三维地震勘探技术应用于韩城桑树坪井田采空区探测的方法研究

刘芳晓，赵禄顺，李元杰，王晓亮

（中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

三维地震勘探技术应用于韩城桑树坪井田采空区探测的方法研究

刘芳晓*，赵禄顺，李元杰，王晓亮

（中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

以韩城桑树坪井田为例，从数据采集、处理和解释三个环节介绍了三维地震勘探技术在采空区探测的应用，突出时间剖面解释和切片属性分析在采空区判断和范围划分的重要性，为地面探测复杂地形地区煤矿采空区提供了方法依据。

三维地震勘探；采空区；时间剖面；属性分析

当前由于煤矿采空区导致的安全生产和生态环境保护问题日益严重，对采空区进行探测和治理已经引起国内外学者和政府部门的高度重视。准确圈定采空区，不仅能够为采空区的科学的处理争取时间，还可以最大限度地减小采空区对环境的破坏，避免各种经济损失。但是由于煤矿开采前期资料的匮乏以及长期以来小煤窑的乱采乱挖，使得采空区形态复杂，无章可循，通过地面地质调查和钻探工程无法准确探明采空区的形态和位置。而物探工作者针对煤矿采空区相继开展了重磁、电法、放射性、二维地震等勘探方法的生产和研究，取得了很多实用性的成果，但由于受各种地球物理方法的探测机理、分辨能力、假设条件及影响因素的限制，其探测效果也不尽相同，往往难以取得理想的地质效果。近年来，三维地震勘探技术的推广应用，以其独具的信息量大、分辨率高、控制网度密等优点，使得探测地下几百米深的直径几十米甚至更小的采空区成为可能。

韩城桑树坪井田及周边小煤窑较多，小煤窑的无序开采直接影响到桑树坪煤矿的工作面布置和巷道的掘进安全，同时严重破坏了当地的生态环境。本文以韩城桑树坪井田为例，论述三维地震勘探技术应用于煤矿采空区探测的实用性和可行性，该成果为该煤矿的生产设计、安全生产以及生态环境保护提供了可靠的地质依据。

1 井田概况

韩城桑树坪井田位于陕西渭北石炭—二叠纪煤田东部边缘。渭北煤田的大地构造位置在不同地质历史时期，随区域大地构造背景的演化而改变。古生代，渭北煤田位于华北板块西南缘；中生代，渭北煤田位于鄂尔多斯盆地东南缘；新生代以来，渭北煤田位于汾渭地堑西北缘。因此，自石炭-二叠纪煤系沉积以来，渭北煤田经历了多次不同性质、不同方向的构造变动。

井田范围内，出露地层由老到新依次为：奥陶系中统马家沟组、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、石千峰组及第四系。其中井田的含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组。太原组厚度43.01～112.61m，平均61.71m，共含煤8层，其中仅位于该组中下部的11号煤层为主要可采煤层，煤层平均厚度3.50m。山西组厚度49.83～100.68m，平均61.49m。该组共含煤5层，其中3号煤层为主要可采煤层，2号煤层为局部可采煤层，可釆煤层总平均厚度为7.21m。

2 地球物理特征

2.1 表层地震地质条件

测区内沟谷纵横，多呈“V”形地貌，地形高差较大。地表出露的二叠系红色泥质砂岩地层常形成较陡的滑坡，粉砂岩区多形成深沟或者悬崖峭壁以及崩塌堆积场，攀越困难。区内村庄和花椒树地较多，影响激发接收效果和地震测线的布置。表层地震地质条件较差。

2.2 浅层地震地质条件

测区内基岩和黄土塬均有分布，基岩出露较多。基岩能够较好地传播地震波，能量损失较小，激发效果较好。黄土塬的黄土对地震波有较强的吸收散射和低通滤波作用，降低了地震波的能量和频率，激发效果不佳。因此浅层地震地质条件较好。

2.3 深层地震地质条件

测区内地层自下而上有中奥陶统下马家沟组、上马家沟组、峰峰组，石炭系中上统本溪组及太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组、石千峰组及第四系更新统和全新统。含煤地层为石炭—二叠系，煤层顶、底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等，其饱和抗压强度均小于30MPa，属于软弱岩石，二者之间波阻抗差异较大，具有形成反射波的良好条件。但测区局部的3煤层已经开采，可能对11煤层、奥灰的反射波形成存在较大影响。

综上所述，本区表层地震地质条件较差，浅、深层地震地质条件相对较好。

3 地震数据野外采集和处理

3.1 地震数据野外采集

通过试验工作确定了地震数据野外采集参数。野外观测系统采用8线8炮制（图1），单线96道中点放炮，道间距10m，线距40m，炮排距80m，CDP网格为5m（纵向）×10m（横向），叠加次数24次(横向4次，纵向6次)，最小非纵距10m；激发条件为单井激发，厚黄土覆盖区，钻孔打到粘土层中，药量3.0kg；薄黄土覆盖区，钻孔打到基岩面或粘土层，药量2.0kg；基岩出露区，井深4m，药量1.5kg；检波器采用60Hz二串二并堆放插置；仪器使用加拿大产ARIES遥测数字地震仪，记录的数据格式为SEG-Y，仪器前放增益用24dB，0～500Hz全频带接收，采样间隔1ms，记录长度1.5s。线束方向布置遵循一般垂直地层走向和主要构造走向的原则，呈东西向布置。

图1 8线8炮制观测系统示意图

3.2 地震数据处理

本次地震资料处理是在我公司Sun BIade2000工作站上进行，使用了多套大型处理软件，本着“高信噪比、高分辨率、高保真度”的原则，加强对处理模块和参数的反复试验，确定了本次地震资料处理流程。

3.2.1 初至折射静校正

由于地表高程及地表低（降）速带厚度、速度的横向变化使得地震波旅行时差会对信号的叠加效果产生一定的不利影响，致使反射波同相轴信噪比下降、频率降低。应用合适的静校正模块和参数，可以消除这种时差，确保叠加剖面的质量。测区属典型复杂山区，最低高程481.99m，最高高程919.61m，最大高差为437.62m，地表低、降速带地层的横向变化较大。经过对比试验，初至折射校正法可以较好解决该地区的静校正问题。

3.2.2 反褶积技术

为了消除大地的滤波作用，拓宽频带，压缩地震子波，提高地震资料的纵向分辨率，经大量的测试对比后，选择了地表一致性预测反褶积。该方法是基于地震子波可以被分解为共炮点、共接收点、共偏移距、共反射点等多种成份的思想，它不仅能压缩地震子波，而且能进一步消除地表条件的变化对地震波的振幅特性和相位特性的影响，同时对多次波也有压制作用。由于反褶积在提高分辨率的同时将会降低资料信噪比，所以处理时在保证资料信噪比的情况下再提高分辨率。经对比分析，最终选定的处理参数为：预测步长8ms，算子长度150ms。

3.2.3 速度分析和剩余静校正

速度分析的精度和剩余静校正的准确程度是相互影响的，为求取更准确的叠加速度场，必须求取准确的剩余静校正量。剩余静校正的求取是在给定的条带、时窗、倾角范围内，在纵横两个方向进行倾角调查形成模型道，在共炮点道集和共检波点道集做互相关，求取每个炮点、检波点的剩余静校正量，因此在选择时窗时要对层位的拾取进行试验。剩余静校正和速度分析是一个反复迭代的过程，迭代的次数在一定程度上影响着处理的精度。在本次资料处理过程中，进行了3次迭代分析，剩余静校正后剖面目的层同相轴连续性明显提高，剖面质量得到了明显改善。

3.2.4 叠后去噪

叠后去噪是利用相邻地震道之间的反射波具有相似性而干扰波不具有相似性的这种特点使相干波得以加强的处理方法。利用相关函数测定2个以上记录道时间序列的相似程度，按相似程度的大小对记录进行加权，使得相似性好的波得以加强。本次资料处理选择多项式拟合方法来提高叠后信噪比。提高信噪比的同时影响剖面的分辨率，在叠后采用谱白化方法进一步提高频率，得到高分辨高信噪比资料。

3.2.5 三维偏移

三维偏移的主要目的是消除地下倾斜界面对反射波的影响，使之成像归位到真实的反射界面位置上去，从而正确地反映地下形态和构造变化情况。有限差分偏移的效果主要决定于偏移速度，我们选用叠加速度经过转换建立偏移速度模型，并进行了反复测试和调整。用人工剔除奇异值，采用机器自身平滑，对速度的百分比进行偏移试验。经对比，95%的偏移效果较好。

4 采空区的时间剖面特征和切片属性特征分析

4.1 采空区的时间剖面特征

三维地震勘探成果包含了丰富的地质信息，其中包含采空区的地质信息，用来解释煤层的采空区范围。在时间剖面上采空区表现有3种现象，其一是煤层反射波变弱，在采空区边界处反射波同相轴频率和产状发生突变，在采空区内部反射波同相轴不连续且杂乱无章；其二是煤层反射波同相轴的变弱，频率和产状变化较大，与周围非采空区煤层反射波存在明显差别，而且煤层反射波之下的层位反射波同相轴增强，频率和产状突变，从整张剖面来看无采空区的地段煤层反射波较强，其下伏层位反射波很弱，而有采空区的地段煤层反射波同相轴表现微弱，其下伏层位反射波同相轴较强，形成明显反差；其三在地震时间剖面上表现为煤层反射波缺失。

以韩城桑树坪井田为例，根据前人资料和矿方提供的采掘工程资料得知，井田内部，3号煤层正常采掘范围比较集中，2号煤层和3号煤层的老窑采空区比较分散。本次三维地震勘探圈定了采空区主要位于测区的东部以及中南部。根据采空区在三维地震勘探资料上的显示特征（图2、图3），解释了采空区的范围，面积约0.98km2。

图2 采空区在Croossline444线时间剖面上的显示

4.2 采空区的切片属性特征

地震属性技术的关键在于属性提取，提取方式包括同相轴属性提取和数据体属性提取。同相轴属性是与某个界面有关的地震属性，具体提取方法包括瞬时提取法、单道分时窗提取法和多道分时窗提取法。

利用地震属性分析，有利于采空区边界的界定，利用Geoframe解释软件，提取了26种地震属性，选择了对采空区反映较好的弧长、均方根振幅、最大振幅和能量和四种地震属性参与了解释，对采空区范围的判别和划分起到了很好的辅助解释作用。

5 结论

三维地震勘探技术应用于韩城桑树坪井田采空区探测获得了很好的效果，诸多成果得到了钻孔和实际采掘工程的验证，进而在三维地震勘探技术应用于复杂地形采空区勘探领域取得了重要的技术和生产经验。尤其值得注意的是，在数据解释方面，时间剖面解释和切片属性分析在采空区判断和范围划分具有同等重要的地位，二者相辅相成，兼顾彼此是提高采空区解释精度的关键。

图3 采空区在Inline340线时间剖面上的显示

[1] 李丽萍.应用反射波动力学特征解释煤层的研究[J].煤田物探,1999(10).

[2]熊章强,方根显.浅层地震勘探[M].北京：地震出版社,2002.

[3]程建远.三维地震资料微机解释性处理技术[M].北京：石油工业出版社,2002.

[4] 杨双安,宁书年.老窑采空区的地震探测与研究[J].中国煤田地质,2004(2).

[5]程建远,张广忠,李林元,朱红娟,杜赛珠.老窑采空区地震探测新技术及其应用前景[J].中国煤田地质,2003(10).

[6]刘菁华,王祝文,朱士，等.煤矿采空区及塌陷区的地球物理探查[J].煤炭学报,2005(6).

[7] 卢君实,郭震,禹凤林.辽宁煤矿采区地震勘探应用现状与前景[J].煤炭技术，2007(6).

[8]靳聚盛.地震勘探方法圈定老窑采空区[J].中国煤田地质，1998,10(3).

[9] 牛跟彦.超浅层地震勘探技术在小煤窑采空区中的应用研究[J].中国煤炭，2012(6).

[10]唐汉平.复杂地震地质条件下煤矿采空区三维地震勘探技术[J].中国煤炭,2013(12).

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1004-5716(2015)02-0153-04

2014-09-16

2014-09-19

刘芳晓（1986-），男（汉族），山东烟台人，助理工程师，现从事煤田地震勘探工作。