大同石炭系煤田三维地震精细化解释及应用

刘 锐 姜士鹏 孙殿宇

1 引言

近十余年，同煤集团对深部石炭系煤层进行开采，并建成数个千万吨矿井，为企业高效安全生产提供了有力保障。由于石炭系经历多期构造应力作用以及机械化开采程度对地质构造掌握程度要求越来越高，根据以往钻孔和三维地震初期解析成果难以精确分析和预测矿井煤层地质构造，特别是工作面煤层标高起伏状态和断裂构造分布规律。因此，本次研究充分应用同发东周窑和马道头井田三维地震资料，结合区域构造演化和应力背景，建立了三维地震精细构造解析方法流程，精细构造解析成果不仅可提前预测构造规模，并有效指导了工作面部署和巷道掘进，实际应用效果良好。

2 三维地震精细构造解析流程

2.1 数据加载

首先将三维地震数据加载到Petrel或Geoframe地震解释工作平台上，然后把井口坐标、钻井分层、测井数据、高程数据等分别进行加载。

2.2 层位精细标定

层位（煤层）精细标定是构造解析的基础，是沟通地震信息与地质研究的桥梁和纽带，层位标定的正确与否直接影响三维地震精细构造解释的精度。首先对地层对比成果、地震反射特征、目的层测井响应进行综合研究，在此基础上，选取地质层位完整、测井数据较齐全、曲线特征明显的钻孔作为关键井，选取合适的子波和频率合成地震记录，与实际地震反射特征反复对比，不断调整子波长度，使两者波组关系对应良好，进而确定研究区内5（3+5）号和8号煤的地震反射特征及层位（图1）。

图1马道头井田5号煤合成记录标定特征

东周窑井田三维区发育太原组5（3+5）号、8号煤，T5波为5（3+5）号煤层形成的地震波，由于5号煤在区内属稳定煤层，厚度大，平均厚度可达9.51 m，结构相对简单，与上覆厚层砂岩存在较大的波阻抗差异，形成强振幅、高连续性，频率稳定的反射波，视周期16 ms～20 ms，频率 50 Hz～ 60 Hz，在时间剖面上极易识别和对比追踪，但局部受煌斑岩的侵入，地震反射轴发生不规则错段或杂乱反射（图2）。T8波为8号（8-1+8-2）煤层形成的地震波，在内属于较稳定煤层，厚度较薄，前者平均厚度为1.67 m，后者为1.93 m，与5号煤层近平行，间距稳定，受上部5号煤强反射屏蔽的影响，形成弱-中等振幅，中等连续性，波形变化较大的反射波，全区基本可连续追踪对比。

图2东周窑井田5号和8号煤层地震发射特征

2.3 层位解释

在钻孔合成记录制作的基础上，通过井-震联合对比，确定主力煤层地震响应特征，并将其外推，首先沿着主测线、联络测线和任意时间剖面，按50 m×50 m网格密度进行粗框架精细解释，逐步加密到5 m×5 m网格密度，实现了从点到线，从线到面逐步控制，杜绝层位局部突然变化，最终实现5号和8号煤层地震同相轴全闭合，明确主采煤层时间域的起伏状态（图3）。

图3东周窑井田二盘区5号煤层位解释结果

图4东周窑井田二盘区5号煤相干体切片

2.4 断层解释

断层解释是三维地震地质构造解析的关键环节，也是准确的煤层底板等高线编制的依据。三维地震精细解析首先应了解和掌握区域构造期次、应力场背景、断裂褶皱几何学特征和形成机制，指导三维区断层解释；其次在Geoframe或Petrel等地震解释软件中沿主测线、联络测线，按“由粗到细的网格密度、先解释大断层后解释小断层”进行解释，然后将时间剖面解释的断点投影到平面上，进行断层平面组合。通常，经历多期构造应力作用，多期不同走向的断层交错切割，就应从平、剖面断层切割关系、以及拉任意测线对断层组合情况验证，以及应用相干体、蚂蚁体和方差体属性切片等技术方法联合识别和组合断层（图4），总体遵从“切片定走向，剖面定倾向，共同定产状，任意线验证”的解释原则，提高断层解释的精确度。

大同煤田石炭系较大中型断层断点常表现为煤层反射波同相轴突然错断、产状突变、反射零乱、强相位转换等特征，比较容易识别。落差小于5 m的小断层也比较发育，但断点识别比较困难，主要表现为反射波同相轴扭曲、振幅变弱等，应结合方差体或蚂蚁体进行识别。

2.5 时深转换

三维地震采集、处理后的数据体通常是时间域的，以至解释的煤层和断层均呈现时间域特征，其与实际情况还有一定差异性，必须经时深转换将时间域的煤层和断层等地质信息转换为深度域，才可体现煤层或断层地下的真实形态。而速度是联系时间域和深度域的纽带，因此，速度的求取和成图方法的选择对提高成图精度至关重要。

由于煤田钻孔多，且分布均匀，主要利用研究区内钻孔及巷道小孔信息，统计钻孔的煤层标高及埋藏时间深度，求取钻孔位置煤层的平均速度，然后插值获得煤层平均速度图，再利用煤层平均速度图与时间域构造图进行乘法运算，进而获得煤层深度域构造图（图5）。

图5三维区5号煤底板构造图与断裂褶皱构造样式

3 东周窑井田二盘区的应用效果

通过对东周窑井田二盘区三维地震精细解析，二盘区共揭露断层400余条，均为正断层，NW-NNW和NEE-NE向为优势方向，通往基底的断裂少，NWNNW向断层多形成早中侏罗前，NE-NEE向断层多形成于第四纪。垂向上，多组断层呈平行或Y字形，与挤压反转构造形成的褶皱相组合形成断背斜、堑-垒相间、顺向断阶、反向断阶等构造样式[2,5]。平面上，褶皱与断裂构造相互叠加切割，呈现“宽缓背斜、窄深向斜”，构造形态凹凸相间，西北高、东南底，褶皱、向斜走向近NE-NEE和NW向，并被NW、NE-NEE向断裂切割严重，导致褶皱局部发生扭转，甚至错断，形成网格状构造块体（图5），并根据构造复杂程度将盘区划分为北部断裂构造复杂区和南部褶皱断裂叠加区，

3.1 北部断裂构造复杂区

该区构造以大中型断层为主，大中型断层分布于中部，以NW向断层为主，落差普遍大于20 m，最大可达50 m，垂向多为垒-堑构造样式，局部见小型Y字形构造样式，平面呈平行和雁列状斜角组合，导致该区形成多个斜交和近平行断块，宽度小于120 m，长度小于550 m，不规则分布（图5），以至于西北部与东北部不易部署整装的工作面，可顺着地堑稳定区进行部署。中小型及小型断层多分布于本区西部和中东部，NW向为主，对工作面部署整体影响不大。

3.2 南部褶皱断裂叠加区

该区构造以NEE-NE褶皱叠加NW-NWW及NE-NEE向断裂，形成网格状构造块体，导致褶皱和向斜发生扭动，形成宽缓的背斜和窄深的向斜，而宽缓背斜区是该区构造变形稳定区，有利于沿背斜轴向部署工作面，窄深的向斜区几乎不看部署整装工作面。

3.3 在2203工作面掘进应用

在三维地震精细构造解析的基础上，顺2203巷切取地震剖面和预想剖面，揭示 7条断层，呈垒堑构造样式，煤层起伏大，并可见煌斑岩侵入异常反映（图6），最终与巷道掘进实测剖面对比，煤层起伏形态、断层规模及煌斑岩异常体吻合率较高，进一步验证了三维地震解析技术对井田工作面部署和巷道掘进有重要的指导意义。

图6 2203巷三维地震解析预想剖面与实测剖面对比

4 结论

（1）建立了以区域构造演化和应力场背景指导为基础，采取动静结合，多方法、多资料印证的三维地震精细构造解析流程，可精细刻画和预测煤层几何形态、断裂、褶皱及陷落柱的规模和分布规律。

（2）本技术方法在同发东周窑和马道头井田进行应用，对两个井田三维区构造规律和煤层赋存形态进行研究，并指导了工作面部署和巷道掘进，对地质构造及异常体超前预测取得了一定成效。