三维地震勘探技术在甘肃赤城煤矿勘查中的应用

孔德玺

（华亭煤业集团赤城煤矿有限责任公司，甘肃 平凉 744000）

赤城煤矿位于甘肃平凉市崇信县，地形属高原丘陵沟壑区。矿区位于鄂尔多斯盆地西缘断褶带的南端，褶皱和断裂走向基本一致，断裂和褶皱构造伴生，断裂则表现为高角度的压性和压扭性断裂。由于受到南西～北东向挤压效应，总体构造呈北北西向的“S”形构造[1]。

作为一座新建设煤矿，赤城煤矿现有勘查工作对采区内断裂、褶曲的分布特征，陷落柱、采空区的发育情况，隐伏露头、冲刷带、煤层分叉等现象的控制程度无法满足下一步煤矿的设计、生产、安全等要求。通过开展三维地震勘探不仅可以对煤层分布范围和特征有更为精细的控制，也可以查明各种异常地质体和地质现象的发育情况，从而为煤矿的设计生产提供地质依据。

1 地质概况与地震条件

1.1 地层

煤矿范围内地表出露及钻孔揭露的地层自老而新有：中上三叠统延长组（T2-3y），下侏罗统富县组（J1f），中侏罗统延安组（J2ya），中侏罗统直罗组（J2z），中上侏罗统安定组（J2-3a），下白垩统六盘山群（K1L），新近系干河沟组（N2g）和第四系（Q）[2]。

1.2 构造

赤城煤矿具体位置处于梁龙背斜的西翼或者赤城向斜的东翼，地层走向与主要构造延展方向严格受梁龙背斜和赤城向斜的控制，东北为平铜逆断层切割。图1 为研究区区域构造纲要图。

图1 研究区区域构造纲要图

梁龙背斜：背斜轴走向北偏西10°～20°，延伸长约30 km。其东翼倾角40°～45°，西翼倾角30°～40°。为研究区内的重要构造，控制着煤层厚度、展布方向及埋藏深度。

赤城向斜：位于研究区的西侧，为一走向北北西—南南东向的宽缓向斜。向斜轴北高南低，向南倾伏，南北向延展长达10 余km。向斜内含煤地层埋深超过1200 m，为研究区西侧外围的深部地带。

唐帽山～狼窝坝逆断层：位于安口—新窑向斜东北翼。走向与向斜轴大致平行，断层面均为南西倾斜，倾角40°～60°，断距大于300 m，长度分别为7 km 左右。该断层是赤城煤矿的边界断层。

平铜逆断层：位于研究区东部。该断层对梁龙背斜的东翼煤系地层破坏较大，对煤矿内的煤系地层影响较小。在煤矿内，断层走向北西25°，断层面西倾，倾角大体为70°，上盘（西盘）上升，地层为下白垩统六盘山群和中侏罗统延安组的含煤地层，下盘（东盘）下降，地层为下白垩统保安群。受断裂影响，中侏罗统延安组煤系地层逆覆于下白垩统保安群之上，其地层垂直断距大于400 m[3]。

1.3 地震地质条件

研究区为典型的山地地貌，地形复杂多变，沟谷两侧切割剧烈，梁垣陡立，高差变化较大，最大高差将近500 m，地形地表条件较差。

研究区大部分浅层岩性以黄土为主，一般厚度大于10 m，下伏地层为红色的黏土，含钙质结核。该区域黄土较厚、松散干燥、速度低，对地震波的吸收衰减作用强烈，激发条件较差。煤5-2 层顶底板岩性以泥岩为主，煤层与围岩虽存在较大的波阻抗差异，但是岩煤层倾角较大，给地震反射波的传播和接收造成困难。综合来看，研究区内地震地质条件属于特别复杂地区。

2地层含煤性与主要煤层特征

2.1 煤层含煤性

煤矿区内中侏罗统延安组地层厚度为124.62～221.48 m，平均厚度170.69 m，煤系地层共含煤4 层（组）：煤1、煤2、煤3、煤5，分别位于延安组的第四段、第三段、第二段和第一段，其中煤5 又分为2 层。

延安组由第一段到第四段含煤性由强到弱，下部含煤性好，中部含煤性较好，上部含煤性最差。整个延安组地层平均厚度为170.69 m，各煤层平均总厚度为19.53 m，可采平均总厚度为16.72 m，相应的含煤系数是：总含煤系数11.44%，可采含煤系数9.80%。

2.2 主要煤层特征

区内主要可采煤层为煤5-2 层，也是本次三维地震勘探工作的主要目的层之一，煤层厚度在0.01～40.84 m之间，平均14.60 m，可采厚度0.7～33.18 m 之间，平均可采厚度为12.19 m。等厚线与底板等高线走向基本一致，厚煤带展布方向为北西向，与煤层走向基本一致。在走向方向上，中部煤层厚，向南向北煤层变薄；在倾向上，中部煤层厚，向东向西煤层变薄。总体上属厚煤层。

煤层走向为北西32°，向西倾斜，北部煤层倾角一般为29°，最北端小范围达46°，中部煤层倾角较陡，浅部40°～50°，深部31°左右，南部煤层较缓，一般在29°～30°之间。

3 资料采集与处理

3.1 采集参数

研究区共分为两个区域，研究区东南为重点研究区域。为提高重点区域的勘探精度，在重点区采用5 m×10 m 的面元，其他区域采用10 m×10 m的面元。具体采集参数如下：

方案：12L×8S×全排列×2R 束状观测系统。

观测方向65°；面元大小10 m×10 m（重点研究区域为5 m×10 m）；覆盖次数＞60 次；接收道距20 m（重点研究区域为10 m）；接收线距80 m；炮点点距20 m；炮点线距160 m（重点研究区域为120 m）；排列片横向滚动距离160 m。

由于研究区地震地质条件特别复杂，因此在数据采集过程中，对常规三维地震滚动施工方式进行了改进，采用炮点按照设计进行滚动激发，接收排列采用了固定排列，既每一束炮点激发时，使用束内接收测线所有检波器进行了接收。采用这种生产方式，不仅全区覆盖次数有了明显的提高，而且在采集过程中更兼顾了浅中深等地层的信息。

3.2 资料处理

工作区处于低山丘陵区，地形变化大，浅表层地震地质条件复杂，基岩裸露区、薄黄土沉积区、厚黄土沉积区的同时存在导致了激发条件的巨大差异，也给地震波传播和接收带来困难。这些因素造成了激发地震子波的不同和接收信息的频带不同。

结合区内的地震地质条件以及地质任务，首先对数据进行了试处理，根据试处理结果确定最佳处理流程和参数。关键处理技术有：

1）静校正技术

研究区地表起伏较大，近地表情况复杂，高差达500 m，相应地引起单炮初至起伏变化，浅表层地震地质条件复杂，薄黄土沉积区、厚黄土沉积区交互，地震记录初至波“崎岖”不齐，煤层反射波不再遵循双曲线规律，静校正问题严重，严重影响了目的层的成像精度。只有做好静校正，才能实现同相叠加，才能提高地震资料的分辨率。

2）多域联合叠前去噪技术

地震数据中存在着多种干扰，不同的干扰需要采用不同的处理手段进行去除，在去除干扰的过程中要遵循合理的步骤[4]。实际处理过程中需要采用不同的方法，在时间域、空间域、频率域等多域采用不同方法联合，才能更好地去除地震数据中的干扰。

3）振幅补偿技术

为了弥补地震波在传播过程中受扩散和地层吸收等引起的振幅损失，主要采用了球面扩散补偿、地表一致性振幅补偿和剩余振幅补偿等手段。

4）反褶积技术

研究区内厚黄土对地震波频率衰减严重，反褶积技术可以通过压缩地震子波，在提高地震反射波频率的同时也提高了垂向的分辨率[5]。

5）速度分析

为了提高速度分析精度和准确性，进一步提高地震资料的成像品质，在开展速度交互分析时，将动校正切除、地表一致性静校正与其相结合[6]。

6）DMO 叠加

研究区目的层倾角较大，且断层发育，采用水平叠加，对倾角较大的反射层成像不利，采用DMO 叠加，剖面信噪比明显提高。

7）叠后偏移

对不同百分比速度进行偏移扫描，比较不同速度的偏移效果，最终选择绕射波收敛好、断点的刻画更清晰的偏移速度。

4 成果解释

4.1 解释方法

三维地震资料解释是利用不同的解释方法，把地震勘探工作所取得的时间域的数据体与实际地质情况相结合，并最终将其转变为地质成果的过程。根据由已知到未知，由简单到复杂，由点到面，由大到小的原则[7]，充分利用解释工作站的灵活、高效、直观的特性，综合已知地质测井资料进行综合解释。

1）层位标定。利用区内现有钻孔、测井资料，通过制作人工地震合成记录，结合实际地震剖面，来确定地震反射波与地质层位的对应关系[8]。

2）层位追踪。根据层位标定结果进行全区目的层位的对比追踪，由联井时间剖面开始解释，根据合成地震记录标定的层位，实现井与井之间的连续追踪，然后根据反射波的波组特征外推，形成80 m×80 m 的粗网格解释成果。解释过程中要做到全区层位闭合，同时观察时间剖面上的反射波的特征变化，尤其是特殊地质现象的反射波特征，要从多个方向上同时对比确定。

3）构造解释。主要包括褶曲解释、断层解释和特殊地质现象解释。认识区域构造发育规律与研究区构造发育规律的关系，建立构造框架。分别利用走向剖面、倾向剖面和水平切片三个维度的数据对断层的落差、水平断距、倾向等进行相互印证，同时也能提高断层的组合和平面延伸的控制程度。对于小型构造、河流冲刷、陷落柱等特殊地质现象的解释，可以结合地震属性技术来提高解释精度和可靠性。

4）综合解释。利用解释工作站的多种数据显示功能，通过人机联作对区内多种资料进行综合对比分析，可以提高资料解释的精度和可靠程度，从而确定最终解释方案，对区内煤5-2 层赋存形态和构造发育情况进行了解释。

4.2 地质成果

1）在研究区内煤5-2 层总体构造为一倾向南西、走向北西向的单斜。研究区内次级褶皱较为发育，自北向南有连续的向斜背斜交替出现。

2）煤层隐伏露头解释。目的煤层的反射波和白垩系底界面的反射波的不整合交点处即为各目的煤层的隐伏露头，研究区内隐伏露头表现为上覆白垩系地层与下伏侏罗系地层角度不整合接触面，隐伏露头在研究区内控制长度为3.2 km。

3）断点解释。本次地震勘探在区内组合解释断层3 条，如图2 所示。断点解释时以波形变面积时间剖面为主，结合彩色显示剖面及各种属性切片识别断点，图3 为DF1 断层在振幅属性图上的显示。落差较大断层断点的主要标志为：多组反射波同相轴发生错断，强弱相位发生明显转换，同相轴相位的突然增多或减少、分叉合并，断点绕射波的出现。落差较小的断层断点主要标志为：反射波同相轴扭曲，同相轴的产状发生突然变化，同相轴连续性、光滑程度及振幅强弱变化。

图2 研究区构造图

图3 DF1 断层在振幅属性图上的显示

Fx 断层，逆断层，位于研究区南部，向北延伸至研究区中部，基本贯穿重点研究区，区内延伸长度3.2 km，走向由北北东向（N7°E）转为北北西向（N18°W），倾向由97°转为72°，倾角60°～80°，落差0～200 m。

DF1 断层，逆断层，位于研究区中部，区内延伸长度700 m，走向北西向（N36°W），倾向54°，倾角60°～80°，落差0～40 m。

DF2 断层，正断层，位于研究区北部，区内延伸长度445 m，走向北东向（N43°E），倾向313°，倾角40°～50°，落差0～10 m。

4）褶皱解释。褶皱在三维地震数据体上比较容易识别，在地震时间剖面上，反射波同相轴上凸反映背斜构造，反射波同相轴下凹反映向斜构造。图4 为向斜在时间剖面上的显示。

图4 向斜在时间剖面上的显示

研究区内次级褶皱较为发育，自北向南有连续的向斜背斜交替出现，褶曲幅度较大，两翼倾角都相对比较宽缓，查明区内波幅≥10 m 的次级褶皱6个，其中背斜3 个，向斜3 个。

5）煤层分叉解释。地震时间剖面上煤层反射波同相轴的分叉合并是识别煤层分叉合并现象的主要标志。在分叉区段，地震时间剖面上反射波特征表现为：煤层反射波的相位分成两个相位，其能量相对合并区较弱，振幅相对变弱，而频率相对偏高，研究区内的地震资料的信噪比较低，因此煤层分叉现象在部分时间剖面上显示并不明显，对煤层分叉现象反映较为明显的振幅属性来对煤层分叉现象进行辅助解释。

6）冲刷带解释。研究区西部，部分岩石碎屑中含丝炭和镜煤不规则条带，并与煤5-2 层底板粉砂岩和细砂岩为突变接触，有明显的冲刷现象。在解释过程中，冲刷带在时间剖面上表现为煤层反射波突然消失形成一个条带状的区域，部分时间剖面表现上部地层内反射波向下凹陷，如图5 所示。古河床冲刷作用在研究区的西部，由西北到东南贯穿全区，研究区内控制冲刷面积约1.8 km2。

5 结论

1）研究区通过开展三维地震勘探，查明了主要可采煤层煤5-2 层的起伏形态，区内构造相对不发育，共有3 条断层，起伏大于10 m 的褶皱有6 个。在研究区圈出了古河床冲刷对煤层的影响范围，对煤层分叉区域进行了初步解释，查明了煤5-2 层的隐伏露头位置。这些成果为煤矿的下一步建设和开采工作都提供了可靠的地质依据。

2）当今三维地震技术在煤田勘探中已经较为成熟，但是在实际应用过程中，要根据研究区地形、地质条件、地质任务等设计针对性强的观测系统，通过试验确定最佳的采集参数，同时根据野外地震单炮数据特点，通过试处理、预处理确定合理的数据处理流程，并结合钻孔、测井等地质资料对三维地震成果进行推测解释，力求获得可靠程度高的成果数据，从而为煤矿建设提供可靠的地质依据。

3）充分利用地震属性提取技术，能够较好地弥补常规地震时间剖面受分辨率影响而造成的小型构造特征不明显的缺点，为进一步查明构造发育提供依据。

综上可知，三维地震勘探技术在煤田勘查中应用虽较为成熟，实际应用中须结合已有资料和地震地质条件，设计合理的观测系统，通过完善的处理手段和成果解释方法，才能最终控制煤层赋存特征以及构造发育情况，查明各种异常地质体和地质现象的分布特征，为煤矿生产提供可靠的依据。