55.49%、Ⅱ类剖面占39.56%、Ⅲ类剖面占4.95%、Ⅰ+Ⅱ剖面总和达到95.05%，满足《规范》中Ⅰ+Ⅱ剖面总和不低于80%要求。

查明了试验区主要煤层的底板标高、起伏形态。共解释59条组合断层，落差大于00m的断层3条，落差大于50m的断层1条，落差大于30m的断层3条，落差大于10的断层18条，落差大于5m的断层9条，落差小于5m的断层25条；圈定了22、31煤层的零点边界和22、31、42、51、52煤层的不可采边界；共解释采空区6处，22煤层采空区5处，52煤层采空区1处。

7 结论

（1）对应复杂浅埋煤层区域三维地震勘探来说，合理的观测系统设计与激发参数选取是取得成功的基础。

（2）合理的资料处理模块与参数选择，是获得质量较高地震数据体的关键；正确的异常识别标准建立，是获得准确地质成果的保障。

（3）复杂黄土塬区地表情况下浅埋煤层三维地震勘探是可行的。

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