三维地震动态解释在淮北构造复杂煤矿生产中的应用

宋利虎 金学良

（1.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750；2.淮北矿业（集团）有限责任公司，安徽 淮北 235000；3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）

三维地震勘探技术在我国煤矿安全高效矿井地质保障系统中发挥着重要的作用，为矿井采区设计、综采工作面布置、安全煤柱预留以及巷道支护方式选择等提供了坚实的技术支撑[1]。但传统的三维地震解释服务于煤矿勘探阶段，与煤矿安全生产过程脱节。专家学者和煤矿地质工作者对地震动态解释技术在煤矿生产中的应用进行了大量的探索，崔若飞等[2]将三维地震动态解释应用于防治煤矿突水中，为防治水提供了决策依据；谢绍颖、李文钧、冼伟东等[3-5]将地震动态解释应用于断层、陷落柱等构造探查和煤层冲刷带、火成岩侵入区等异常区的探查中；邹云超、李忠、吴晓春等[6-9]将地震动态解释技术用于指导工作面的合理布置、指导采掘工程掘进，且动态修正地震解释成果；煤矿智能化开采对高精度智能探测技术的需求，“倒逼”煤矿地质保障技术必须朝着从静态探测到动态探测方向转变[10]；朱书阶等[11]提出利用煤矿地震数据动态解释来提高煤田地震勘探精度的研究思路；刘文明等将采掘工程得到的巷道测点、探煤厚点与三维地震解释成果融合，提高了工作面内煤层底板标高和煤层厚度的精度，为智能开采提供预想煤层模型。

该文针对淮北矿区断层发育的实际，将三维地震动态解释技术应用于煤矿工作面设计、巷道掘进和工作面贯通等多个生产阶段，同时针对大巷掘进过程中地质保障的实际需求开展了地震动态解释工作，总结出了一套适用于淮北矿区的地震动态解释技术流程。地震动态解释技术能够为煤矿工作面生产过程中提供较为准确的指导，助力煤矿安全高效开采。

1 淮北矿区地震动态解释技术

1.1 淮北矿区地质概况

淮北矿区地处华东腹地，安徽省北部，地跨亳州、宿州、淮北三市，蒙城、涡阳、濉溪等县。淮北矿区地层类型属华北地层，为其中淮河地层分区中之淮北地层小区（安徽省地层志1985）。钻探资料揭露地层从老至新：奥陶系（O1+2）、石炭系（C2+3）、二叠系（P）、新近系（N）和第四系（Q）。含煤地层为石炭-二叠系，二叠系的山西组、石盒子组为主要含煤地层，共含煤1-11 层（组）。其中，二叠系的上石盒子组的32煤层、下石盒子组的72煤层、82煤层及山西组的10 煤层为主要可采煤层，平均可采总厚度达15 m。

淮北矿区断层密集、可采煤层多、煤层埋藏深且间距小、厚度不稳定、地层倾角大、覆盖层巨厚、岩浆岩侵蚀严重、灰岩反射波品质差等诸多不利因素，地震地质条件深层复杂，为构造复杂煤矿。

淮北矿区构造复杂，断层密度大，下属各矿的断层密度统计如图1 所示，平均断层密度达30 条/km2，断层发育已成为严重制约淮北矿区采区接替和增储保供的主要因素。三维地震在查明断层、褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带和煤厚变化等构造解释中起到了积极的指导作用，为煤矿地质保障工作提供了有力的技术支撑。

图1 淮北矿区各矿断层密度分布图

1.2 地震动态解释技术

地震地质成果在煤矿地质保障中有较好的指导作用，但提交的勘探成果图件与煤矿安全生产过程脱节，造成地震资料与工作面生产过程不能有机结合，成果利用率低，不能有效指导采掘工程。同时地震勘探作为地球物理勘探的一种方法，其勘探成果具有多解性，断层、褶曲、陷落柱等地质异常在地震剖面上都表现为反射波同相轴的扭曲、错断等异常。随着工作面掘进的进行，实际揭露资料越多，利用实际揭露资料作为约束，开展地震解释工作，能够使得地震地质解释成果更接近于地下实际，更好地指导煤矿安全高效生产。

三维地震数据体中包含着丰富的地质信息，地震动态解释技术能够有效地把煤矿三维地震勘探获得的静态成果与煤矿生产过程中所获得的各类矿井地质信息相互融合，即利用“动态”的解释方法对地震勘探成果进行实时更新，服务于煤矿生产阶段，实现地震资料动态解释，促进矿井地震、地质资料综合利用，提高地质探测精度，为煤矿安全高效开采提供精准地质保障。在构造复杂矿井开展三维地震动态解释工作具有重要意义。

根据淮北矿区多年的地震地质解释工作实际，总结出一套基于聚焦煤矿工作面生产的动态地震地质服务工作流程，如图2 所示，即在工作面设计、巷道掘进和工作面贯通等不同的生产阶段，开展地震动态解释，为煤矿的增储保供和生产接替提供实时动态的地震地质服务。

图2 地震动态解释在煤矿生产中的应用流程

1）工作面设计前和设计阶段。利用地面补勘钻孔来验证前期地震解释成果的可靠性，在优选地震数据体上进行层位追踪，构造精细解释、地震地质解释成果。

2）工作面巷道掘进阶段。该阶段为地震动态解释的主要阶段，利用巷道掘进和井下定向钻探的实际揭露资料，在验证前期地震解释成果准确性的同时，将实际揭露地质资料融入地震动态解释成果中，进一步提高解释精度。

3）工作面贯通阶段。工作面贯通后，开展槽波、坑透等矿井物探工作，将不同物探方法得到的地质解释成果进行对比分析，综合研判后修正解释成果。

4）工作面回采阶段。根据回采过程中的验证情况，积累地震动态解释经验，并指导后续相邻工作面的掘进和开采工作。

三维地震动态解释技术通过逐级、逐次的地震地质解释工作，充分挖掘三维地震数据体中的地质信息，使得解释成果逐步趋于地下实际，便于矿方在巷道掘进和工作面回采过程中对前方可能存在的构造或异常体进行预判。

2 应用实例

2.1 工作面设计阶段

在煤矿工作面设计前与设计阶段，地震动态解释工作主要为利用地面补勘钻孔制作联井线，在联井线地震剖面上对地震解释工区中钻孔处的层位、断层等解释成果进行逐一核对，发现原解释的层位、断层等成果与钻孔揭露矛盾，钻孔的埋深与目的层反射波同相轴的双程旅行时不匹配，需利用补勘钻孔测井曲线对解释的层位进行重新标定，然后再精细解释构造，使得地震地质成果与钻探成果吻合。

10113 工作面回采10 煤，工作面设计阶段补勘了多个地面钻孔，其中2021-15、2021-16 孔为DF1断层上下盘布设，目的为探查DF1 断层的具体位置和断层落差。2021-15 孔10 煤顶板上17.67 m 见5.04 m厚的破碎带，10煤底板标高为-534.37 m，煤厚3.14 m；2021-16 孔10 煤底板下7.42 m 见3.51 m 厚的断层破碎带，10 煤底板标高为-581.93 m，煤厚5.06 m，两个孔的10 煤底板标高差为47.56 m，即估算断层落差为40 m。

图3 为过2021-15 与2021-16 钻孔的联井线地震剖面，图中T7、T8 和T10 分别为下石盒子组72煤层、82煤层和山西组10 煤层的反射波。左图为动态解释前对地震成果的认识，认为DF1 断层为落差20 m 左右，断层落差与补勘钻孔实际揭露不符；右图为根据补勘资料进行地震动态解释后的地震成果剖面，将DF1 断层解释为一组地堑式断层，剖面上新解释的DF1-1 断层（最大落差H=35 m）上下盘时差为25 ms，推算出的10 煤层间速度约为3750 m/s，同时解释了落差15 m 的DF1-2 断层。正是由于DF1-2 分支断层的解释，矿方提前对工作面进行了改造，避免了在巷道掘进过程中揭露落差H≥10 m 的断点，保障了矿方安全生产。

图3 动态解释前后联井线地震剖面对比

2.2 工作面掘进过程中的动态解释

10113 工作面在掘进到外切眼附近时（图4），比较关注分支断层DF1-2是否会在掘进中实际揭露，落差多大。为了更好地指导矿方外切眼段巷道的掘进工作，开展了动态的地震解释工作。外切眼段地震时间剖面如图4 所示，外切眼段为q1与q2之间，图中T10 为山西组10 煤层的反射波，巷道从左向右掘进。结合巷道掘进资料，对地震资料进行分析，预计DF1-2 断层会在外切眼段实际揭露，落差3 m，在图4（b）变密度显示的地震时间剖面上断点反映清晰；同时10 煤反射波T10 在外切眼段整体表现为一个小背斜的形态。后经矿方反馈，外切眼段实际揭露断点落差为2 m，且揭露断层后煤层表现为上坡的形态（背斜的左翼），地震动态解释成果与实际揭露吻合度较高。

图4 地震动态解释在巷道掘进过程中的应用

在工作面掘进过程中开展地震动态解释，很好地指导了矿方煤巷掘进工作，在保障安全生产的同时，提高了掘进的工作效率，保障了采面的正常接替。

2.3 工作面贯通后综合分析

工作面贯通后，开展槽波、坑透等矿井物探工作，将不同物探方法得到的地质解释成果进行对比分析，综合研判后修正解释成果。1033 工作面贯通后，开展了槽波地震勘探工作，槽波勘探在1033工作面内解释了3 处异常区，如图5 中虚线圈注。结合掘进资料认为，1#异常为火成岩影响，2#、3#异常为断层影响。地震动态解释中将槽波解释的异常区加载到三维地震工区中，对异常区段进行了精细辨识和解释工作，将2#异常区的范围进行了进一步的缩小，解释为延伸长度95 m、断面宽5 m、落差3 m 的断层XF1，为矿方后续的回采工作提供精准的地质保障服务。

图5 槽波、地震动态解释综合解释成果

2.4 大巷掘进过程中的动态解释

针对煤矿在大巷设计和掘进过程中对断层的精准定位、揭露异常反馈等实际需求，尤其是目前盾构掘进对层位和断层解释精度要求较高的现状，对设计和掘进大巷开展了地震动态解释服务工作。

淮北3 采区设计大巷预想剖面如图6 所示。大巷从左向右掘进，DF10 为落差60 m 的大断层，设计岩巷过断层DF10 前在7 煤层上部层位掘进，过断层后在8 煤层下部层位掘进，精准过断层，避免在掘进过程中揭露煤层，防止瓦斯突出风险，为大巷掘进提供动态地震解释指导。

图6 3 采区运输大巷预想地质剖面图

岩巷的掘进工作对DF10 断层平面位置的准确性要求较高，在进行地面钻孔工作的同时，开展了地震动态解释工作。2022-27、2022-28 地面钻孔的钻探成果出来后，利用井斜数据和声波测井曲线将井轨迹加载到地震工区中。根据探查成果，2022-27与2022-28 孔均见10 煤层，标高分别为-745.30 m和-720.90 m，两个钻孔所见10 煤均为DF10 断层上盘10 煤层。新解释的DF10 断层在地震剖面和平面位置如图7 所示，与原解释相比断煤交线向东摆动了27 m，避免了岩巷掘进过程中误揭煤层的风险。

图7 动态解释DF10 断层在平面上与剖面上的特征显示（虚线为原解释，实线为新解释）

3 结论

1）该文针对淮北矿区断层较为发育的实际，将地震动态解释技术应用于淮北矿区煤矿工作面设计、巷道掘进、工作面贯通等煤矿生产全周期中，充分挖掘三维地震数据中的地质信息，使得地震地质成果更趋近于地下实际。

2）煤矿工作面生产过程中的地震动态解释工作将分析对象限定为一个工作面、一条巷道甚至一条断层，研究对象更聚焦、更精准，且时效性强，能够在煤矿生产中为地质保障工作提供地震地质解决方案。

3）地震动态解释技术服务于煤矿生产阶段，将三维地震常规解释成果与煤矿生产过程中的矿井地质信息相互结合，极大提高了三维地震信息利用水平，能够为构造复杂矿井解决更多的地质问题，助力矿井安全高效生产。