滨湖煤矿深部及陆—湖区域三维地震勘探技术研究

邓 涛 王思栋 张历峰 史永理

(1.枣庄矿业(集团)有限责任公司滨湖煤矿，山东省滕州市，277515；2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东省青岛市，266590)

★ 煤炭科技·地质与勘探★

滨湖煤矿深部及陆—湖区域三维地震勘探技术研究

邓 涛1王思栋1张历峰1史永理2

(1.枣庄矿业(集团)有限责任公司滨湖煤矿，山东省滕州市，277515；2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东省青岛市，266590)

为了进一步查明滨湖煤矿161采区地质构造、煤层赋存特征，进行了高分辨率三维地震勘探。针对勘探区属于陆—湖区域且埋藏深度大、地表地物较多等复杂的表层地震地质条件，提出了陆—湖—深部三维地震勘探的“叠前—叠后—去噪”的高效处理技术和方法，提高了构造的探测精度，查明了主要煤层的赋存状况及底板起伏形态，并掌握了第四系底界面、侏罗系底界面、奥陶系顶界面赋存形态等。总结了三维地震勘探技术在陆—湖地表条件下对地层、构造及煤层的探查结果，为今后类似地震地质条件下的施工、数据处理提供借鉴。

滨湖煤矿 高分辨率三维地震勘探 三维偏移 地表一致性反褶积技术

三维地震勘探技术是进行构造探查的最主要工具之一，尤其是小断层、褶曲、陷落柱、火成岩分布、采空区等高效探查，为矿井的开发决策、巷道布置与开拓提供了可靠依据。在煤田勘探中，目前三维地震勘探的发展速度很快，高分辨率三维地震勘探的应用越来越多，小型断层等小构造地质目标的探查精度不断提高，极大地改善了地震勘探的可靠程度，减少了在矿区采前勘探中的钻探工程量，降低了勘探成本，为煤矿采区巷道和工作面的布置提供了可靠的基础资料，对煤炭安全高效开采具有重要的意义。但赋存深度大、复杂地表条件下三维地震勘探的野外施工、数据采集、数据处理及解释，仍是制约数据精度的主要原因之一，尤其是当勘探区属于陆-湖区域，地表地物较多，表层地震地质条件复杂。本文以山东省滕州市滨湖煤矿为例，总结三维地震勘探技术在陆-湖地表条件下对地层、构造及煤层的探查结果，为今后类似地震地质条件下的施工、数据处理提供借鉴。

1 矿井及地质概况

1.1 矿井概况

滨湖煤矿位于山东省滕州市和微山县境内，井田面积44.02 km2。区内湖区和陆地地势平坦，东部陆地部分地面标高+35.5 m，向西南方向湖区缓慢下降，湖区湖底标高+32.5 m，地面坡度为0.7%。矿区处于南四湖的上级湖，也是组成南四湖之一的昭阳湖，上级湖承受来水流域面积为28116 km2。施工区为161采区西部，位于井田的中西部，面积约4.5 km2，地面小部分为村庄，大部分为鱼塘、湖区。采区内少量钻孔揭示太原组16#煤层赋存深度为500～950 m。

1.2 地质概况及地震地质条件

本区地层区划属华北地层区鲁西地层分区济宁地层小区。滕县煤田位于华北地台、鲁西地块内鲁西南凹陷区、成武—滕县凹陷的东部。滨湖矿区位于滕县背斜北翼的西部，其构造特点与滕县煤田北部基本一致，南部为隐伏露头，受煤田总体构造影响，区内断层较发育，以北东向高角度(倾角大于65°)正断层为主，褶曲以不完整的宽缓褶皱为主，煤系地层东南部浅、西北部深，总体上看是一个被数条断层切割的宽缓向斜，局部地段有岩浆侵入，属中等构造复杂程度。区内地层自下而上依次有奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系和第四系。基岩地层隐伏发育，地层倾角较缓，一般为5°～8°，平均为6°。含煤地层为太原组。

通过资料分析，本区域对于地震勘探有利条件有：地势平坦，潜水位较浅；目的层倾角平缓； 16#、17#煤层顶板为石灰岩，煤层与围岩物性差异大。不利条件有：低速带厚，表层流沙发育并在局部有砂石层，成孔困难；上覆地层中有较厚的侏罗系地层及底砾岩；主要目的层16#煤层较薄；渔业发达，地表鱼塘、鸭棚较多。经综合评价，本区表层地震地质条件较复杂，但中、深层地震地质条件较好。

2 野外施工方法及数据采集

2.1 野外施工方法

观测系统选择合理与否会直接影响勘探效果和精度，根据本区地震地质条件及探测任务，结合本区试验资料最终确定合理、高效的施工方法。

(1)三维观测系统排列方式。束状10线12炮制，中点发炮；接收道数10×72=720道(-600 m以浅为10×60=600道)；接收线距60 m；接收道距20 m；最小非纵距10 m；最大非纵距410 m；最大炮检距828.55 m(-600 m以浅为726.7 m)；炮线网格为20 m(横向)×120 m(纵向) (-600 m以浅纵向为100 m)；CDP间隔为10 m(横向)×10 m(纵向)；覆盖次数为6次(纵向)×4次(横向)。

(2)激发方式。采用单井12 m井深、1.2 kg TNT高速成型炸药填土闷孔激发。

(3)接收方式。陆地采用4个100 Hz 检波器2串2并组合接收，沼泽、鱼塘采用VS4沼泽检波器并加长0.5 m尾锥。

(4)采用仪器。仪器型号为428XL多道遥测数字地震仪；记录长度为1.5 s；记录格式为SEG-D；磁带记录密度为6250 bpi；采样间隔为0.5 ms；接收道数为720道；仪器频带为全频带接收。

2.2 数据采集

勘探区地表条件复杂，测区大面积覆水，芦苇丛生，鱼、蟹塘密布，所采用的施工工艺与陆地相比有较大的差别。本次采用VS4沼泽检波器并加长0.5 m尾锥沉底埋置方式，激发震源选用高爆速炸药。成孔时工人在机船上作业，打到预定深度后用塑料管将空口罩住，以便于下放TNT成型炸药。采用防水检波器，用特殊工具把检波器插入湖底的泥层中，并且要求检波器穿过淤泥，放线班长及现场技术人员监控插置质量。采用以上措施可保证检波器与大地的耦合效果良好。

本次共完成三维地震测线9束，检波线50条，炮线113条，试验点2个，特别观测点1个。施工面积9.67 km2，控制面积4.5 km2。共获得野外记录2585张，其中甲级记录1736张，乙级记录811张，合格记录20张，废记录19张；甲级率67.68%，成品率99.26%。

3 数据处理与解释

3.1 数据处理

针对原始资料特点，三维地震资料处理叠前主要采用三维地表一致性振幅补偿、三维地表一致性反褶积、精细速度分析，叠后采用具有吸收边界的差分法波动方程三维一步法偏移，并用钻井等实际资料进行了约束。去噪时在保证信噪比前提下最大限度地提高了地震资料的分辨率，使目的煤层有效波主频范围达到40～80 Hz，成果剖面质量有了较大提高，这主要表现在以下几个方面：

(1)去噪方法、参数选取适当，叠前采用高通滤波使得面波得到较好压制，叠后又采用随机噪音衰减，提高了剖面的信噪比，信噪比曲线显示程度较高，多数成果剖面上主要煤层反射波组突出、能量强、同相轴品质及连续性好，使该区获得了较好的成像效果。

(2)三维偏移可使倾斜界面反射归位到地下真实位置、绕射波收敛和波的干涉现象分解，从而正确地反应地下构造形态及其变化情况。通过对速度进行平滑处理，建立了适合本区构造形态的三维偏移模型。本区三维偏移方法采用CGG波动方程有限差分三维一步法偏移，具有精度高、频散低、边界吸收整洁等特点，对截距时间τ(8 ms、12 ms、16 ms、24 ms)和偏移速度γ(80%、85%、90%、95%、100%、110%)进行了扫描测试，最终确定τ=16 ms，γ=100% 。三维偏移后的时间剖面分辨率高，能量强，归位准确，细小地质异常成像清晰。偏移前后效果对比如图1所示。

(a)偏移前 (b)偏移后 图1 偏移前、后时间剖面图

(3)叠前采用了地表一致性反褶积技术，使剖面低频干扰得到较好压制，高频信号得到补偿，频带得到展宽。处理的剖面分辨率高，层次清楚，使各煤层都能达到较好的成像效果。

(4)本次地震资料处理工作进行了3次速度分析，第一次速度分析用于求取第一次剩余静校正量，第二次速度分析用于求取第二次剩余静校正量，在两次剩余静校正的基础上，参照时间剖面同相轴选取时窗，进行了第三次速度分析。多次迭代速度分析及加密网度等措施保证了速度分析准确性，为叠加和偏移打下了良好的基础。

3.2 数据解释

本次地震资料的解释工作是在山东中煤物探测量总公司工作站上进行的，工作站具有解释、绘图、钻井数据管理、时深转换、分析计算及多窗口、多种显示方式等功能，操作方便灵活，给地震解释人员提供了快速度、高效率、高质量、全方位综合解释的强有力工具。利用工作站交互地震地质解释系统，在处理后的三维数据体上进行了人机交互解释。

三维资料处理后得到一个三维偏移数据体，是三维资料解释的依据，具体解释方法是以垂直时间剖面为主，并用水平切片对垂直时间剖面解释的结果进行检查，具体步骤见图2。

图2 资料解释流程图

本次资料解释利用43-17号孔制作人工合成记录，确定煤层反射波的地质属性。通过合成地震记录的标定地质层位，证实了在解释中地震资料分析结果的正确性。本区资料控制面积4.5 km2，获得空间和时间采样间隔为5 m×5 m×0.5 ms的三维数据体1个，如图3所示。

图3 三维数据体示意图

通过本区的人工合成地震记录及正演模型，与井旁地震时间剖面对比，确定本区主要有以下几组有效地震波发育，且具有明确的地质意义。

(1)TQ波——来自第四系底界面的反射波，是解释第四系底界面深度的依据。

(2)TJ波——来自侏罗系底界面的反射波，是解释侏罗系底界面深度的依据。

(3)T10波——来自以十下灰岩及16#煤层为主形成的反射波，波形特征明显，能量强，全区可连续追踪，是解释16#煤层构造及煤层赋存状况的主要依据。

(4)To波——来自奥陶系顶界面的反射波，是解释奥陶系顶界面深度的依据。

4 地震地质成果

4.1 第四系底界面的控制

由三维区5 m×5 m的地震CDP网格与8个钻孔共同确定区内第四系底界面深度。在资料解释过程中，利用TQ波与下伏地层的不整合接触关系寻找不整合点，确定其底界面的反射波。区内第四系底界面深度变化不大，全区第四系底界面深度为95～135 m，总体为北部浅南部深。

4.2 侏罗系底界面的控制

由三维区5 m×5 m的地震CDP网格与9个钻孔共同确定区内侏罗系底界面深度，并且TJ波追踪对比工作是在40 m×40 m网格的时间剖面上进行的。在资料解释过程中，利用TJ波与下伏地层的不整合接触关系寻找不整合点，确定其底界面的反射波。区内侏罗系底界面深度变化较大，标高为-315～-680 m，全区侏罗系底界面深度的变化总体为东北部浅西南部深。

4.3 16#煤层埋藏深度

探查表明区内16#煤层底板标高为-420～-965 m，西南部赋存较深，东北部赋存较浅，如图4所示。16#煤层底板深度由地震资料、钻孔及巷道共同确定。本区钻孔多达11个，且勘探区有巷道揭露，利用巷道见煤点42个，由时深转换曲线分析时深点离散，时深点离散值均在8 m之内，形成的16#煤层底板标高与已知点相比误差最大为7 m。因此16#煤层底板控制精度较高。

图4 16#煤层底板标高空间示意图

4.4 奥陶系顶界面的控制

由三维区5 m×5 m的地震CDP网格控制与1个钻孔共同确定区内奥陶系顶界面深度。在资料解释过程中，利用To波与上部16#煤层的间距确定奥陶系顶界面的反射波。区内奥陶系顶界面深度变化较大，标高为-470～-1020 m，全区奥陶系顶界面的深度变化总体为东北部浅西南部深。

4.5 新旧构造方案对比

本次三维地震勘探全区共组合断层15条，与原构造方案对比基本一致的断层有3条；修正的断层1条，即对孟口断层的平面位置进行了修正，本次探查的孟口断层较原位置向东偏移了530 m，如图5所示；新发现的断层有10条，有DF1、DF2、DF3、DF4、DF5、DF6、DF7、DF8、DF10、孟口支一断层；否定的断层2条，即大刘庄断层及大刘庄支一断层，如图6所示。

图5 修正的孟口断层处时间剖面图

图6 否定的大刘庄断层、大刘庄支一断层处时间剖面图

5 结论

(1)研究区属于陆-湖区域，地表地物较多，表层地震地质条件复杂，为三维地震勘探的施工、数据处理、解释增加了难度。为此，确定了有针对性的、高效的处理技术和方法，即从叠前、叠后及去噪等环节进行了处理，较大程度地提高了成果质量。

(2)资料解释时进行了反复细致的对比、解释和检查；速度分析充分利用了钻孔、巷道、地震数据速度谱资料，采用时深曲线和速度平面图结合的方法，为减少成果误差提供了保证。

(3)查明了主要煤层的赋存状况及底板起伏形态，指出研究区的总体构造为单斜构造，对次一级褶曲进行了控制；探查得出16#煤层底板标高为-420～-965 m，控制了第四系底界面、侏罗系底界面、奥陶系顶界面赋存形态，全区总体为东北部浅西南部深。

[1] 王磊，何伟. 煤矿采区三维地震勘探技术的回顾与展望[J].勘察科学技术，2003(6)

[2] 吴有信，王琦. 煤矿井下采区地震勘探技术现状与思考[J]. 煤炭科学技术，2010(1)

[3] 陈若峰，武磊彬，刘兆国. 三维地震勘探在淮北孙疃煤矿深部矿井建设的应用[J].西部探矿工程，2013(8)

[4] 孙希杰，王静，李淅龙等.复杂地表深部采区三维地震勘探技术[J].中国煤炭，2016(4)

[5] 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)

[6] 武磊彬，赵智勇，郭龙芳等.复杂地表地区三维地震勘探应用与效果[J].煤炭科学技术，2009(11)

[7] 牛跟彦.三维地震勘探技术在山区复杂地形的应用[J].中国煤炭，2011(12)

[8] 任小丽. 三维地震勘探技术在三塘湖煤田的应用[J]. 工程地球物理学报，2016(5)

[9] 石战结，田钢，赵文轲等.超浅层三维地震勘探技术应用[J].浙江大学学报(工学版)，2013(5)

[10] 张灯亮.三维地震叠前时间偏移技术在新疆淖毛湖矿区的应用[J]. 中国科技信息，2013(20)

[11] 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(5)

(责任编辑 郭东芝)

Researchon3Dseismicexplorationtechnologyindeepareaandland-lakeareaofBinhuCoalMine

Deng Tao1, Wang Sidong1, Zhang Lifeng1, Shi Yongli2

(1.Binhu Coal Mine, Zaozhuang Mining Group Co., Ltd., Tengzhou, Shandong 277515, China;2. College of Earth Science & Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

In order to further ascertain the geological structure of 161 mining area and the characteristics of coal seams of Binhu Coal Mine, high-resolution 3D seismic exploration was carried out. The exploration area belonged to land-lake area had large buried depth and complex surface seismic geological conditions such as many surface features, so a high-activity processing technology and method of "prestack-poststack-denoising" named land-lake-deep 3D seismic exploration was put forward, which improved detecting precision of structure, ascertained occurrence state and floor fluctuation form, and grasped occurrence mode of Quaternary bottom boundary, Jurassic bottom boundary and Ordovician top boundary. The research summarized the detecting results of stratum, structures and coal seams under the land-lake surface conditions, provided references for engineering construction and data processing with similar seismic geological conditions.

Binhu Coal Mine, 3D seismic exploration with high resolution, 3D migration, surface coherence deconvolution technique

国家自然科学基金(41402250，41372290)

邓涛，王思栋，张历峰等. 滨湖煤矿深部及陆—湖区域三维地震勘探技术研究[J]. 中国煤炭，2017，43(8)：42-46. Deng Tao, Wang Sidong, Zhang Lifeng, et al. Research on 3D seismic exploration technology in deep area and land-lake area of Binhu Coal Mine[J]. China Coal, 2017, 43(8):42-46.

P631.4

A

邓涛(1968-)，男，山东枣庄人，研究生学历，高级工程师，主要从事矿井开采及水害防治方面的工作。