淮南矿区高精度三维地震勘探技术应用

刘 俊，赵 伟，韩必武

淮南矿区高精度三维地震勘探技术应用

刘 俊，赵 伟，韩必武

(淮南矿业集团，安徽 淮南 232001)

淮南矿业集团于2007年首次将全数字高密度三维地震勘探技术引入煤炭领域，并成功推广应用；由于常规三维地震区块受采动塌陷影响，不具备再次施工高密度三维地震的条件，2012年开始，淮南矿业集团对常规三维地震区块的原始采集数据进行二次精细处理、解释。高密度三维地震勘探和三维地震资料二次处理解释都有效提高了地震资料的信噪比和横向、纵向分辨率，达到了高精度三维地震探测的目的。通过煤矿大量揭露资料对比分析：高密度全数字三维地震勘探技术对于识别小断层、查找陷落柱、刻画灰岩地层裂隙等方面效果显著；常规三维地震资料进行二次精细处理、解释能明显改善下部煤层的成像效果。高精度三维地震勘探技术具有广阔的推广应用前景。

高密度三维地震；高精度；精细处理；断层；陷落柱

1993年淮南矿业集团率先在谢桥矿开展了常规煤矿采区三维地震勘探技术研究[1]。随着煤矿开采逐渐向深部延伸，常规三维地震勘探成果的解释精度已无法满足煤矿设计和安全生产的要求。为提高三维地震勘探的解释精度，2007年，淮南矿业集团与中石油东方物探公司合作，在煤炭系统首次引进全数字高密度三维地震，并取得成功应用[2]。经过不断探索验证，全数字高密度三维地震勘探在淮南矿区已成为一项成熟的勘探技术，在淮南矿区得到推广应用。

淮南矿区主采煤层从上向下分为C组(13-1、11-2煤层)、B组(8、6、4煤层)、A组(3、1煤层)。2007年以前，常规煤矿采区三维地震勘探块段，由于受当时处理解释技术及软硬件条件等局限，勘探目的层主要是浅部C组的13-1、11-2煤层，而对下部的B、A组煤层构造及A组煤层底板灰岩中岩溶陷落柱的发育情况多数都未进行解释；后来受C组煤层采动塌陷影响，这些块段不具备再次施工全数字高密度三维地震勘探的条件。针对这些问题，2012年开始，淮南矿业集团与相关科研、勘探单位合作，在原三维地震勘探成果的基础上，结合生产揭露和补勘地质资料，对常规三维地震原始采集数据进行了二次精细处理、解释；重新处理后，地震资料的保真度、分辨率和信噪比都有一定提高[3]，尤其是下部A组煤及灰岩成像效果得到明显改善。

经过20多年的应用和实践，淮南矿区已由早期的常规煤矿采区三维地震技术发展到现在的高精度三维地震技术，即全数字高密度三维地震技术以及能够显著提高资料信噪比和分辨率的常规三维地震资料二次处理解释技术。基于笔者多年来在相关领域的经验积累，系统总结淮南矿区三维地震技术，选取代表性成果，展示淮南矿区三维地震的进展，给同行提供参考

1 全数字高密度三维地震勘探关键技术

1.1 地震采集技术

全数字高密度三维地震采集技术核心是通过高空间采样率、数字检波器接收，提高地震资料品质[4-5]。通过加密空间采样，采用面元5 m×5 m、采样率1 ms、高覆盖次数、宽方位的观测系统[6]，提高了三维地震资料的信噪比和分辨率，为资料处理和解释打下良好的基础。

同时，相较于早期常规三维地震勘探使用的模拟检波器而言，采用数字检波器接收，能提高高频弱信号的接收能力，有效改善常规模拟检波器的低频压制和畸变，还能够有效避免电磁干扰[7]。表1给出了常规三维地震和全数字高密度三维地震采集参数的对比。

1.2 地震数据处理

全数字高密度三维地震勘探数据处理的关键技术，主要是以“三高”为前提的叠前时间偏移[8]和叠前深度偏移处理技术，从而大大提高了构造成像精度。

随着三维地震勘探技术的发展，地震数据处理技术已从早期的叠后偏移向叠前偏移发展。叠前时间偏移是基于绕射叠加成像原理，直接在时间域进行偏移处理，然后再做叠加，以实现真正的共反射点叠加[9-10]。叠前偏移数据处理过程中保证了分辨率和振幅，在CRP道集上进行速度分析，该方法具有较好的构造成像效果和保幅性，能够解决叠后时间偏移存在的不足，是解决煤田高陡地质构造、小断层、断点、陷落柱等复杂构造成像问题的一种有效手段[11]。

表1 常规三维和高密度三维采集参数对比

1.3 地震数据解释

随着计算机技术的飞速发展，地震数据属性解释技术也不断丰富，充分利用井巷工程以及钻井资料进行层位标定，通过正演模型，利用叠前时间偏移数据体提取方差、相干、曲率、蚂蚁体、谱分解、纹理等多种属性体，结合三维可视化技术，多属性对比分析[12]，识别小断层、陷落柱、火成岩等地质现象，提高了地震数据体的解释精度。

2 三维地震二次精细处理解释技术

由于早期常规三维地震勘探目的层主要是C组煤层，受当时技术条件限制，下伏煤层A组煤、B组煤的成像效果普遍较差，而且解释成果多在叠后时间偏移数据体上完成。随着三维地震数据处理、解释技术的发展，2012年，淮南矿区开始逐步对早期常规三维地震采集数据进行二次精细处理解释，通过生产揭露和补勘资料，建立准确可靠的速度场，利用三维连片处理、高精度迭代精度校正、叠前噪声分析与压制、振幅处理等技术[13]，最大程度地提高了地震数据的信噪比(图1)。

在二次精细处理叠前偏移数据体的基础上进行精细解释，深部地层分辨率和信噪比均有较大提高，加上地震解释人员的经验积累，因此，大大提高了断层的解释精度，常规地震无法解释的地震异常也能够得到重新认识，同时也发现了新的地质异常，满足了煤矿安全生产的地质保障需求。

图1 二次精细处理解释前后对比

例如顾北矿北一6-2采区通过三维地震资料二次处理解释新发现2个疑似陷落柱、2个地堑式断层复杂带，并圈定了8煤冲刷带范围；朱集东矿东一、西一采区二次处理解释否定了原解释的2个地震异常体，并圈定了火成岩侵入范围。后期验证结果表明：三维地震二次处理与精细解释效果与采掘情况基本相符，其地质解释精度明显提高。

3 实际应用效果

3.1 小断层识别

全数字高密度三维地震采集和处理得到的数据，目的层主频为60~80 Hz，主要煤层信噪比高，通过三维地震时间剖面、结合地震属性分析技术，非常有利于进行小断层的识别和解释(图2)[14]。同时，下伏11-2煤层反射波同相轴信噪比得到提高，连续性较好，断点清晰，上覆、下伏煤层互动解释，也进一步控制了断层的产状。

通过张集、谢桥等矿33个常规三维地震区块内156个综采工作面的实见验证，上部13-1煤层中落差5 m以上断层解释的准确率达到66.7%，对于落差3~5 m的断层解释的准确率达到51.7%；11-2煤层中3~5 m断层解释的准确率为34.21%；8煤及以下煤层，实际验证效果较差。

2007年，开展全数字高密度三维地震勘探以后，已施工20个区块，通过采掘揭露资料分析，13-1、11-2落差2 m以上断层验证准确率达85.7%[15]。高密度全数字三维地震勘探技术大大提高了小断层的解释精度。

图2 高精度三维地震剖面

2013年10月张集矿西二1煤1号探放水斜巷三灰顺层1号孔在钻探过程中异常出水，最大出水量120 m3/h。根据水质化验及水文观测孔资料分析，水源为奥陶系灰岩水，初步推测在灰岩层位中发育有隐伏陷落柱。该区块三维地震资料为2007年采集的常规三维地震，1煤层较厚，对下伏太原组及奥陶系灰岩信号屏蔽严重，地震波组反射较差、能量弱、连续性差，无法对出水钻孔进行地震资料分析。因此，2014年2月对该区块重新进行了面元2.5 m ×5.0 m、最大覆盖次数136次的高密度三维地震勘探工程。

图3 出水点处高精度三维地震连井时间剖面

3.2 陷落柱识别

2002年以来，通过地面三维地震勘探发现具有陷落柱特征的地质异常体(疑似陷落柱)共30个，经钻探验证和采掘揭露证实为7个、排除11个、待验证的12个。

通过采掘揭露和钻探发现：淮南矿区岩溶陷落柱多为直立型，平面形状多为椭圆形，剖面上小下大，其顶界最高发育到第四系，基底多发育于寒武纪灰岩地层内，岩心破碎，裂隙发育；三维地震时间剖面显示的陷落柱为直立型，上小下大，1煤层标准反射波同相轴弯曲下凹至中断，太灰、奥灰层位反射波同相轴杂乱、不连续；在煤层方差体、相干体等属性切片上显示为椭圆形异常，三维地震显示的陷落柱形态特征明显[16]。图4为谢桥矿5号陷落柱三维地震时间剖面、方差体属性切片，地震解释资料与补勘情况完全吻合。

图4 谢桥矿5号陷落柱地震、地质剖面

3.3 A组煤及灰岩层位解释

淮南矿区A组煤层属优质资源，但是A组煤层埋藏深，且受底板灰岩水害威胁严重，因此，A组煤层及底板灰岩中构造控制尤为重要。但是，早期三维地震对A组煤解释很少，对灰岩更是未解释。2007年全数字高密度三维地震试验成功之后开始对A组煤层及底板灰岩进行重点解释，并针对A组煤、灰岩层位及构造控制从设计、采集、处理等方面进行了不断优化，利用地面钻孔资料进行地震层位标定，发现在C33下灰岩顶界面、奥陶系灰岩顶界面有较为连续的反射波。图5为潘二矿针对A组煤及灰岩施工的全数字高密度三维地震块段的典型时间剖面。

图5 潘二矿高密度三维地震时间剖面

近几年，通过对A组煤层开采资料总结，全数字高密度三维地震勘探对A组煤层3~5 m断层控制精度较好，验证准确率达71.3%，对灰岩层位中落差8 m以上断层控制较可靠，最重要的是能够发现切割A组煤层至灰岩层位的断层[17]，对A组煤工作面设计、灰岩水害治理提供了可靠的地质依据。

3.4 裂隙带预测

随着三维地震多属性分析技术的发展，将油田领域三维地震油藏预测技术更多地应用到煤矿采区三维地震勘探上，在预裂隙带方面效果明显[18]。

谢桥煤矿–610 m东二A组轨道石门设计从6煤层底板施工石门穿层至1煤层，巷道靠近西侧2号陷落柱(陷落顶界为8煤层)，最小平距140 m，拨门前施工了6个水文地质探查孔，其中布置巷道西侧的两个钻孔出水。1号出水点层位在4煤底板55 m、1煤顶板35 m处，岩性砂岩，最大出水量60 m3/h；2号出水点层位在4煤底板35 m、1煤顶板55 m处，岩性砂岩，水量1 m3/h。水质化验分析为灰岩水；另外4个钻孔沿巷道及巷道东侧布置，终孔4煤底板，均无出水现象。

对该区块三维地震数据进行相干属性分析，发现：虽然两处出水点距2号陷落柱中心较远，但2号陷落柱与两侧的相干属性异常区域呈成片分布，从相干体水平切片(–600 ms)显示出水钻孔处在相干低值异常范围，而未出水钻孔对应相干高值区域(图6)。综合出水水源可以认为，出水点靠近2号陷落柱，岩层虽然未发生陷落，但是受其影响岩性破碎，裂隙较发育，并直接与陷落柱腔体、以及下伏太灰、奥灰层位沟通，形成出水通道，是造成此次钻孔出水的原因。

图6 谢桥煤矿三维地震相干属性剖面及时间切片(–600 ms)

4 结论

a. 全数字高密度三维地震勘探技术作为查明煤矿地质构造、寻找致灾地质因素的有效手段，为煤矿制定安全开采方案、预防地质灾害提供了强有力的保障。

b. 随着三维地震资料处理解释软件、技术不断升级，尤其是叠前时间偏移技术、叠前深度偏移技术的应用，加上煤矿不断揭露的地质资料，早期常规三维地震资料进行二次精细处理解释后能够提高深部地层的分辨率，一些地震波反射异常现象得到重新认识，满足了深部煤层开采的地质需求。

c. 随着三维地震装备升级、处理解释技术进步，下一步全数字高密度三维地震应该在煤矿瓦斯富集、富水区、岩性预测等方面加强研究与应用。

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Application of high-precision 3D seismic exploration technology in Huainan mining area

LIU Jun, ZHAO Wei, HAN Biwu

(Huainan Mining Industry(Group)Co., Ltd., Huainan 232001, China)

Huainan Mining Group first introduced the full-digital high density 3D seismic exploration technology into the field of coalfield 3D seismic exploration in 2007, and has successfully promoted and applied it. As conventional seismic blocks were affected by mining collapse, they did not have the conditions for reconstruction of high density 3D seismic. In 2012, it began to perform secondary fine processing and interpretation of the original collected data of conventional 3D seismic blocks. Both high density 3D seismic exploration and secondary processing and interpretation of 3D seismic data have effectively improved the signal-to-noise ratio and horizontal and vertical resolution of seismic data, achieving the purpose of high-precision 3D seismic exploration. Through comparative analysis of a large number of uncovered data from coal mines, high density, fully digital 3D seismic exploration technology has significant effect in identifying small faults in coal mines, finding collapsed columns, and depicting limestone fissures. The secondary fine processing and interpretation of conventional 3D seismic data can significantly improve the imaging effect of the lower coal seams. High-precision 3D seismic exploration technology has broad prospects for popularization and application.

high density 3D seismic; high precision; fine processing; fault; collapse column

请听作者语音介绍创新技术成果等信息，欢迎与作者进行交流

P631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.002

1001-1986(2020)06-0008-07

2020-10-15；

2020-11-10

刘俊，1985年生，男，安徽安庆人，工程师，现在从事矿井地质工作. E-mail：360397531@qq.com

刘俊，赵伟，韩必武. 淮南矿区高精度三维地震勘探技术应用[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：8–14.

LIU Jun，ZHAO Wei，HAN Biwu. Application of high-precision 3D seismic exploration technology in Huainan mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：8–14.

(责任编辑 聂爱兰)