基于褶积模型的波阻抗反演技术在煤炭资源储量管理中的应用

赵启生 褚洪伟 尹 聪

（山东济宁矿业集团有限公司安居煤矿，山东 济宁 272100）

1 概述

济宁矿业集团有限公司安居煤矿（以下简称“安居煤矿”）隶属济宁矿业集团有限公司，为地方国有企业。矿井位于济宁市任城区内兖新铁路以南、济徐高速以东、京杭运河以西，行政区划属济宁市任城区管辖。

安居煤矿煤层赋存-820m～ -1800m，属千米深井，且属于地质类型复杂矿井，矿井自投产以来井下开拓布局受构造影响较大，断层、古河流冲刷带等构造严重影响矿井的正常生产，给矿井煤炭资源储量管理工作带来了较大难度。

在矿井煤炭资源储量管理中煤厚的预测精度对储量估算起着至关重要的作用。传统的煤厚预测方法主要是利用地质钻孔或井下实际揭露的煤厚进行插值获得，获得的煤厚分布规律与区钻孔的密度及取芯质量有直接的关系，钻孔越稀疏，误差越大。安居煤矿属千米深井，地质钻孔单孔造价平均为80万元，单纯依靠施工地质钻孔获得煤厚信息的方式将给企业带来很大的经济压力。

为准确掌握煤层厚度变化情况，安居煤矿地质技术人员通过利用波阻抗反演技术获取了科学准确的煤厚信息。从而相对准确地估算出矿井资源储量，为矿井煤炭资源储量管理提供了可靠的基础数据依据。

2 基于褶积模型的波阻抗地震反演技术

随着我国华北地区浅部煤炭资源日益开采殆尽，煤炭资源的开采逐渐向深部延伸。传统的以构造勘探为目的的地震勘探技术已不能满足矿井生产需求，除摸清地质构造外，地层厚度、岩性及含流体成分等岩性信息对现场生产指导也有极大作用。为满足这种需求，岩性勘探技术应运而生。

地震反演技术是岩性勘探发展的一种重要手段[1]，它综合利用地震、测井、地质和钻井等资料揭示煤的空间几何形态（包括煤厚、变化情况、可采情况、尖灭情况等）和煤层结构特征[2]。

基于褶积模型的波阻抗反演方法利用井旁地震道与测井资料（速度、密度等）获得地震子波和反子波，然后以褶积模型为基础外推反射系数序列，经测井标定后求出整个剖面的波阻抗值或层速度值。

基于褶积模型的波阻抗反演方法主要有直接反演、稀疏脉冲法、以模型为基础的反演方法。以模型为基础的反演方法是先构造一个地震参数初始模型，然后将合成记录与实际地震资料进行对比，利用对比结果通过线性化反演技术迭代更新模型，直至两种资料吻合为止[3]。由于以模型为基础的反演方法与前两种方法相比具有分比率高的特点，因此本次煤厚反演采用以模型为基础的反演方法。

3 地震反演技术在煤炭资源储量管理中的应用

3.1 煤厚反演的方法

根据首采区北翼三维地震勘探资料并结合采区内钻孔及测井资料和井下实际揭露地质情况进行地震技术反演。反演采用以模型为基础的反演方法，具体采用Hampson-Russell公司的Strata软件进行。

波阻抗反演法求取煤厚的步骤如下：

（1）进行时深转换。即利用三维地震获取的时间信息与测井、地质等信息相结合，进行联合反演，获得含有地层深度信息的地震数据体。

（2）分析总结出煤层的拟阻波抗值，煤层的拟阻波抗值大致稳定在一定区间。

（3）通过对全区追踪获得煤层顶底板数据。

（4）将顶底板数据做差可得出煤厚。

（5）将预测结果与实际钻井结果进行匹配，可获得煤厚预测结果。并利用计算机绘制形成煤厚变化趋势图[4]。

煤厚变化趋势图中具有煤层等厚线，根据煤层厚度采用蓝--黄--红等颜色进行直观表示，煤厚变化情况及任意区域的煤厚一目了然。

3.2 运用传统方法对首采区北翼储量计算成果

由于首采区北翼钻孔施工密度较小，共包含3个见煤钻孔：X6、X10、X30钻孔，煤厚分别为2.1m、3.0m、2.32m，利用钻孔所揭露的煤厚进行插值获得首采区北翼平均煤厚为2.51m，如图1。根据DZ/T 0215-2002《煤、泥炭地质勘查规范》规定，煤层倾角小于15°时（3上煤层倾角均小于15°），采用地质块段法在水平投影图上估算资源储量。

估算公式：

式中：

Q-资源储量，万t；

S-水平投影块段面积，m2；

D-视密度，t/m3；

M-块段煤层铅直厚度，m。

图1 利用钻孔数据计算首采区北翼资源储量图

可估算出首采区北翼储量为458.6万t，按照85%的采区回采率计算预计采出量为389.8万t。

3.3 利用反演成果对首采区北翼进行储量计算成果

通过对三维物探资料进行反演技术处理，得出了安居煤矿首采区北翼3上煤层厚度变化趋势图[5]。根据该图显示，首采区北翼中部存在一条狭长的煤层变薄区，该区域平均长约2200m，宽约180m，区域内平均煤厚仅1m左右（后经实际揭露被证实为一条近南北走向的古河流冲刷带，区内煤厚平均0.8m，局部为无煤区），见图2。根据煤层等厚线图，首采区北翼厚度为0.5～32m，平均为2.15m。根据储量估算公式：

Q-资源储量，万t；

S-水平投影块段面积，m2；

D-视密度，t/m3；

M-块段煤层铅直厚度，m。

可估算出首采区北翼储量为356.8万t，按照85%的采区回采率计算预计采出量为303.3万t。

3.4 首采区北翼实际采出储量计算

安居煤矿首采区北翼自2015年3月开始生产，截至2018年10月，已先后完成1305、1304、1306、1307工作面和1309工作面的煤炭资源开采工作，采区内资源开采基本结束。根据前期首采区北翼各工作面煤炭资源实际产出量，可以得出首采区北翼实际采出量为283.7万t（回采率为85%）。

3.5 对比分析

首采区北翼实际采出煤量283.7万t，采用传统手法估算出采区储量为389.8万t，采用地震反演技术预测煤厚估算储量为303.3万t。通过上述两种不同计算方法估算对比分析，可得利用反演成果进行储量计算估算储量结果更接近实际，从而能够相对准确地估算矿井资源储量，为矿井开拓设计提供了可靠的地质基础数据。

4 结 论

采用波阻抗地震反演技术，对原有三维地震勘探资料进行反演，可获得反映出煤层厚度变化趋势及规律的资料，能科学合理地预测出煤层厚度，从而能够相对准确地估算矿井或采区资源储量，为矿井或采区煤炭资源储量管理提供了可靠的基础数据依据。

图2 利用地震反演煤厚数据计算首采区北翼资源储量图

由于波阻抗地震反演技术目前在煤厚分析方面还未充分运用，因此在今后的工作中，还应进一步加强对煤厚和关键层厚度反演技术的研究，以便更好地为煤矿安全高效开采服务。