榆神矿区三维地震节点检波器应用及采空区解释效果

李步逊，王磊

（中国煤炭地质总局物测队，河北邢台 054000）

0 引言

我国榆神矿区地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原的交接地带，是国家特大型现代化矿区。主要开采煤层为浅部侏罗系煤层，煤层厚度大、间距小、地层平缓、构造简单，开采条件好。但随着认识程度的提高，加之煤矿开采过程中实际遇到的问题，需要对煤层开采技术条件重新认识，以免影响煤矿的安全生产。

构建智能化开采是我国煤矿迈向安全、高质量发展的必由之路。利用高密度三维地震技术是构建智能化开采中一个重要的手段。此次研究区受多种因素制约，传统地震采集效率低，难以高效率转化为成果，针对该区开展三维地震节点检波器高效采集应用开展技术研究，并经过资料精细化处理，获得地质成果，这一高效采集技术应用在构建智能化开采手段中优势比较显著。

1 地质概况及地震地质条件

1.1 地质概况

研究区地貌单元属风积沙所覆盖的黄土丘陵区，呈黄土梁和风成沙丘相间的地貌景观，地形较平坦。该区地形特征是西南部低东北部高，海拔高程一般在1297 ～1254 m，相对高差约43 m。

研究区地层划属华北地层区鄂尔多斯盆地分区。煤矿含煤地层为侏罗系中下统延安组，31 煤层是研究区内三层主要可采煤层之一，也是目前的主采煤层，煤层平均厚度约3.15 m，厚度变化很小，结构简单，其它主要可采煤层为42 煤、52 煤。

1.2 地震地质条件

勘探区地貌单元属风积沙所覆盖的黄土丘陵区，呈黄土梁和风成沙丘相间的地貌景观，地形较平坦。第四系上更新统萨拉乌素组和全新统风积沙（Q3s+Q4eol） 在该区广泛分布，以固定沙、半固定沙、流动沙覆于其它地层之上，厚度变化不均匀。不仅影响到施工效率，而且对地震波的高频成分吸收强烈，使得地震资料的分辨率较低。31 煤层埋深为156 ～191 m，平均埋深约为173 m，煤层赋存较稳定、煤层产状变化不大，但31 煤层埋深较浅，受三维地震技术限制，波形稳定性相对较差、连续性欠佳的反射波。综上所述，该区地震地质条件复杂。

2 数据采集

针对研究区地震地质条件影响和研究目的，确立了“宽方位、高密度、高覆盖”三维观测方案，选择20 线3 炮正交观测系统参数。

观测系统具有较宽的方位特性和较均匀的炮检距分布，提高浅部目的层的成像。如图1 ～图2 所示。

图1 观测系统示意Fig.1 Observation system

观测系统类型激发方式接收道数接收线数/条接收线间距/m接收道间距/m激发炮线距/m激发炮排距/m CDP 网格/m叠加次数/次横向最大炮检距/m横向最小炮检距/m纵向最大炮检距/m纵向最小炮检距/m最大炮检距/m最小炮检距/m纵横比20L×3S×72T×1R×90 次中间激发1440 道（20×72）20 条3010 1040 5（纵） ×5（横）90 次（横10×纵9）2955 3600 465.435 0.8514

3 野外接收对比

榆神矿区以往地震采集均采用有线采集模式，施工时间长，难以满足现在的施工需求，通过研究区进行的采集模式对比试验分析，认为采用节点采集模式接收能够获得与有线采集模式接收品质相当的地震资料，如图3 所示。

图3 节点采集系统与有线采集系统时间剖面对比Fig.3 Comparison of time profiles between node acquisition system and wired acquisition system

节点检波器具有高灵敏度、高可靠性、便于施工等优点。通过野外对比试验分析，系统采用全节点高密度三维地震规模化采集。结合试验分析，对比节点采集系统与有线采集系统地震资料，认为节点采集系统可以满足榆神矿区构建智能化开采所需地震资料质量要求。

4 研究区资料处理

研究区地貌单元属风积沙所覆盖的黄土丘陵区，静校正问题十分突出，原始资料信噪比差异较大，针对以上两点难题，处理过程通过适合本区块的静校正方法，多域、多方法叠前去噪，相对保幅处理，组合反褶积技术，叠前时间偏移等新技术充分试验，获得可靠地震数据体。

4.1 静校正

静校正是陆地地震资料都需要解决的问题。而初至的正确拾取至关重要。对初至波进行优化处理，可提高信噪比及拾取效率；利用频率域宽带Ricker 子波整形反褶积+ 宽带Ricker 子波滤波，初至整形效果好，新技术可使初至波形简单、横向一致性好，易于拾取。

研究区由于表层结构、低降速带厚度、速度及地表高程有一定变化，带来较严重的静校正问题。通过高程、野外静校正与绿山折射波静校正测试并根据资料情况及以往经验，选取应用绿山折射静校正技术（图4）。该方法消除了高程和低降速带变化对资料造成的影响，绿山折射静校正量计算准确、效果显著（图5、图6）。

图4 绿山折射静校正量计算Fig.4 Calculation of green mountain refraction static correction

图5 折射波静校正前后单炮记录对比Fig.5 Comparison of single shot records before and after static correction of refraction wave

图6 折射波静校正前后时间剖面对比Fig.6 Comparison of time profiles before and after static correction of refraction wave

4.2 叠前多域、多方法噪声压制技术

针对研究区低信噪比特征，叠前去噪是地震资料处理中显得十分重要，它关系到资料速度分析的准确度和最后成像的品质，需进行针对性去噪。针对该区资料含有不同类型的干扰波，应用不同的去噪方法，采用多域分步渐进式保真保幅的去噪技术。

此次处理对主要参数进行充分试验，选取最佳参数，很好地消除声波及强能量异常噪音、面波及线性干扰，去噪效果显著，如图7、图8 所示。

图7 叠前多域、多方法噪声压制前后单炮记录对比Fig.7 Comparison of single shot records before and after noise suppression by pre-stack multi-domain and multi-method

图8 叠前多域、多方法噪声压制前后叠加剖面对比Fig.8 Comparison of superimposed profiles before and after noise suppression by pre-stack multi-domain and multi-method

4.3 组合反褶积方法

反褶积是一种通过压缩地震子波来提高地震资料的纵向分辨率的方法。地表多种因素会对地震波传播产生影响，造成地震子波的差异，在地震记录上表现为波形、振幅、相位、频率等特征的不一致。地震子波处理是反褶积的核心内容，分离子波与反射系数序列是反褶积的2 个主要目的，作用有3 个方面：一提高地震剖面的分辩率，能对薄目的层进行分辩；二是对子波和相位进行一致性处理，使地震剖面横向上子波和相位的一致；三是对剖面相位进行处理。选择合理反褶积组合，既保证能获得具有足够的分辨率目标层位，又能保持好各反射层的波组特征、确保叠加偏移成像。

（1） 地表一致性反褶积。

由于不同激发、接收因素导致原始资料在子波振幅、频率等方面存在一定的差异，消除这些差异最好的手段就是地表一致性处理。通过地表一致性反褶积技术应用，对地震子波进行校正，消除地震子波中地表条件差异对其影响，从而增强地震子波横向稳定和一致。

通过分别选用不同步长进行测试，经过反复对比，选择出最优步长，不仅对目的层成像有利，还能兼顾浅中层信噪比和分辨率。

（2） 频率域高分辨率宽带Ricker 子波期望输出反褶积（WPDcon）。

在应用地表一致性反褶积技术的基础上，通过运用串联频率域高分辨率宽带Ricker 子波期望输出反褶积模块（WPDcon） 的方法，进一步做到叠前资料分辨率的提高。

这一技术实现了宽带Ricker 子波期望输出叠前多道反褶积处理。它能够通过频率域求取和多道时窗自相关函数，并运用快速傅里叶变换提高计算效率。以构造高分辨率宽带Ricker 子波作为期望输出算子，并采用最小平方法求取反子波，算法为一个通过托布尼兹递推为辅助的托布尼兹矩阵正则方程，这种算法与传统算法不同，充分考虑了递推过程中的传递误差并对此误差进行消除，因此此次所用算法稳健且高精度。所获得的高分辨率反算子，具有高分辨率，算子稳定，高信噪比的特性。

高分辨率宽带Ricker 子波期望输出算子，具有低频陡度大，高频陡度小特点的子波，其主瓣尖锐，旁瓣幅度小，利于高分辨率处理。即能提高记录分辨率，又能保证一定的信噪比是该反褶积方法的优点。

在地表一致性反褶积的基础上，够进一步提高压缩子波、拓宽频带的效果可通过串联组合WPDcon 宽带Ricker 子波反褶积实现。通过组合反褶积前后水平叠加、频谱及自相关结果对比（图9、图10），表明地表一致性+ WPDcon 宽带Ricker 子波反褶积组合能有效改善子波的横向一致性。

图9 地表一致性反褶积+WPDcon 测试Fig.9 Surface consistency deconvolution test of“+WPDcon”

叠前时间偏移是解决复杂构造成像的有力工具。此次研究资料处理，通过试验选择运用弯曲射线叠前时间偏移方法，因为这种方法充分考虑成像射线的弯曲，因此更可靠真实，同时克希霍夫积分法偏移对倾角没有限制，成像角度可以达到90°。

经过多次迭代叠前时间偏移目标线速度分析，准确求得偏移速度模型后，运用弯曲射线克希霍夫积分法对以叠前CMP 道集和速度模型为输入的全数据体进行叠前时间偏移。图11 为水平叠加及叠后、叠前偏移时间剖面对比，从中可以看出，一些地段的叠前时间偏移时间剖面的断面、断点比叠后偏移时间剖面清晰。

5 采空区资料效果

研究区主要为上部31 煤采空，在上部煤层采空地震勘探中，不仅采空区不能形成良好的反射波，而且由于受上部煤层采空的“屏蔽”，下部煤的反射波在穿透破坏的覆岩，其能量被大量吸收、散射，在时间剖面上亦出现异常现象（图12）。

研究区内采空区的波组特征表现为，煤层采空和受采空牵引作用的周边区域，在地震时间剖面上T31 波表现为同相轴出现下凹、中断、消失、扭曲、剖面面貌零乱，频率降低和振幅减弱；在采空区下部煤层反射波出现同相轴“弯曲”、“下陷”等现象（图12）。

在最大振幅、弧长、方差体、频率等地震属性上识别，工作面南北两顺（巷道） 及煤层采空和下部煤层受采空影响区域均有较明显的反映（图13、图14），于最大振幅属性切片上显示为低幅值，且成片或长条状分布，于弧长属性上巷道位置存在突变和高阻抗的反差，可以较清晰地反映巷道的展布，于方差体层拉平切片图上显示方差值增大。

图13 31 煤采空区在T31 波最大振幅地震属性上的反映Fig.13 The reflection of No.31 coal goaf on the seismic attribute of the maximum amplitude of No.T31 wave

图14 T42 波受影响范围及巷道在T42 波弧长地震属性上的反映Fig.14 The affected area of No.T42 wave and the reflection of roadway on the seismic attribute of No.T42 wave arc length

此次依据31 煤层采空区在地震时间剖面上波组特征和31 煤层反射波在地震属性上的反映，结合现有的地质资料，进行分析解释圈定了采空区范围，并能在T42 波弧长和最大振幅地震属性上较清晰地识别工作面两顺的位置（浅颜色条带状）。由于31 煤层埋深浅，成像效果较差，故巷道在T31波地震属性图上的反映没有下部T42 波反映效果明显。T42 波和T52 波在时间剖面上和地震属性的异常反映，是受上部31 煤层采空区的影响，与42煤、52 煤层实际赋存情况无关。

综上所述，采空区属性、时间剖面反应清晰，解释效果较好。

6 结语

2019 年，煤田三维地震首次采用节点采集创造风积沙地区三维平均日采集生产600 炮，单日最高1200 炮的效率，形成了风积沙三维节点高效采集配套技术系列。2022 年，煤田高密度三维地震首次采用节点采集，并通过后期静校正等多项处理技术，获得了良好数据资料，并且采空区解释效果较好，有效解决了风积沙地表下地质目标探查的需求。