三维地震勘探综合解释技术在探测3煤层中的应用

刘兴金，宋嗣麒，张运国

(1.山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104；2.山东能源枣庄矿业集团有限责任公司七五煤矿，山东 枣庄 277100)

0 引言

七五煤矿原隶属于山东省监狱局，于1973年6月建井，2016年7月1日整体划转枣庄矿业(集团)有限责任公司，矿井设计生产能力90万t/a。北七采区深部位于井田东部边界附近，以往勘查程度较低，区内已施工钻孔揭露3上、3下煤层不同程度存在冲刷、沉缺、采空和岩浆岩侵入等地质现象，其对煤矿高效、安全生产影响极大，因此准确查明区内3煤层赋存状况是煤炭生产迫切需要解决的关键问题之一[1-8]。

该次三维地震勘探通过采用常规地震时间剖面与地震属性相结合的综合解释技术，查明了区内3煤层冲刷、沉缺、采空区和岩浆岩侵入等地质现象的位置和范围，经后期巷道实际揭露，煤层冲刷带位置、采空区范围与地震资料解释成果吻合度较高[9-19]，达到了三维地震勘探效果，为矿方解决了煤矿开采地质问题①山东省煤田地质局物探测量队，山东能源枣庄矿业(集团)有限责任公司七五煤矿北七采区深部三维地震勘探报告，2018年。。

1 地质概况

井田处于滕县煤田南部，井田范围东以李桥断层为界，西至欢城、纸坊断层；北与田陈、欢城煤矿相邻，南至微山县城，井田面积约46km2，行政区划隶属于欢城镇。区内地层由老到新为奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系及第四系。主要含煤地层为太原组及山西组，其中位于山西组3上、3下煤层厚度大，层位稳定，两者间距在30～35m之间，为该井田的主要可采煤层，也是地层对比的重要标志层；位于太原组中下部的12下、16煤层，由于受岩浆岩侵入的影响，对煤层破坏严重，在区内大部分煤层变为天然焦。

2 常规地震时间剖面解释

2.1 正常3煤层对应的反射波特征

受煤层冲刷、沉缺、岩浆岩侵入影响，区内3煤层厚度变化较大，3上煤层厚度0.67～3.77m，3下煤层厚度0.52～2.84m，3上煤层的厚度大于3下煤层。

T3波是解释构造及3煤层赋存状态的主要依据，当3上煤层与3下煤层保存完好的情况下，T3波有2个正相位和2个负相位组成，分别代表3上煤与3下煤形成的反射波(图1)，因3上煤层较3下煤层厚，且位于上部，T3上波能量强、同相轴连续性好，受3上煤层屏蔽及3下煤层薄的原因，T3下波能量较T3上波弱，但连续性较好。通过分析掌握3煤层与反射波对应关系，可以充分利用地震资料横向高分辨特性，结合钻探资料，查明3煤层在区内赋存情况。

1—3上煤层反射波 2—3下煤层反射波图1 研究区正常3煤层反射波特征

2.2 煤层冲刷解释

根据煤层地震波形成机理中煤层振幅的调谐现象可知[6]，厚度小于10m的煤层其厚度与地震振幅成正比，根据这一理论可以对煤层冲刷带和采空区进行解释[10]。

区内X0-18钻孔揭露3上煤层变薄，厚度为0.72m，3下煤层保存完好，厚度为1.75m，3上煤层反射波同相轴变弱和消失，T3下波及其下部能量开始增强，符合3上煤层冲刷变薄的特征；在研究区中北部局部地区，3上煤层冲刷变薄，T3上波能量变弱，3上煤层对3下煤层屏蔽作用减弱，但是3下煤层反射波能量依然较弱甚至消失，通过结合钻探资料确定3下煤层在该区域被冲刷(图2)。

1—煤层冲刷区图2 3煤层冲刷在时间剖面上的反映

2.3 煤层沉缺解释

煤层沉缺带(俗称无煤带)是因构造原因形成的煤层变薄或缺失以致不可采的地带或条带。区内X2-14钻孔揭露3下煤层沉积缺失,对应的T3下波消失(图3),T3下波位置出现空白带，由于3下煤层的缺失，3下煤层下部相位能量变强，根据上述时间剖面的特征解释了3下煤层在该范围沉缺。

1—煤层沉缺区图3 研究区3下煤层沉缺在时间剖面上的反映

2.4 煤层采空区解释

在三维地震勘探前，位于研究区西南角边界的705工作面对3上煤层进行了开采，地震时间剖面上反映该处3上煤层反射波消失，由于3上煤层采空，上覆地层变得疏松，密度降低[1]，传播于其中的地震波的能量、速度、频率均发生不同程度的变化，造成3下煤层对应位置反射波不连续、波形异常、零乱、能量弱等特征(图4)。

1—采空区图4 采空区在时间剖面上的反映

2.5 岩浆岩侵入解释

井田内岩浆活动比较强烈，主要沿近SN和EW向断裂，以岩株或岩墙形式上升侵入各煤层，侵入方式多以熔蚀为主，次为贯入和尖劈，岩浆沿断层上升的同时，并向断层的东西两盘侵入到深部地层中，贯入规模较大的热能岩浆体，同时又沿着含煤地层以下的岩层节理、裂隙和井田内发育的其他断层，上冲至含煤地层，并以熔蚀为主的侵入方式“挤开”煤层顶底板后侵入煤层或直接顺厚煤层侵入，对煤层造成破坏[2，9]。

根据该区钻孔3煤层岩浆岩侵入情况结合地震资料，时间剖面上显示的反射波组发生了明显变化(图5)，其特征主要有以下2个方面：

(1)煤、焦、岩浆岩混合带：波形特征发生明显变化，反射波的能量减弱，振幅降低，原有连续性好的反射波同相轴特征遭到破坏，取而代之的为短轴状、不连续的同相轴(蠕虫状显示)，时间剖面的品质降低[18]。

(2)岩浆岩吞蚀区：反射波同相轴能量变得很弱、甚至消失，说明煤层被岩浆岩破环最严重[14]。

1—岩浆岩吞蚀区；2—煤、焦、岩浆岩混合带图5 岩浆岩侵入3煤层在时间剖面上的反映

3 地震属性解释

地震属性指的是那些由叠前或叠后地震数据，经过数学变换而得出的有关地震波的几何学、运动学、动力学或统计学特征[3]，常用的几种地震属性有振幅、波形、频率、相位和方差等[4]。3煤层与围岩物性差异较大，可以形成能量较强的反射波，反射波振幅强弱直接反映了煤层的厚度变化趋势。均方根振幅是将振幅平方的平均值再开平方，由于振幅值在平均前平方了，因此，它对3煤层特别大的振幅非常敏感；最大振幅是分析时窗内的最大正、负振幅，最适合绘制层序内或沿着特定的反射体上的振幅异常图，能够间接地反映出3煤层厚度细微变化。通过提取各种属性参数反复对比，提取了3煤层层位同相轴振幅属性，时窗长度为3煤层反射波同相轴上下各5ms，可以较好地反映出3煤层变化情况。

从图6、图7可以看出，3煤层厚度在区内变化趋势明显，其中红色区域3煤层反射波振幅较强，反映了3煤层保存完好、煤层厚度正常、煤层较厚；黄色区域煤层厚度较红色区域薄；蓝色区域反射波振幅较弱，对应3煤层较薄，厚度大多小于最小可采厚度0.7m，结合钻探资料，可以圈定3煤层冲刷、沉缺、采空、岩浆岩侵入边界，也可以半定量地解释3煤层厚度变化趋势。

1—煤层冲刷区；2—煤层采空区；3—岩浆岩吞蚀区；4—三维勘探区边界；a—最大振幅；b—均方根振幅图6 研究区3上煤层反射波最大振幅、均方根振幅属性显示

1—煤层冲刷区；2—煤层沉缺区；3—岩浆岩吞蚀区；4—三维勘探区边界；c—最大振幅；d—均方根振幅图7 研究区3下煤层反射波最大振幅、均方根振幅属性显示

4 综合解释方法

该次三维地震综合解释主要采用常规地震时间剖面与地震属性2种方法综合对比解释。常规地震时间剖面根据3煤层反射波能量、波形与频谱等特征变化；地震属性解释主要提取了该区对煤层厚度反映较明显的最大振幅和均方根属性，结合钻探资料，2种解释方法成果互相对比、验证，最终确定各地质现象的分布范围，利用上述2种解释方法，进一步提高了3煤层解释的精度。

5 应用效果分析

根据提交的北七采区深部三维地震勘探成果报告，七五煤矿对前期开拓的715和北七巷道进行了调整，在巷道开拓过程中揭露的煤层底板标高、断层位置及落差、煤层冲刷带位置、采空区范围与地震资料解释成果吻合度较高。

5.1 3上煤层冲刷带验证情况

七五煤矿北七运输和轨道下山巷道在开拓过程中均揭露了三维地震解释的煤层冲刷带(图8—图10)，其揭露位置于地震解释位置相差在20m之内，精度高于三维地震勘探要求技术指标。

1—粉砂岩；2—粉砂质泥岩；3—3上煤层；4—正断层；5—断层落差与倾角图8 研究区北七巷道揭露3上煤层冲刷与三维地震解释成果对比图

1—粉砂岩；2—粉砂质泥岩；3—3上煤层；4—正断层；5—断层落差与倾角图9 研究区3上煤北七运输下山地质素描图

1—粉砂岩；2—粉砂质泥岩；3—3上煤层；4—正断层；5—断层落差与倾角图10 研究区3上煤北七轨道下山地质素描图

5.2 3上煤层采空区

在三维地震勘探前，位于研究区西南角边界的705工作面对3上煤层进行了开采，根据地震资料解释的3上煤层采空区范围与后期搜集到705工作面资料对比(图11)，地震解释范围与实际范围基本一致。

1—三维地震解释采空区边界；2—三维勘探区边界；3—见煤钻孔图11 三维地震资料解释3上煤层采空区与实际资料对比

6 结论

在地震地质条件复杂地区，由于多种因素影响，地震资料解释势必存在多解性，常规地震时间剖面解释，仍然停留在强烈地依赖解释人员经验的阶段，不同的解释人员会有多种解释方案，仅靠少量的钻孔及常规时间剖面解释难以准确控制煤层变化情况。地震属性技术是通过计算机提取地震数据中的属性信息，这些信息有助于解释人员对地质现象的正确认识，但是地震属性与所预测的对象之间关系很复杂，当地质构造比较复杂时，选择合适的地震属性很困难，提取地震属性间也不完全独立，有些属性包含的信息是相近的，需要从中选出恰当的属性。

通过采用常规地震时间剖面和结合地震属性综合解释技术，可以增加对复杂地区地震资料的认识程度，提高资料解释准确度及精度，其中地震属性技术也是实现地震资料向定量—半定量发展的关键技术，可以精确地解释构造和煤层的赋存状况。