基于三维地震和矿井槽波资料的工作面构造综合解释

蔡文芮

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

煤矿安全高效开采对地质勘探的精度要求越来越高。随着采区勘探工作的不断实践，三维地震勘探已成为地面构造探测的首选技术，主要用以探测断层、陷落柱、褶曲、采空区、煤厚变化等地质构造，但受该方法技术水平的限制，对于落差5 m以下的小断层解释可靠性不足，且存在平面位置的摆动，难以满足采矿生产的需要。三维地震资料二次精细处理解释技术弥补了勘探时段与矿井生产采掘信息相脱节的不足，把矿井新采掘的地质信息加以利用，采用更符合地质规律的参数对原资料进行处理解释，提高了资料成果的可靠性及精度，但仍不满足矿井工作面回采对地质构造精度的要求[1-3]。矿井槽波地震勘探技术是利用在煤层中激发和接收槽波，探查煤层不连续性的一种地球物理方法。该方法不受井下电磁环境的干扰，具有探测距离远、精度高的特点，且槽波能量团具有强振幅、波形特征易于识别、探测结果直观，在探测煤层内部异常构造问题上具有独特优势。槽波勘探方法分为透射法槽波探测和反射法槽波探测。姬广忠等[4]利用透射槽波衰减系数成像法对隐伏断层、陷落柱进行了探测，取得了良好效果。杨辉[5]、吕华新等[6]在传统透射槽波CT成像算法基础上，提出以槽波传播距离为约束条件的成像方式，增强了构造因素在成像中的作用，提高了成像质量。王季[7]采用反射槽波法探测了采空巷道。姬广忠[8]采用绕射偏移算法对异常构造进行偏移归位。王一[9]、杨辉[10]利用反射槽波有效探测了工作面内隐伏断层的发育情况。均取得了良好的地质效果。

为此，首先开展基于三维地震数据的工作面构造精细解释，掌握工作面构造空间展布特点，利用透射槽波、反射槽波的高精度成像结果，结合三维地震、地质规律等对工作面构造进行综合解释，以期对工作面安全回采提供可靠的地质保障。

1 工程概况

新疆俄霍布拉克煤矿位于新疆维吾尔自治区库车县境内，矿区所属井田位于库车山前凹陷地带，捷斯德里克复式背斜的倾伏端，为一走向近EW，倾向S的缓波状单斜构造。浅部地层倾角较陡达39°，中部地层倾角6°～8°，深部地层倾角10°。该矿井含煤地层为侏罗系下统塔里奇克组(J1t)，含煤建造的特征为一套多旋回陆相地层。岩性一般多为各种粒度的砂岩、石英砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤层所组成，为河床、湖泊、泥炭沼泽相沉积。受沉积环境影响，矿井内含煤层数达15层之多，自上而下分别为：下1、下2、下3-1、下3-2、下4、下5、下6、下7-1、下7-2、下7-3、下8、下9、下10、下11、下12、下13，各煤层厚度及层间距变化较大，煤层间距平均值分别为5.53 m、11.72 m、7.58 m、13.56 m、18.92 m、18.19 m、4.46 m、5.4 m、3.83 m、10.87 m、69.97 m、8.36 m、10.2 m、5.72 m、67.24 m。主采煤层为下1、下5、下7-2和下8煤层，煤层间距平均值分别为：57.31 m、28.05 m、14.7 m。受地面三维地震资料主频的限制，加之煤层厚度及间距的变化，这种薄互煤层在地震时间剖面上会形成复合反射波，反射波层位是各煤层综合反映的结果，并不是单一煤层的底板形成的反射波。

该矿井对井田西翼接续工作面曾进行过地面三维地震勘探，有效控制面积2.7 km2，主要覆盖接续的1408和1410工作面。三维地震勘探范围、构造解释成果及与工作面相对位置关系图，如图1所示。可以看出，三维地震勘探成果发现的主要构造均位于1410工作面内部，主要断层有DF7逆断层、DF8正断层、DF1正断层、DF2逆断层。DF7逆断层，断距0～16 m；DF8正断层，断距0～15 m；DF1正断层，断距0～25 m；DF2逆断层，断距0～27 m。这些断层的存在将对工作面回采造成严重影响。

图1 三维地震勘探范围与工作面相对关系Fig.1 Relative relationship between 3D seismic exploration range and working face

2 三维地震精细解释

随着矿井井巷工程的不断开拓，不断获取了新的矿井地质信息，通过将三维地震信息与矿井地质信息相互融合，改善以往资料处理解释中的不合理参数，提高成像质量，不仅可以对构造的可靠性进行分析判断，而且能够对矿井井巷开拓进行指导。1410工作面两顺槽及切眼贯通后，依据两顺槽新揭露的断层等构造信息(新揭露断层点7个，断距0.1～1.7 m)，对工作面可能存在的三维地震解释的较大断裂构造进行动态分析。在三维地震时间剖面上，由于本工区煤层层数较多，层间距较小，地震反射波反映的是薄互层的反射特点，往往需要根据地震波组特征对断层进行解释，图2(a)为DF1和DF2断层在地震时间剖面上的反映，图2(b)为DF7和DF8断层在地震时间剖面上的反映，根据井下实际揭露情况，认为巷道实际揭露的小断点不是这几条断层的反映。由于该工作面煤层向南倾伏，因此不能完全排除这4条断层不存在，对原DF1断层的延展长度和煤层底板起伏形态进行了修订。

3 槽波地震勘探

1410工作面开采下1煤层，煤层厚度为3.3～4.1 m，厚度稳定，在工作面贯通之后，针对工作面内三维地震解释断层的重点区段，采用槽波探测技术对工作面内异常构造进行精细探测。槽波探测范围如图2(c)蓝色线框所示，采用全息采集方式，即将接收器布置在两巷道的采煤侧，分别逐个激发人工震源，同时获取透射槽波数据和单巷道反射槽波数据。图3(a)为S60激发点槽波射线路径示意图，图3(b)为S60激发点槽波记录。从图3(b)看出，透射槽波信号强、连续性好，说明在激发点和接收排列形成的扇形区域内，无大于1/2煤厚的异常构造。图3(c)为透射槽波成像结果，蓝色表示槽波能量正常穿透区，构造相对简单；红黄色表示槽波能量低穿透区，有较大的构造存在。从图3(c)看出，槽波探测区内无较大的构造存在，即工作面内不存在落差大于1/2煤厚的断层。同时，通过对每一激发点槽波的穿透性进行逐一分析，槽波均能有效穿透工作面，也可对此结论进行佐证。

图2 三维地震动态解释结果及槽波探测范围示意Fig.2 The dynamic interpretation results of 3D seismic and the detection range of slot wave

图3 1410工作面透射槽波解释结果Fig.3 Interpretation result of transmission slot wave in 1410 working face

在利用透射槽波资料对工作面构造进行分析后，对同一巷道内采集的反射槽波进行分析、处理，工作面内存在明显的反射槽波异常。图4(a)为上巷反射槽波成像结果，图4(b)为下巷反射槽波成像结果。可见，工作面内部存在明显的条带状异常，且对面巷道空腔也形成了明显的巷道反射异常。

图4 1410工作面反射槽波解释结果Fig.4 Interpretation result of reflection slot wave in 1410 working face

根据透射、反射槽波探测资料，工作面内部共解释断层5条，初步确定了断层在工作面内的断距和延展长度，但槽波探测无法确定断层的性质，即断层的上下盘。

4 综合解释

槽波勘探结果与地面三维地震成果，存在一定的差异。其关键在于较大断层的存在与否，即DF1、DF2断层存在的可能性问题。工作面上下两巷道形成后，通过对煤质、煤层的对比分析，均为同一煤层。透射槽波资料说明在探测区域内煤层连续性好，不存在落差大于1/2煤厚的断层，即否定了DF2断层的存在。对于三维地震解释的DF1断层，平面位置发生了摆动，且断距没有原解释成果中的断距大，而应修正为小于1/2煤厚。对于其他几条断层，解释了断层的性质和落差，均为正断层，落差小于2 m。反射槽波资料解释的另外几条断层，结合三维地震时间剖面特征，确定了断层性质，弥补了槽波探测方法无法判断断层性质的不足。图5为井地资料联合解释结果与原三维地震解释的对比图。可以看出，通过综合分析解释，槽波探测区域内共解释断层5条，既否定了原三维地震解释的DF2断层，又对其他几条断层进行了定量解释，对其平面位置和延展长度也进行了有效控制。可见，将地面三维地震资料和井下槽波资料相结合，可以达到对目标体从空间上由大到小、由粗到细进行分析解释，既发挥了地面三维地震资料的空间立体特性，又利用了井下槽波资料高精度的特点，对存在的构造进行定量解释，大大提高了解释的精度。

图5 目标区井地资料联合解释成果Fig.5 Joint interpretation results of mine-ground data in the target area

5 结论

(1)将地面三维地震和矿井槽波数据相结合，通过综合分析，能够实现对工作面构造由粗到细、由大到小、从宏观到微观的精细探测。

(2)通过地面三维地震和矿井槽波成果相结合，能够发挥各自技术优势，可对异常构造进行定性和定量解释，减少物探结果的多解性。

(3)通过地面三维地震和矿井槽波成果相结合，有利于从宏观角度对构造的空间展布进行分析，提前做出采煤规划，从而减少开采成本。