屯留地区采区三维地震勘探激发参数研究

张超

（中国煤炭地质总局 物测队，河北 邢台 054000）

0 引 言

随着科技水平的提高，煤矿开采逐步向智能化、自动化综合开采发展。现代化煤矿建设对煤矿地质情况的要求也相应提高，更精确的地质构造资料是煤矿开采的有力保障。

三维地震勘探以其经济性、全面性的控制地质构造情况，被广泛应用于煤矿采区勘探。三维地震勘探是一种间接勘探手段，勘探成果的精度主要受限于三维地震勘探数据体的品质，而数据体的品质又受限于野外施工所采集的原始数据[1]。激发参数作为三维地震勘探野外数据采集的重要影响因素，其选择是否科学、合理，将直接决定原始数据质量和施工成本，进而影响最终的勘探效果。因此，对激发参数进行细致的研究，能提高数据采集质量并降低施工的经济风险、节约勘探成本，提高勘探成功率[2]。

1 概 况

山西余吾煤矿位于山西省长治市屯留县境内，地理位置位于沁水煤田东部中段，地处太行山脉西侧、山西上党盆地西部，属潞安矿区。井田内地表广为第四系黄土层覆盖，北、西部属高原丘陵地貌，地形复杂，地表冲沟发育，在沟谷地带有二叠系基岩零星出露；中部绛河由西向东流入漳泽水库，形成河谷阶地，局部沟壑较发育，河道多淤积泥沙，含卵砾石；南部地形较平缓，多被改造为农业用地或林地，村庄、工厂、养殖场也多分布于此[3]。

野外数据采集试验工作所使用仪器设备为SERCEL公司的428XL数字地震仪，SJ-60检波器（主频60 Hz），成孔方式为人工水钻，激发方式为地震勘探专用电雷管配合地震勘探专用高爆速成型炸药[4]。

2 浅、表层类型划分

根据对勘探区踏勘情况，全区浅、表层大致可以划分3个类型（图1），北部为绛河及其河滩，潜水位较浅，表、浅层为河道淤积的泥沙，多含卵石；中北部为较平坦的农田，表层为第四系黄土覆盖，因农业生产活动变为耕植土，浅层有较稳定的厚黏土层，一般呈棕红色，局部为灰黑色；中南部为低山丘陵，地形复杂，冲沟发育，沟底偶有基岩出露，坡上黄土中含有钙质结核（礓石块）或钙质硬层（礓石层）。

图1 勘探区内各浅、表层类型分布范围示意Fig.1 Distribution scope of shallow and surface types in exploration area

勘探区内所包括的3个浅、表层类型，涵盖了井田的主要浅、表层类型[5]。本文对勘探区的三维地震勘探激发参数进行研究，其成果对该井田后续的地震勘探工作有较大指导意义。

3 激发参数对比分析

试验工作是获得三维地震勘探采集参数，尤其是激发参数的重要手段。通过对不同表、浅层类型的范围进行踏勘，在勘探区内布设试验点，确保每种表、浅层类型范围内均有试验点。

在试验过程中，严格遵循由已知到未知、由简单到复杂及单一因素变化的原则，先使用相同的药量进行井深试验（激发层位试验），再利用井深试验（激发层位试验）所获得的最佳井深（激发层位）结论，分别进行井组合试验和药量试验，通过对试验数据的分析对比，以确定不同表、浅层类型最合适的激发参数。

3.1 平地类型

试验点位于勘探区中部，属中部平坦的农田地形。接收排列检波器为198道，三支串联，扎堆插置，道距10 m。

井深试验使用炸药量2 kg，井深范围6~30 m，井深间隔2 m。通过对比单炮记录及分析对应的振幅—频谱分布范围[6]（图2）可知，井深为16 m时，有效波主频突出，约为40 Hz，信噪比较高[7]；当井深减小到10 m时，有效波主频降低至不足20 Hz，能量降低为16 m时的0.7~0.8倍，同时低频的面波掩盖掉有效波；当井深增加到22 m时，有效波主频降低至20~25 Hz，能量降低为16 m时的0.8倍。因此当井深减小时，有效波主频逐步降低，面波能量增强，信噪比降低；当井深增加时，虽然面波得到了抑制，但由于穿过了合适的激发层位，有效波主频不突出或不稳定，能量也有所降低。

图2 井深试验单炮记录及振幅—频谱分布Fig.2 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

结合成孔时的岩性（土质）记录分析[8]，在试验位置16 m井深处有1层厚度约1.5~2 m的黏土层；根据对该范围内的其他试验成果以及施工过程中的成孔情况和监视记录对比，该黏土层是最佳激发层位，且在较平坦的地形范围内普遍存在，厚度和深度变化不大。

药量试验采用井深试验成果，井深16 m，炸药量0.5~3 kg。通过对比单炮记录及分析对应的振幅-频谱分布范围（图3），可知药量为0.5 kg时，有效波主频较高，约为60 Hz，信噪比较高，但能量较弱，约为药量2 kg时的0.8倍；药量为3 kg时，有效波和面波能量较强，约为药量2 kg时的1.1倍，主频较低，约为20 Hz，信噪比较低；药量为2 kg时，可以在能量与主频之间获得较好的平衡。因此，减小激发药量，可以获得频率更高的有效波，但牺牲了能量；增加激发药量，有效波能量略有增加，但干扰波能量增加明显，且频率也大幅降低，激发药量的选择需要兼顾有效波能量和频率[9]。

图3 药量试验单炮记录及振幅—频谱分布Fig.3 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of explosive dose test

3.2 低山丘陵类型

试验点位于勘探区中南部，属低山丘陵，地形复杂，冲沟发育。接收排列检波器为156道，三支串联，扎堆插置，道距10 m。

井深试验使用炸药量2 kg，井深范围为9~22 m，井深间隔1~2 m。通过对比单炮记录及分析对应的振幅—频谱分布范围（图4）可知，井深为14 m时，有效波主频突出，信噪比较高；井深为10 m时，有效波主频降低，约为20~25 Hz，面波能量有所增强，信噪比降低；井深为20 m时，有效波主频和能量相较于14 m时变化不大。因此，当井深减小时，有效波主频也随之降低，面波能量随之增强，信噪比降低；当井深增加时，有效波主频和能量变化不大，但施工成本增加，不利于施工的经济性。

图4 井深试验单炮记录及振幅—频谱分布Fig.4 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

结合成孔时的岩性（土质）记录综合分析，在试验位置14 m井深处有1层厚度约0.3~0.5 m的礓石层。同时对比该范围内施工过程中的成孔情况和监视记录，该礓石层是最佳激发层位，且在勘探区该地形范围内大面积存在，但由于低山丘陵范围内地形起伏变化大，该礓石层的埋深也有较大变化。

药量试验结论与上述试验基本一致。

3.3 河滩类型

试验点位于勘探区北部，属于绛河河滩，地表覆盖物以河沙和淤泥为主，局部含卵石。接收排列检波器为150道，三支串联，扎堆插置，道距10 m。

河沙和淤泥覆盖的河滩的井深试验使用炸药量2 kg，井深范围为14~26 m，井深间隔1~2 m。通过对比单炮记录及分析对应的振幅—频谱分布范围（图5）可知，井深为20 m时，有效波主频突出，约为35 Hz，信噪比较高；井深为16m时，有效波主频略有降低，约为30 Hz，低频率的面波的能量略有增强；井深为24 m时，有效波频率变化不大，但能量降低为井深为20 m时的约0.7倍。因此当井深减小时，有效波主频随之降低，面波能量增强，信噪比降低；当井深增加时，主要影响有效波能量。

图5 井深试验单炮记录及振幅—频谱分布Fig.5 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well depth test

药量试验结论与上述试验基本一致。

含卵石的河滩分布在靠近主河道处，潜水位较浅，成孔困难，最大孔深约2 m，考虑到施工的安全性，限定单孔药量在1 kg以内，且针对性进行了井组合对比试验[10]，包括单井和双井组合。通过对比单炮记录及分析对应的振幅—频谱分布范围（图6）可知，在相同井深情况下，井组合与炸药量变化对地震资料的影响不大，但组合井的能量略强，主频略高，说明较浅的潜水位有利于地震波的激发。

图6 井组合试验单炮记录及振幅—频谱分布Fig.6 Single shot record and amplitude-frequency spectrum distribution of well combination test

4 结 论

激发井深（激发层位）方面，在勘探区南部的低山丘陵地带，适合的激发层位为埋深约14 m的礓石层，受地形影响，在无法探测到礓石层的范围，应采用14~20 m作为最佳激发井深范围；在平坦农田范围，应重点将激发层位限定在埋深约16 m的厚黏土层中，施工中要注意该黏土层的埋深变化，遵循“层位优先于井深”的原则；在河滩范围，河沙覆盖区采用20 m井深，卵石分布的河滩，因井深较浅，宜采用组合井。激发药量方面，在井深能保证安全的情况下，使用2 kg；卵石河滩范围，组合井的单井药量为0.5~1 kg。

（1）在地形起伏和表、浅层类型具有一定变化的区域，激发参数的选择上要更加注重激发层位，把握“层位优先于井深”的大原则。

（2）通过定量化分析有效波的频率和能量，可以更精准的选择最佳激发参数。

（3）激发药量要与激发层位相适应，既要保证能量也要保证频率。