井地层析成像法地震勘探在神宝能源公司露天煤矿的应用

张东风，张润廷，缪卫峰

(神华宝日希勒能源有限公司露天煤矿，内蒙古呼伦贝尔021025)

井地层析成像法地震勘探在神宝能源公司露天煤矿的应用

张东风*，张润廷，缪卫峰

(神华宝日希勒能源有限公司露天煤矿，内蒙古呼伦贝尔021025)

神宝能源公司露天煤矿由于历史原因，地方小窑无序滥采滥挖，且开采方式为不负责任的“扒大窑”式的开采，顶板没有任何支护。随着时间的推移，一部分采空区顶板在各种压力的作用下自然塌陷，在地表形成漏斗状的塌陷坑，而一部分采空区依然“悬而未漏”，这些采空区无任何资料记载，且位于露天煤矿采场内及端帮运输道路上，严重威胁着神宝能源公司露天煤矿的安全生产，主要论述了井地地震层析成像技术在神宝能源公司露天煤矿采空区勘探的应用。

采空区井地层析法地震勘探

1 概述

神华宝日希勒能源有限公司露天煤矿，由于历史原因，地方小窑无序滥采滥挖，顶板没有任何支护，这些采空区无任何资料记载且位于露天煤矿采场内及端帮运输道路上，严重威胁着神宝能源公司露天煤矿的安全生产[1]。

同时，神宝露天煤矿采空区的深度较浅，对于浅层地震勘探，一方面反射波信号容易被面波干扰，另一方面浅层反射波和折射波同相轴靠的较近，在地震剖面解释时容易混淆,常规地震勘探效果自然不是很理想。针对神宝露天煤矿特殊的地质条件与小窑采空区高精度的探测要求，拟采用井地地震层析成像勘探方法。

2 井地地震层析成像方法原理

2.1 井地地震方法

井地地震方法（RVSP）[2-3]产生的地震剖面类似于常规VSP，但RVSP的资料采集比较迅速和经济。常规VSP的震源位于地面，检波器置于井中，而RVSP的震源置于井中，检波器位于地面。

井地地震是在井间地震方法基础上提出的设计思想。井间地震是以一口井内激发另一口井内接收的方式，利用地震波穿过岩层介质时其走时、频率、振幅及波形等物理量的变化，通过层析成像技术得到地层内部物性参数分布图像的一种方法，已在不同领域得到广泛应用，数据采集方法和处理手段也比较成熟[5-6]。但由于井间地震观测方式的局限性，使得其研究范围固定在井孔与井孔之间的剖面上，对于井孔周围的其他区域由于没有直接的地震信息，无法推断周围地质构造情况；如果井孔间距远远大于井孔深度，井孔间地震波传播射线大多是水平或近水平的，由前人对不同地质模型反演结果表明，井间地震观测系统覆盖区域面上的垂向分辨率就比较低。不少专家和学者提出了提高垂向分辨率办法：增加垂向或近垂向的射线数量以提高覆盖区域面上的垂向分辨率[7-8]。

井地地震改善了上述井间地震观测方法的缺陷，选择一井孔作为接收井，在井孔四周设计一个尽可能大的激发区域，在工作量一定的情况下，为了保证探测目标上最大覆盖次数和覆盖的均匀性，提高目标层上的成像分辨率，考虑了增大离井口较远的炮检距，减小井口附近炮间距，但偏移距不能太大，以防止其他续至波对初至波的干扰。井地地震方法原理如图1所示。

2.2 层析成像

地震波透射层析成像是利用地震波对于地质体的透射投影，来重新构成地质体内部地震波速度的分布形态，根据地震波速度与地质体的对应关系，进行岩体的分类和评价。

地震波速度和岩体特性一般都具有较好的对应关系，致密完整的岩体地震波速度较高，而疏松破碎的岩体地震波速度较低。对于整个围岩而言，当其是均匀介质时（没有异常体），地震波的穿透速度是单一的，当有低速介质存在时（视为异常体），地震波穿透这些低速介质时则产生时间差（旅行时增加）。根据一条射线所产生的时间差来判别低速介质的具体位置是困难的，因为它的位置可能在整个射线的任何一处，这时如果再有另一条（或多条）射线在同一低速介质中穿透，则这一低速介质就具有了一定的限定，采用相互交叉的致密射线穿透网络，对低速介质在空间上具较强的限定，层析成像就是利用适当的反演计算方法构制速度图像，从而获得低速介质的分布位置。层析成像技术能够通过接收炮点与检波点之间的地震波旅行时，利用计算机技术反演得到勘探区域的速度结构，从而为解决此问题提供了一个切实可行的方法。

图1 井地层析成像方法原理示意图

3 应用实例分析

3.1 井地地震野外施工

图2 测线布置图

如图2所示，本次井地地震勘探工作野外施工钻孔4个，编号为ZK1、ZK2、ZK3和ZK4，根据工区内的钻孔的柱状图，从可以看到，ZK1、ZK4未见采空区，ZK2、ZK3均发现采空。

施工过程中采取孔中炸药激发、地面接收的方式，地面沿东西向铺设10条平行测线，共407道，道距近孔端为10m，远孔端为5m。在孔中自5#煤层以下向上激发，每次提升5m，总共激发100炮。具体观测系统设计如图3所示。

图3 观测系统俯视图

3.2 资料分析

原始资料如图4所示，从图4中我们可以看到记录初至清晰，面貌良好信噪比及分辨率较高。

在对资料初至进行反复多次拾取以保证精度后，根据实际地质资料经试验后确定800m/s作为本区层析反演的初始速度模型，速度约束范围为800～3000m/s，网格采用5m×5m×5m进行层析反演，得到的三维速度场反演结果纵向分层较好，横向上具有连续性，与地质资料吻合较好。

采用的井孔—地面多孔联合层析成像方法是地面接收，多孔依次激发，一次反演成像，具有施工方便、精度高的特点，最终得到的三维数据体，可提取任意方向切片，方便解释工作，实现了对采空异常体的准确定位。

对层析反演结果沿测线方向提取2个剖面图如图5所示，由剖面图可见纵向上速度递变明显，横向上成层性较好，速度异常区域也较显著，从图5中我们可以看到速度异常区域明显直观，精度高，与实际钻孔资料相吻合。在钻孔ZK2、ZK3处有明显的低速异常，在与钻孔ZK2、ZK3处未见低速异常，钻孔资料相吻合。

4 结束语

通过井地CT方法在神宝露天煤矿的应用，提出疑似采空区8个，通过对勘探处的疑似采空区位置进行打钻验证，经钻探验证发现6个采空区，准确率为75%，并及时进行了治理，消除安全隐患。

图4 原始资料图

图5 反演结果剖面图

在实际的采空区勘探过程中根据要探测的采空区的大小，要求地球物理方法探测采空区要有很高的分辨率。地球物理方法的分辨率取决于目标体的埋藏深度，越浅分辨率越高。为此要在不同的阶段采用不同的地球物理方法，采空区的勘查和治理应该是一个动态过程。

采空区的探测是一项十分困难的工作，本区由于小煤窑开采方式多采用房柱式，采空区的存在形式有冒落、空洞、部分冒落和巷道等，对采空区的存在形式确定有较大难度。单一的物探方法很难达到勘探目的，可采用多种物探方法与钻探方法相结合的方法来进行采空区的勘探，从而提高采空区勘探准确性，消除安全隐患。

[1]内蒙古煤矿设计研究院.神宝能源公司露天煤矿改扩建可行性研究报告[R].2010.

[2]胡明顺.井地地震CT成像数值模拟研究与应用[J].地球物理学进展，2009（4）.

[3]李红立.井地地震CT技术及其应用[J].煤田地质与勘探，2008（3）.

[5]裴正林.井间地震层析成像应用研究[J].勘察科学技术,2001 (2)：56-57.

[6]刘跃华，赵殿栋，于世焕，等.井间地震野外采集方法试验研究[J].石油物探,1999,38(4)：74-75.

[7]陈国金，曹辉，吴永检，等.最短路径层析成像技术在井间地震中的应用[J].石油物探,2004,43(4)：327-330.

[8]宋炜，罗大清，吴律，等.双井与地面数据集的透射与反射层析成像[J].石油地球物理勘探,1999,34(2)：149-154.

P631.4

B

1004-5716(2015)03-0153-04

2014-07-03

2014-08-07

张东风（1962-），男（汉族），山东德州人，高级工程师，现从事露天煤矿采矿、经济、安全管理工作。