煤田采空区勘查中三维地震勘探技术的应用

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摘要：

本文通过实例说明，应用三维地震勘探方法，只要合理选择施工参数，精细资料处理解释，充分发挥地震解释软件先进强大功能优势，多方位、多角度、多方法准确解释采空区不但可行，更是最好选择。

关键词：

三维地震勘探；采空区

近年来煤矿发生的许多透水、巷道坍塌等事故都与采空区及其周边应力效应有关。因此，及早发现和圈定采空区范围，采取相应措施，对保证煤炭安全生产，提高煤矿效率，有非常重要的现实意义。

1采空区的地球物理特性

采空区勘探一直是煤矿地质勘探的亟待解决难题。采空区的地震反射波含有大量的信息资料，通过提取地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面的变化，可反演计算出相应地层速度、密度及其他弹性参数，进一步了解地层及煤层变化情况，如地层构造、岩性变化、煤层厚度、分叉合并缺失等。通过研究标准反射波同相轴的消失、变强、强相位转换及在采空区绕射波振幅的强弱变化等，并以此来确认采空区存在及其范围。因此，地震勘探具备解决采空区的地球物理特性的方法。

2实例分析

2.1勘探区地震条件

所述勘探区地貌为剥蚀中低山区，以低山丘陵为主。主要山梁及沟谷走向为北北东向。地层由老到新有：奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组、石千峰组、三叠系下统刘家沟组、第四系。煤层主要有3#、15#煤，3#煤位于山西组下部，煤层顶板厚50.58m左右。煤层厚度6.56m，结构简单，无夹矸。伪顶为泥岩或砂质泥岩，老顶为厚层状砂岩。底板为泥岩、炭质泥岩或砂岩，为全区稳定可采的煤层，局部有采空区。15#煤位于太原组下部K2灰岩之下，下距奥陶系界面约18.72m，煤层厚度2.43m，结构简单。发育0-1层夹矸。顶板为K2灰岩，局部发育一薄层黑色泥岩，底板为泥岩或铝土质泥岩，为赋煤区稳定可采的煤层。3#煤层埋深约为200m，15#煤层埋深约为250m。泥岩的波速一般为2600~3200m/s；砂岩的波速为3000~3700m/s；灰岩的波速一般为4000~5000m/s；煤层的波速为2300m/s。各煤层与其顶、底板的波阻抗差异十分明显。在采空区影响范围外，能得到良好的反射波组。可见该区深层地震地质条件良好。

2.2勘探方法

根据地质任务与地形地貌、目的层深度和构造情况，本次采用中间放炮、20次覆盖的12线5炮制束状观测系统，采用576道接收，道距选择为5m，CDP网格2.5×5m。由于区内采空区分布较多，对三维地震采集影响较大，往往会造成反射波能量减弱、信噪比降低。因此，在资料采集过程中，遇到资料不好地段均做了补炮，并加大了井深、药量，尽可能提高信噪比，提高采空区勘探的可靠性和准确度。

2.3资料处理解释

本次地震数据处理实行目标处理，以高保真、高信噪比、高分辨率为原则，严格加强质量监控措施，精选处理参数，精细处理，并重点加强了以下几个环节：（1）采用了初至折射静校正、自动剩余静校正逐步细化的静校正方法。在绿山初至折射静校正的逐炮拾取阶段，为了保证所拾取的初至折射波，均来自于全区能连续追踪的同一层，建立了精确的近地表模型。在准确求取了绿山所得静校正量后，分离长波长分量及短波长分量，应用短波长分量，解决邻道间的巨烈跳跃现象。在此基础上求取剩余静校正量，求自动剩余静校正量时，应用较好的标志层（煤层反射波），使其达到效果理想而且保真。（2）注重叠前单炮记录净化，在反褶积处理之前尽量将面波、声波等各种干扰波滤除干净。（3）为提高地震资料的分辨率，选择多道统计反褶积方法来归一化地震子波，改善了不同记录道之间波形特征不一致、能量差异过大的现象。（4）处理过程中充分利用各种资料做好速度分析工作，确保了最终剖面上波组特征明显、地质现象清楚、断层断点归位合理、断面清晰。（5）广泛收集区内钻探、测井资料，进行人工合成地震记录，与成果剖面进行对比分析。最终完成2.5×2.5×0.5ms为单元的三维数据体成果。在此基础上，经过特殊处理产生的各种属性数据体。本次地震资料解释利用GeoFrame4.4解释软件包，在SunBlade2000工作站上采用人机联作完成，解释过程中充分利用了工作站优势，从多方位、多角度，并利用多种方法对区内采空区进行了识别与准确定位。全区解释了煤层存在采空区5处，形态、规模大小及塌陷程度各异，后经钻孔验证、实地踏勘及采掘验证，位置及规模等均准确无误。本区煤层采空区，地震时间剖面上表现为T3波同相轴中断，对应区域煤层反射波能量变弱，波形异常，辅助相位排列杂乱、无规律、断断续续。塌陷严重区绕射波强，而且有的从浅部甚至地表开始就有强绕射。下图为不同塌陷的两个采空区时间剖面，图1为规模小、煤层顶板基本完整小采空区，时间剖面绕射波不太发育，煤层有缺失。图2为大片采空，塌陷厉害，地表有裂缝，时间剖面表现为自浅部开始有绕射波极发育。图中，弧长属性主要反映地震波波形特征，本区采空区表现为采空范围内裂缝分布无规律，形成多个波阻抗反射面，多种波混叠，波形复杂无规律。在振幅图上，本区采空区内反射波能量减弱、衰减强烈，穿过空气裂缝发生波的散射，振幅降低，而正常区大面积振幅值比较稳定。在频率属性图中，反映地震反射波频率特征的有瞬时频率、优势频率与频带宽度3种地震属性。瞬时频率属性能揭示地层细节，本区采空区，反映瞬时频率跳跃变化较大。在相位属性图上，能反映出不同地震道反射波排列杂乱特点，本区采空区引起了地震道反射波的不同延时。

3应用效果及待解决的课题

煤矿采空区尤其是以往私挖乱采无资料的小煤窑，给煤矿安全生产带来巨大隐患，给后期工民建、桥梁等建设也带来许多安全隐患。许多物探研究者曾用过许多种方法解决采空区勘探，但许多方法应用都不理想。如目前常用的是瞬变电磁法，只能圈定其大致范围，对具体深度和范围勘探就不敢断言。其存在的问题：（1）施工工艺复杂，地震无论从施工、资料处理解释，专业性都比较强。因此，人才的培养需要一个很长的筛选、成熟过程；（2）时间周期长，如火工品审批及工农关系协调均有许多不可控因素；（3）三维地震勘探人员、设备投入大，地震破坏造成的赔偿大，价格比较昂贵。在目前市场经济中，笔者深刻体会到，许多采空区勘探项目往往是由于价格高，使得业主改选了其他如瞬变电磁方法等。可见，价格昂贵是制约三维地震项目开展的一个难题。业界有人针对这个问题曾提出过改用电火花代替炸药震源，但没有实质性进展，相信假以时日，这些问题会得到解决。

4结论

三维地震能高精度地确定煤田采空区位置深度，并能在一定程度上评价塌陷程度，是一个不可替代的最佳方法。相信三维地震方法，通过不断完善，会越来越成熟，一定会在煤田采空区勘探中的发挥越来越重要的作用。

【参考书目】

［1］何樵登,熊维纲.应用地球物理教程—地震勘探[M].北京:地质出版社,1990.

［2］王振东.浅层地震勘探应用技术[M].北京:地质出版社,.1994.

［3］董敏煜.地震勘探[M].北京：石油大学出版社,2000.

作者:彭红卫 单位:山西省地球物理化学勘查院