鄂尔多斯布尔台煤矿三盘区三维地震勘探技术应用

徐伟瑜，任岐山，张震润

（1.河南省地球物理空间信息研究院，河南 郑州 450009； 2.河南省地质物探工程技术研究中心，河南 郑州 450009）

煤炭作为我国最主要能源燃料，曾被冠以“黑金”、“工业粮食”等美称，对人类社会的发展起到了巨大作用[1]。鄂尔多斯市是我国第一产煤大市，享有“海之乡”的美誉，煤炭产业推动了经济的快速发展，布尔台煤矿位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗布尔台乡境内，可采储量18.5亿t。

为了保障布尔台煤矿三盘区安全、高效生产，对其开展了三维地震勘探，旨在查明区内地质构造的发育情况及煤层赋存状态，为合理布置巷道及采掘工作面提供地质依据。

1 自然地理条件

井田位于鄂尔多斯高原东北部，属黄土高原地带，布尔台到伊金霍洛旗阿镇公路地带的山梁部位较高，向北东、西南两侧变低；属高原侵蚀性丘陵地貌，大部分地区为低矮山丘，植被稀疏，发育有大量季节性冲沟；位于乌兰木伦河和呼和乌素沟之间，常年性地表河流，其河水量受大气降水控制，夏秋水大，冬春水小；属半沙漠—半干旱高原大陆性气候，太阳辐射强烈，日照丰富，冬季漫长寒冷，夏季短暂炎热，春秋干燥多风，日夜温差大，结冰期10月初至次年4月，最大冻土深度可达1.71 m；从未发生过较大的破坏性地震，亦无泥石流、滑坡及塌陷等不良地质灾害发生。

2 地质概况

2.1 地层

勘探区位于东胜煤田的南部，地表主要为下白垩统志丹群（K1zh）和第四系（Q4）。据钻孔资料，区内地层由老至新发育有：①上三叠统延长组（T3y）。黄、灰绿、紫、灰黑色中粗粒砂岩泥岩和煤线。②中下侏罗统延安组（J1-2y）。浅灰、深灰色砂岩、泥岩、砂质泥岩夹煤，为盆地的主要含煤地层，最多含可采煤层13层，一般3～6层，可采总厚最大27 m，单层最大厚度12 m。③中侏罗统直罗组（J2z）。灰白、灰绿、兰灰色砂岩、粉砂岩和砂质泥岩。④安定组（J2a）。紫红、暗紫色中粗粒长石砂岩、泥岩、砂质泥岩。⑤下白垩统志丹群（K1zh）。浅灰、灰绿、棕红、灰紫色泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砾岩。⑥第四系现代风积中细沙及沙土。

2.2 煤层

区内共有可采煤层8层，即12上、12、22、22下、42上、42、52、52下煤层，其中全区或基本全区可采煤层4层，分别为12上、22、42上、52下煤层，其他4层为局部可采煤层。

（1）12上煤层。位于延安组第三岩段的上部，全区可采，厚1.6～5.71 m，平均厚3.33 m；结构复杂，含夹矸0～5层，为砂质泥岩；层位较稳定，但厚度变化较大；顶板为中粒砂岩、细粒砂岩、砂质泥岩和粉砂岩；底板为粗粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩。

（2）22煤层。位于延安组第一、二岩段的上部，属于西部局部不开采、基本全区可采的较稳定煤层，厚度范围0.33～3.91 m，平均厚1.68 m；结构复杂，含夹矸0～4层，为砂质泥岩、泥岩。顶板为中粒砂岩、细粒砂岩、砂质泥岩和粉砂岩；底板为中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩。

（3）42上煤层。位于延安组第一、二岩段的中部，全区可采，厚4.04～7.85 m，平均厚5.93 m；结构较简单，一般不含夹矸，层位稳定。顶板为细粒砂岩、砂质泥岩、粉砂岩；底板为粗粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩。

（4）52下煤层。位于52煤层之下，三盘区基本全区可采，厚1.44～4.03 m，平均厚2.42 m；结构较简单，含0～2层夹矸，为砂质泥岩、泥岩；煤层厚度变化较大，但煤层层位较稳定。顶板以砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主，粗粒砂岩、中粒砂岩次之；底板为中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩。

此外，12煤层位于延安组第一、二岩段的顶部，厚0～1.69 m，平均厚0.99 m，结构复杂。22下和42煤层位于中上部，前者厚0.98～2.34 m，平均厚1.62 m，结构较简单；后者厚0.89～4.51 m，平均厚2.21 m，结构复杂。52煤层位于底部，厚0.22～1.93 m，平均厚0.67 m，结构较简单。

2.3 构造

东胜煤田位于华北地台鄂尔多斯台坳东胜隆起，构造形态为一向南西倾的单斜构造，倾角一般为1°～5°，无明显的褶皱及大的断层，仅在煤田东部发育有少量高角度正断层。

井田位于东胜煤田南部，其构造形态与区域构造形态一致，主要煤层赋存形态表现为一由东北向西南倾斜的近水平产状的单斜构造。地层走向约NW20°，倾向约SW70°，地层倾角小于5°。地质勘查阶段未发现断层，但矿井生产揭露断层216条，三维地震发现断层203条，均为正断层。落差大于10 m的生产揭露断层6条，三维地震发现断层16条；落差5～10 m生产揭露断层16条，三维地震发现断层83条；落差小于5 m的生产揭露断层88条，三维地震发现断层104条。

2.4 岩浆岩

勘探区无岩浆岩侵入现象。

2.5 地震地质条件

（1）表层地震地质条件。地表高差较大，潜水面深度较深，地表大部为干滑沙化土质，沟壑交错，地形破碎，交通困难。西北边界中段有房屋建筑，面积不大；中部有耕地、林地；东南部有沙场、水塘，复杂的地表条件给地震测线布置和野外施工带来了一定困难。表层地震地质条件较差。

（2）浅层地震地质条件。勘探区大部分被第四系黄沙土覆盖，厚0～17 m，其下为红色砂岩，泥质胶结，是良好的激发层位；部分地段在黄土覆盖层下，有厚度不等的砾石层；浅表层岩性变化较快，给成井造成了一定困难。浅层地震地质条件一般。

（3）深层地震地质条件。勘探目的层有12上、22、42上、52下煤层，煤层中波速为2 200～2 600 m/s，围岩中波速为3 000～3 800 m/s。主要原因是煤层与围岩密度和速度差异较大，煤层与围岩波阻抗差异明显，能形成能量较强的煤层反射波[2-3]；但煤层层数较多，煤层间距变化较大，反射波大多以复合波的形式出现，反射波互相干涉，煤层反射波的一些属性和煤层厚度的相关性变差，给煤层厚度解释带来了很大的难度。深层地震地质条件一般。

总之，勘探区地震地质条件中等，小断层和煤厚解释有一定难度。

3 数据采集、处理与解释

3.1 数据采集

采用规则束状12线6炮观测系统，线束大体沿地层倾向布置，北偏西约29.4°。为保证三维地震勘探实际控制面积达到满覆盖次数，并考虑地层倾角影响，12线6炮观测系统横向外推6个炮点，中间激发炮点向边界外推3个炮点，共布置三维地震观测线束13束，线束物理点8 522个，合计8 568个（含试验物理点28个和低速带物理点18个），施工面积12.65 km2，CDP覆盖面积11.17 km2，满覆盖面积8.54 km2。

勘探区浅表层地震地质条件复杂，横向变化快，分为厚黄土区（黄土厚度大于3 m）、薄黄土区（黄土厚度小于3 m）、基岩出露区，有针对性地进行观测系统和采集参数试验。

经实验选择施工参数如下：厚黄土区洛阳铲成孔，成孔至红色风化砂岩，深度大于3 m，药量1.0～1.5 kg；薄黄土区洛阳铲与风钻配合成孔，入基岩1 m，井深不低于3 m，药量1 kg；基岩出露区风钻成孔，井深2.5～3.0 m，药量1 kg。采用428XL数字地震仪，采样率0.5 ms，采样长度2 s，全频段接收；前放增益12 dB，接收线12条；对称或不对称中间点，单边道数不大于80道；接收线距40 m，接收道距10 m；每束线与上一束重合9条接收线。

3.2 资料处理

勘探区地势起伏较大，浅层地震地质条件比较复杂，高程变化大，原始单炮记录初至波跳跃剧烈，进行静校正[4]；浅层多次折射及工业干扰，原始资料信噪比差异较大、各类干扰严重，利用针对性的方法和参数，逐步地进行合理的叠前去噪、压制干扰波、提高资料的信噪比，突出有效波[5]；利用“载波调制”法双向拓频技术适度拓宽频带，提高地震资料的纵向分辨率；采用各向异性叠前时间偏移处理技术，解决复杂小断块准确成像问题。

3.3 资料解释

（1）主要目的层确定。利用地质钻孔柱状与测井曲线制作合成地震记录，与过孔时间剖面对比，确定各主要反射波所对应的地质层位（图1）。

图1 过钻孔剖面与合成记录对比Fig.1 Comparison between through borehole profile and synthetic record

12上煤层（T1-2s）能量最强，连续性好，全区可连续追踪，主频约为50 Hz，横向上能量有所变化，主要与12上煤层厚度变化有关；22煤层（T2-2）能量较T1-2s波弱，基本全区可连续追踪，主频约为50 Hz，横向上能量有变化，T2-2波上距T1-2s波27～42 ms，间距基本稳定；42上煤层（T4-2s）能量较强（42上煤层厚度全区最厚），全区可连续追踪，主频为45～55 Hz，T4-2s波上距T2-2波40～50 ms，间距基本稳定；52下煤层（T5-2x）能量较其他反射波弱，连续性一般，主频为45～55 Hz，横向上能量变化较大，T5-2x波上距T4-2波35～45 ms，间距基本稳定。

（2）构造解释。褶曲为煤系地层整体形态为呈一近水平的单斜形态，偶尔有一些起伏（图2（a）），但幅度较小。这些起伏不仅可以在地震时间剖面上直观地反映出来，在其他一些属性图片上反映也比较明显。

断点：在时间剖面上，同相轴的错断、分叉、扭曲等（图2（b）、图2（c）），其中主要标志是同相轴的错断，有一定的时差，在剖面上可以解释[6-7]。

（3）煤厚解释。区内12上煤层厚1.0～6.0 m，22煤层厚1.0～3.5 m，42上煤层厚3～7.5 m，52下煤层厚1.0～3.5 m，煤层层速度为2 400～2 500 m/s，主频在45～50 Hz附近，煤层反射波主波长在48～55 m，煤厚小于λ/4（薄层反射波波峰与波谷视时差近似为一个常数）[8]，煤厚与煤层反射波振幅呈准线性，可用振幅来反演煤厚。此外，利用PETROL软件提取了多种地震属性，通过BP人工神经网络预测，优选了6种属性（平均能量、最大振幅、最小振幅、平均振幅、均方根属性、主频属性）作为神经元[9-10]，也对煤层进行了解释。

图2 断裂、褶曲和异常区在时间剖面上的反映Fig.2 Reflection of faults，folds and abnormal areas on time profile

4 地质成果

勘探区构造解释以叠后时间偏移数据体为主，同时参考叠加数据体和分频数据体[11-12]，并利用了提取的多种属性成果图件。

4.1 断层与褶曲

（1）断层。此次共解释断点276个，新发现正断层43条。其中，落差5 ～ 10 m的断层有2条（BF177、BF185），落差3 ～ 5 m的断层12条（BF174、BF182、BF183、BF186、BF187、BF188、BF189、BF194、BF197、BF200、BF206、BF207）。

BF177断层位于勘探区西部、钻孔BK212西100 m，正断层，走向NW，倾向SW，倾角65°左右，同时错断12上、22、42上、52下煤层（图2（b）），在42上煤层上落差0～5 m，区内延伸长度695 m。

BF185断层位于勘探区中部、钻孔BK195西80 m，正断层，走向NW，倾向NE，倾角60°左右，该断层错断12上煤层（图2（c）），落差0～5 m，区内延伸长度460 m。

BF189断层位于勘探区中部、钻孔BK194西40 m，正断层，走向NW，倾向NE，倾角60°左右，该断层错断12上煤层，落差0～4 m，区内延伸长度477 m。

BF183断层位于勘探区中部、钻孔BK196与BK198之间，正断层，走向NW，倾向SW，倾角55°左右，该断层错断12上煤层，落差0～4 m，区内延伸长度448 m。

（2）褶曲。此次共解释出宽缓的褶曲构造2个，分别为S1向斜和S2背斜（图2（a））。前者位于勘探区西北部，轴部位置在钻孔BK229、BK222、BK214、BK208附近，轴长约2 050 m，轴向由NNW转为NS，向N倾伏，幅度约10 m，两翼基本对称；后者位于勘探区西北部，轴部位置在钻孔BK236、BK153、BK111附近，轴长约2 100 m，轴向NNW，幅度约10 m，两翼基本对称。

（3）煤层顶板异常区。此次共解释了煤层顶板异常区3处，分别位于22煤层（YC1）、42上煤层（YC2、YC3）。

22煤层解释了1处煤层顶板异常区，位于勘探区东部，钻孔BK129、BK172、BK57、BK130附近，勘探区内面积约0.674 km2。在时间剖面上反映为反射波能量突然变弱、消失；在属性切片上，该区域异常反映也比较明显。根据钻孔资料，该处22煤层顶板为砂质泥岩，推测顶板岩性变化导致波阻抗差异变小，在时间剖面上表现为反射波能量变弱[13]。

42上煤层解释了2处煤层顶板异常区，在时间剖面上反映为反射波能量突然变弱；在属性切片上，该区域异常反映也比较明显。其中，YC2位于勘探区中部、钻孔BK196附近，勘探区内面积约0.227 3 km2；YC3位于勘探区南部（图2（d）），钻孔BK198附近，勘探区内面积约0.077 5 km2；据钻孔（YC2钻孔BK196、YC3钻孔BK130和BK172）资料显示顶部均为砂质泥岩，推测顶板岩性变化导致波阻抗差异变小，在时间剖面上表现为反射波能量变弱。

4.2 主要煤层特征

区内煤层（12上、22、42上和52下）较稳定，起伏形态基本一致，底板、形态呈走向近NS的单斜构造，向W向倾伏，倾角1°左右，在西部发育幅度约为10 m的褶曲。此外，发现3处薄煤区，在时间剖面上反映为反射波能量突然变弱，在属性切片上，区域异常反映也比较明显[11]。

（1）12上煤层特征。厚度由东向西变薄，厚 1.5～5.5 m，并解释了2处（BM1和BM2）煤层厚度变薄区（图3（a）、图3（b））。BM1位于勘探区西部，钻孔BK230附近，勘探区内面积约0.091 4 km2，在钻孔BK230处厚度为1.62 m，相对于周围（钻孔BK229、BK221、BK222、BK223、BK231）变薄。BM2位于勘探区东部边界附近、钻孔BK129东180 m处，勘探区内面积约0.009 4 km2，在钻孔BK20处厚度仅为0.87 m，相对于周围（钻孔BK92、BK129、BK97）变薄。另外根据巷道揭露情况，该处12上煤层厚度也突然变薄，与解释结果一致。

（2）22煤层特征。煤层厚度由东向西变薄，厚0.3～3.8 m，并解释了1处（BM3）煤层厚度变薄区（图3（c）），薄煤区位于勘探区钻孔BK236、BK153、BK118、BK208连线以西，区内面积约2.052 km2，根据钻孔（BK153、BK214、BK222、BK221、BK223等）资料，区域厚度均小于0.8 m。

图3 主要煤层在时间剖面上的反映Fig.3 Reflection of main coal seams on time profile

此外，42上煤层由东向西变薄，厚4～8 m；52下煤层由西向东变薄，厚1.4～4.0 m。

4.3 勘探前后构造对比

（1）煤层埋深及形态对比。勘探前后，主要可采煤层形态变化不大，总体呈走向近NS的单斜构造，向W向倾伏，倾角1°左右。勘探后，对主要可采煤层埋深和起伏形态的控制更为精细，另外在勘探区西部解释了2个幅度约为10 m的褶曲。

（2）构造对比。勘探后，新解释了43条断层（其中落差大于等于3 m的14条），3处煤层变薄区，3处煤层顶板异常区，2处异常区。如12上煤层新解释断层18条，煤层变薄区2处。

5 结语

（1）布尔台煤矿三盘区共解释断层276条，新发现正断层43条，均为正断层；共解释2个褶曲构造和3处煤层顶板异常区。

（2）主要煤层较稳定，起伏形态基本一致，呈走向近NS的单斜构造，倾角1°左右，煤层厚1～8 m为主，且有3处薄煤区。

（3）勘探前后，主要可采煤层形态变化不大；构造格架发生较大变化，新解释43条断层、3处煤层变薄区、3处煤层顶板异常区、2个褶曲构造；为工作面采区和巷道布设提供了地质依据。