复杂地质煤矿中三维地震动态解释技术及应用

李 忠

(大同煤矿集团 同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037101)

·试验研究·

复杂地质煤矿中三维地震动态解释技术及应用

李 忠

(大同煤矿集团 同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037101)

针对常规三维地震解释在复杂地质条件采掘过程中地震信息利用率较低的情况，提出三维地震动态解释技术。以同发东周窑煤矿为工程背景，对三维地震部分区域进行动态解释分析，为5200工作面的布置及工作面平巷掘进进行精细解释、实时导向，提高了三维地震信息利用水平。通过实践可知，三维地震动态解释技术能够为复杂地质矿井准确有效地解决地质问题，确保矿井安全高效生产。

复杂地质煤层；三维地震；动态解释

近年来，三维地震勘探技术在煤矿得到了广泛的应用，其成果包含了地下构造及岩性信息，为煤矿勘探提供了理论基础；且与其他勘探方法相比，其勘探周期短、精度高，因此在煤矿勘探阶段得到普遍认可[1-4]. 但在煤矿采掘过程中，特别是复杂地质构造条件的矿井，为保证安全高效生产，采区内小断层、陷落柱、异常区、火成岩侵入区、煤厚变化带等重要地质构造亟待查明，准确预测、实时导向采掘工作面就显得尤为重要[5-6].

然而，常规三维地震在煤矿实践应用中存在诸多问题，造成地震资料与实践不能完全结合，成果利用率低，不能充分指导采掘工程。

1 煤矿常规三维地震资料应用存在的问题

1) 地震成果利用率低，成果一般为煤层底板等高线图和固定间距的地震时间剖面，无法有效利用三维地震数据体的所有信息。

2) 地震成果与矿井实践结合度低，无法获得任意方向的地震剖面，以对具体采掘进行实时导向。

3) 三维地震解释一般仅保证查明5 m以上断层，但在掘进和回采过程中，5 m以下断层仍严重影响采掘工程。

4) 解释成果中的煤层底板等高线存在一定误差，采掘工程中会实际揭露具体标高，但无法与实际地质信息结合而自动修正煤层底板等高线图。

因此，提高三维地震成果利用水平，发展煤矿三维地震数据动态解释技术十分必要，以便更准确有效地解决地质问题。

2 三维地震数据动态解释系统

三维地震动态解释技术主要依靠三维地震数据动态解释系统实现。该系统基于SUN工作站，利用GeoFrame软件进行动态数据管理。动态解释系统包括数据管理、地震解释平台、地震属性技术、工业化成图等4个主要模块，其功能主要有：

1) 数据管理模块。包括：a) 地质钻孔资料的管理。b) 煤矿采掘工作面坐标的加载。

2) 地震解释模块。包括：a) 三维工区管理。b) 地震数据底图及时间剖面的显示。c) 地震标准层位追踪。d) 构造解释。

3) 地震属性技术。包括数据的方差体属性、振幅属性、蚂蚁体属性、倾角属性等技术。

4) 工业化成图模块。包括：a) 输出任意比例的底板等高线图。b) 生成横竖方向不同比例的任意方向地质剖面图。c) 地震数据三维可视化显示。

三维地震数据动态解释系统具有以下特点：

1) 系统功能完备。a) 结合方差体、蚂蚁体等技术进行5 m以下小断层、小褶曲解释。b) 根据采掘需求，生成任意方向地震时间剖面及地质剖面，进行实时导向。c) 可结合采掘揭露煤层底板具体标高，生成及修正底板等高线图。

2) 系统稳定性好，可操作性强。可长期稳定运行，便于矿井地质人员实时操作。

综上所述，三维地震数据动态解释系统可完全解决常规三维地震资料应用存在的问题，为复杂地质条件煤矿提供准确、及时、有效的地质信息。

3 应用实例

3.1 应用背景

同发东周窑井田位于山西省左云县东，东起东周窑村，西至左云县城东，北起云西堡村，南至井儿沟村，东西长15.8 km，南北宽14.4 km，面积119.128 8 km2，主采石炭系5#煤层，设计年产量1 000万t，矿井服务年限96.8年，井田内地质构造复杂，火成岩侵入严重。

依据井田西北部面积约10 km2的常规三维地震解释，选取部分区域作为工程实例。在DF13(H=18～36 m)与DF30(H=57 m)之间的区域仅有3条H=0～8 m的可靠断层(其中一条可靠，两条疑似)，一个疑似陷落柱，因此布置3个工作面较可行，对石炭系5#煤层进行回采，见图1.

图1 5#煤层三维地震勘探成果局部图

3.2 结合属性分析小构造

矿井采掘过程时，落差5 m以下的断层仍对采掘工程影响较大，会造成煤巷不能高效掘进，回采工作面推进速度减缓等问题。因此，有必要通过三维地震动态解释系统对此区域进行高精度解释，分析小构造，为矿井采掘进行预测。具体技术应用如下：

1) 充分利用方差体属性技术。方差体技术理论基础为误差分析理论，可以利用相邻地震道之间信息的相似性来描述地层、岩性等非均匀性。对于在地震剖面上不易显示的断层、岩性突变以及异常体，在方差体上可以直观地显示出来，尤其是解释小断层的空间分布有较好的效果。本区域方差体属性图见图2.

图2 区域方差体属性图

2) 应用精细化解释技术。常规三维地震剖面网格一般解释为40 m×40 m，因此解释小断层较困难，精细化解释可结合相干体属性图显示的构造，进行加密解释，直到解释出小断层为止。

3) 对于异常区，可结合钻孔、现场钻探等地质信息，综合分析。

通过以上技术，解释出此区域内存在32条断层及一个煤层异常区。其中16条断层落差小于5 m，煤层异常区在5200工作面内，见图3.

图3 区域精细解释构造图

三维地震解释时异常区内5#煤层存在两个强反射轴，时间剖面见图4. 解释结果可能为两个断层构成的地堑，也可能是向斜构造。若为前者，由于断层走向与工作面走向一致，且展布较长，对工作面影响较大，需要重新规划工作面位置。后补打钻孔，可知5#煤层在异常区存在分层现象，见图5. 结合钻孔资料，可知是由于煤层分层造成数据处理时出现反射轴不连续的假象。综合分析，得出异常区为向斜构造，最大倾角18°、平均8°，可按原规划方案进行，到向斜处加强措施提前预防即可，向斜位置见图6.

图4 异常区时间剖面图 图5 补打钻孔柱状图

图6 8200工作面向斜位置图

3.3 结合现场揭露点修正底板等高线

现场采掘揭露点通过数据管理模块加载后，读取相应时间剖面双程旅行时，可作为动态数据，实时更新底板等高线，提高底板等高线精度，见图7. 图7a)为常规三维地震提供的5202工作面部分等高线图，图7b)为结合两处平巷见煤点(图中标识)后修正的相应等高线图，加粗等高线为修改部分。

动态解释系统成图模块也可作为成图工具，加载矿井任意处的构造数据及钻孔、具体见煤点数据，能够准确有效地生成底板等高线图。

图7 三维地震生成5202工作面部分等高线图

3.4 实时导向采掘工程

常规三维地震解释过程中，追踪层位与构造解释时一般为40 m×40 m，成果中的底板等高线已经过软件自动插值，不可能完全对应时间剖面。若以底板等高线为依据进行采掘指导，则存在一定误差。

三维地震动态解释系统可依据任意坐标要求生成时间剖面，读取具体双程旅行时，再依据附近见煤点标高及其双程旅行时，可计算出剖面中各点具体标高。最后结合具体构造，可生成相对准确的地质剖面图。

式中：

H1—剖面上需计算的具体点标高；

H—附近见煤点标高；

Δt—H与H1双程旅行时间差；

V—附近见煤点时间与标高的拟合速度。

以5200工作面为例，对5200回风巷进行动态分析，计算后生成地质剖面，见图8(为体现煤层起伏度，纵横比为4∶1)，开口标高911 m，构造包含断层1条、火成岩侵入区1处、煤层变薄区1处。

现场实践中，5200回风巷开口处煤层底板标高908 m，误差率在埋深1.5%内，如图8所示，煤层开口160 m处有H=4 m断层，为躲避断层，提前调整坡度，结合煤层较厚的特点现场沿顶掘进，最大限度

图8 5200回风巷三维地震预测及巷道实测剖面图

地保证巷道在煤层中掘进，现场揭露断层H=2 m，位置偏差17 m，符合小断层解释精度。综上所述，实时导向功能极大程度地为安全高效生产提供保障。

4 结 语

煤矿三维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，实时导向，可极大提高三维地震信息利用水平，能够为复杂地质矿井解决更多的地质问题，确保矿井安全高效生产。

[1] 彭苏萍，袁 亮.淮南煤矿三维地震勘探技术应用与效果[J].安徽地质，2011，21(2)：95-99.

[2] 张进铎.地震解释技术现状及发展趋势[J].地球物理学进展，2006，21(2)：578-587.

[3] 赵立明，崔若飞.全数字高密度三维地震勘探在煤田精细构造解释中的应用[J].地球物理学进展，2014(2)：2332-2336.

[4] 念奂垒.镇城底矿三维地震勘探技术的应用和研究[J].山西焦煤科技，2012，36(11)：9-12.

[5] 杨德义，赵 镨，王 慧.煤矿三维地震勘探技术发展趋势[J].中国煤炭地质，2011，23(6)：42-55.

[6] 赵 镨，武喜尊.高密度采集技术在西部煤炭资源勘探中的应用[J].中国煤炭地质，2008，20(6)：11-15.

Three Dimensional Earthquake Dynamic Interpretation Technology and Application in Complicated Geological Coal Mines

LI Zhong

Targeted the situation that the seismic data utilization rate is low in the mining under complex geological conditions, the three-dimensional seismic dynamic interpretation technique is proposed. Taking the Dongzhouyao Coal Mine as the study object, dynamic interpretation are carried out on the areas of three-dimensional seismic, and detailed interpretation and real time guiding are implemented for the layout of the No.5200 working face and the tunneling. The practice show that three-dimensional seismic dynamic interpretation technology is practical, accurate and efficient, and be conducive to mine safety and efficiency.

Complex geological coal seam; 3D earthquake; Dynamic interpretation

2017-01-23

李 忠(1989—)，男，山西右玉人，2013年毕业于中国矿业大学，助理工程师,主要从事煤矿开采技术研究

(E-mail)Lz023@163.com

TD163+.1

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1672-0652(2017)02-0007-04