高密度三维地震在超浅层煤田勘探中的应用

徐晓培

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

0 引言

地震反射波法在多次覆盖技术提出后被广泛的应用到能源勘探领域，用来反映地下地质构造和地层展布情况。反射波法能够很好的获取深部地层的反射信息，煤田常采用三维地震反射技术布置综采工作面、巷道的开拓方向、识别陷落柱、断层等构造。然而针对复杂地表条件、高干扰的超浅层露天煤田反射波地震勘探仍存在一些主要问题，主要表现在以下六个方面：

①煤矿生产、施工干扰大，资料信噪比低；

②露天煤矿生产强度高，协调难度大，施工环境复杂；

③施工难度大，需要结合现场条件，随时调整三维地震测线施测方案。

④地形高差相对于煤层埋深的比值较大，静校正问题突出；

⑤浅埋深引起煤层反射波的有效接收窗口窄，有效覆盖次数低；

⑥地表出露为黄土层，由于黄土层对地震波强烈的吸收衰减作用，激发信号的高频成分衰减过快，对地震波的激发、接收将带来很大的困难。

相比获取深层的地震反射波，获取超浅层地层的地震反射波信息更难。更不要说利用地震反射波识别采空区，预测煤层变薄区等地质现象，然而三维地震勘探是目前识别小断层、采空区、预测煤层厚度变薄较为有利的地面预测手段。为解决上述问题，拟采用小道距、高密度三维地震技术，为露天煤矿安全开采提供物探资料依据。

1 研究区概况

研究区为一露天煤矿，位于山西省宁武煤矿北端，区内属于山西黄土高原朔平台地，为典型的低山丘陵地带，区内多为黄土覆盖，研究区地表目前均已剥离改变，呈台阶状(图1)。高程为1 190～1 380m，东北角最低为1 190m，南部较高为1 380m，相对高差190m。部分区域为矿坑主干道，行车较密集。区内主采煤层埋藏深度变化大且浅，4号煤层底板埋深0～150m，平均70m；9号煤层40～210m，平均110m(图2)。

图1 研究区地表卫星图Figure 1 Study area surface satellite image

图2 研究区内主采煤层柱状图Figure 2 Study area main mineable coal seam columns

2 关键性技术

2.1 采集关键技术

2.1.1 震源选择

用于研究区内超浅层露天煤矿地震勘探小排列多道单支检波器接收的反射波法，对激发震源要求输出窄脉冲、宽频带、高频成分好，此外，还要求激发震源能够适应复杂作业、体积小、易搬运、激发能量合适。

①炸药震源。炸药震源是目前能源勘探行业最常用的震源，在浅层勘探中尽量采用小药量激发，或者选择适当的激发层位，以保证接收到浅层高信噪比反射波，相对比较适合浅层勘探，但由于研究区内煤矿还在施工生产，炸药激发安全性较差，不适合此次勘探。

②电火花震源。电火花震源激发的地震资料相位是最接近炸药震源的，接收资料有效频带宽，高频成分丰富。但是，其要获得较高的激发能量，需要较大的激发电流，这就必须配备大功率发电机。此外设备体积较大，在这种地形较为复杂的地表施工，挪动设备耗时耗力，影响施工周期，不宜采用。

③重锤震源。重锤震源的优点是安全、轻便、廉价，缺点是单次激发能量，但通过多次激发，提高叠加次数，从而达到提高激发能量的目的，相对比较适合此次地震勘探。

2.1.2 观测系统选择

研究区内主采煤层埋深特别浅，有的地方出露地表，加之地表干扰源较多，常规的三维地震面元太大，对浅部地层空间采样不足，在有效的接收偏移距范围内针对浅层的有效覆盖次数较少，为了提高面元内浅部信息的有效覆盖次数，采用高密度、小道距、小线距、单道接收的6～11线9炮正交型观测系：

CDP网格，6m(横)×3m(纵)；

接收道数，384(64×6)；

接收线数，6～11条；

接收线距，36m；

道距，6m；

炮线距，24m；

炮点距，12m；

横向最大炮检距，144～204m；

横向最小炮检距，0m；

纵向最大炮检距，189m；

纵向最小炮检距，3m；

最 小 炮 检 距，3m；

最 大 炮 检 距，200m以上；

排列片滚动距离，108m；

横纵比，0.47；

叠加次数，大于40次。

2.2 处理关键技术

2.2.1 静校正处理

静校正问题是困扰复杂山地资料成像的主要问题，静校正问题不能很好解决，高保真、高分辨处理就无从谈起。研究区内地形受煤矿开采活动影响，呈剥离台阶状，高程1 245～1 350m，相对高差105m。地表高差变化相对煤层埋深比值较大，地表覆盖有第四系的黄土，静校正问题突出。综合考虑研究区内的激发、接收密集程度、静校正问题的表现特征，采用层析静校正解决长波长问题，利用折射、反射剩余静校正解决中、短波长静校正问题[1]，消除了地表高程变化及第四系低、降速带引起的静校正问题，煤层反射波连续性增强，线性干扰波线性效果变好，为后续地震资料去噪、速度分析、偏移成像等工作奠定了基础(图3)。

图3 静校正单炮效果图Figure 3 Statics single shot result

2.2.2 组合去噪

在研究区内噪音类型多，主要发育声波、面波、多次折射、50Hz、机械振动、异常大值等多种干扰，叠前去噪的原则是针对不同类型的噪声，采用不同的方法进行分类去除，在剔除和衰减噪声的同时，尽量多保留有效反射信号，尽可能的不损伤或者减小损伤有效波，遵循“循序渐进、分类压制”原则，逐步提高信噪比。处理时需进行去噪方法优选，有针对性的选择去噪模块。针对50Hz工业干扰，采用单频干扰衰减技术压制；针对线性干扰，分析线性干扰的倾角、频率范围，采用t-x域减去法去噪，该技术在去除线性噪声同时对有效波改造相对较小；针对大值、声波等异常振幅压制处理，采用分频异常振幅衰减压制技术，能够起到很好的压制作用；针对较强的背景随机干扰噪音，采用自适应高频衰减技术，分频、多次压制，有效衰减随机噪音。通过组合去噪，提高资料的信噪比，为后续振幅补偿、反褶积、速度分析等处理环节提供较好的资料依据(图4)。

图4 组合去噪单炮记录Figure 4 Combined denoising single shot record

2.2.3 振幅补偿

振幅的相对关系一定程度上反映了地层岩石的变化，在资料处理过程中，有效的恢复地震振幅是后期煤层厚度变化预测的重中之重。目前主要的振幅补偿方法有：球面扩散补偿、地表一致性振幅补偿。为了恢复单炮记录内的振幅关系，采取了球面扩散补偿技术。球面扩散补偿具体表现为地层速度的补偿，由于区内目的煤层埋深较浅，浅表层的覆盖黄土有厚度变化，浅层速度梯度变化较大，采用折射反演浅层速度作为浅部煤层的球面扩散补偿速度，并利用Dix公式将其转换到时间域，以此速度作为地震的补偿速度，很好的补偿了由于地震波传播距离造成的振幅衰减。此外通过地表一致性振幅补偿，消除研究区内炮集间的能量差异，使得地震资料达到了保真、保幅的目的(图5)。

2.2.4 反褶积

目前用于岩性解释的高分辨地震资料处理方法中，主要利用叠前反褶积来压缩子波、提高资料的分辨率，常用的方法有两种：地表一致性预测反褶积、地表一致性子波反褶积。在选择反褶积参数过程中，主要参考资料的信噪比，在不降低信噪比的同时，尽可能的拓宽频带，提高资料的分辨率。预测反褶积主要用在多次波发育的地方，用来压制反射多次波和鸣震，油田资料处理中用的较多，常常会压制掉一些信息。此次研究区内反射多次波不发育，为了更好的保存浅层的有效波信息，采用了地表一致性子波反褶积，在最大程度保真的同时，拓宽有效频带、提高了浅层的分辨率(图6)。

2.2.5 面元均化

研究区勘探采用小排列高密度采集方法，炮点密度大，覆盖次数高，由于野外采集施工条件复杂多变，部分地方存在采集变观。导致炮点分布不均，致使覆盖次数分布不均匀，造成叠加剖面在覆盖次数低的地方振幅能量较弱，易产生资料解释假象。针对这种情况，采用CMP面元均化技术，其根据地下构造发育程度、覆盖次数分布特点、动校正拉伸情况、干扰波发育规律等因素对三维CMP面元进行调整和分配，采用“就近原则”，从相邻的面元中借道弥补观测系统变化造成的覆盖次数不均问题，消除覆盖次数不均造成的构造假象(图7)。

3 应用效果分析

图8为解释的两条小断层DF01、DF02，其中断层DF01已经被后期采掘巷道验证；图9是解释的4#煤层采空区，已被相邻矿区已知的采掘资料加以验证，其在地震剖面上表现为煤层反射波频率降低、同相轴下凹、地震波走时延长；图10解释的是9#煤层结构变化异常区，地震剖面上变现为煤层反射波振幅变弱，后经矿方钻孔资料验证为9#煤层变薄区。通过图8—图10可以算出，小断层、采空区、煤层结构变化异常区等地质异常体在地震属性平面上都与地震剖面解释具有明显的对应关系，说明利用地震属性可以有效圈定地质异常体的大致边界范围，为露天煤矿采掘安全提供了良好的指导依据。

(a)振幅补偿前排列 (b)振幅补偿后排列图5 振幅补偿前后单炮记录Figure 5 Single shot records before and after amplitude compensation

(a)反褶积前的频谱 (b)反褶积后频谱图6 反褶积单炮记录和频谱Figure 6 Deconvolution single shot record and frequency spectrum

图7 CMP面元均化前(上)后(下)叠加剖面Figure 7 Stacked sections before (upper) and after (lower) CMP surface elements homogenization

图8 研究区断层DF01、DF02在地震剖面与瞬时相位属性切片上的显示特征Figure 8 Study area faults DF01 and DF02 displayed features on seismic section and instantaneous phase attribute slice

图9 研究区4#煤层采空区在地震剖面与波形聚类属性平面图的显示特征Figure 9 Study area coal No.4 gob area displayed features on seismic section and wiggle clustering attribute plan

图10 研究区9#煤层煤层结构变化异常区在地震剖面与波形聚类属性平面图的显示特征Figure 10 Study area coal No.9 coal seam structural variation abnormal place displayed features on seismic section and wiggle clustering attribute plan

4 结论

(1)反射波法应用于超浅层煤田勘探，关键是选择合适的激发、接收参数，确保接收到有效反射。

(2)针对浅埋深、高差大的野外数据，做好静校正是保证地层准确成像的基础，是开展后续去噪、子波统计、速度分析等工作的良好开始。

(3)超浅埋深、高干扰的煤田地震资料，合理的压制噪音是提高信噪比、保真度的关键手段，组合去噪既不能去噪过量，又要很大程度上去除掉噪音，是保证准确成像的关键。

(4)高保真、高分辨处理有利于提高浅层成像分辨率，准确清晰识别小断层断点等构造边界，为预测采空、识别煤层变薄区提供相对保真的振幅依据。

(5)面元均化有利于消除覆盖次数不均问题，减少因采集变观造成的构造假象，提高浅层成像效果，减少采空区、煤层变薄带预测误差。