煤矿隐蔽致灾因素地震勘探现状与发展方向

罗忠琴，刘 鹏，唐建益，刘最亮

(1.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北省涿州市，072750；2.中国煤炭地质总局，北京市海淀区，100038；3.华阳新材料科技集团有限公司，山西省阳泉市，045000)

煤炭长期以来为我国能源安全稳定供应提供了有力保障。我国煤炭主要产自石炭系、二叠系、侏罗系，少部分产自第三系。煤矿的地质构造比较复杂，煤层的稳定性也较差，给开发开采带来了诸多困难。我国东中部地区的大型综合机械化采煤工作面常受地质构造影响导致采掘接替失调，一些基建矿井由于地质构造没有调查清楚，造成设计进行重大修改或重新调整采区设计或增加井巷工程量或巷道报废，造成重大经济损失。然而用钻井加密的方法精细地探测地质构造成本高、周期长甚至无法完成。

地震勘探技术在我国煤炭工业中的应用已有60多年(1955年至今)历史[1]，特别是20世纪末以来，煤炭地震的技术概念与内涵、技术的发展与应用不断趋于完善，高分辨率三维地震技术作为煤矿采前勘探服务不可或缺的地球物理手段得到了大规模推广应用。目前煤炭高分辨率三维地震技术已成为我国目前各大中型、特大型煤矿区高效开采和安全生产地质保障的重要技术手段之一。但是，随着煤矿机械化水平不断提高，煤矿智能采区不断推进，复杂地质条件煤层智能综采、智能化煤矿建设等给煤矿安全开采地质保障提出了更高的地质需求[2]。笔者综合分析了我国煤炭地震勘探所面临的诸多挑战，提出在未来几年我国煤炭地震勘探需要加强的10个方面的新技术新方法研究，以形成一套我国煤炭地震勘探高精度解决我国煤矿复杂地质问题的关键技术系列，进而大幅提高地质构造探测能力和空间定位精度、岩性识别解释精度和隐蔽地质灾害预测能力，为我国各大中型、特大型矿区绿色开发、智能化煤矿建设发展服务。

1 我国煤炭地震勘探技术现状

20世纪90年代煤矿采区三维地震勘探主要在我国东部煤矿区实施，21世纪初我国煤炭工业发展重点逐步向中、西部煤炭资源丰富、煤质优良的矿区转移，然而这些矿区大部分地质条件都十分复杂。20多年来各煤炭物探单位，会同有关煤业、矿业集团公司针对煤炭开采的主要地质需求和中西部矿区黄土塬、山地、沙漠、戈壁等复杂地震地质条件区域的三维地震数据采集、处理、解释技术方面的诸多难题，分段持续开展了相当长一段时间的地震技术方法攻关，攻关重点放在提高地震信噪比、分辨率和地震成像空间定位精度方面，以提高煤矿地质构造的勘探能力，特别是提高中、小断层的探测能力和符合率等方面，使得在不同条件地区均可以利用三维地震进行地质构造探查，不同地区煤矿采区三维地震勘探首次应用具体情况见表1，通过多年研究，逐步形成五大煤炭地震技术体系[3-4]：平原、丘陵煤矿采区三维地震勘探技术体系；黄土塬煤矿采区三维地震勘探技术体系；山地煤矿采区三维地震勘探技术体系；沙漠、戈壁煤矿采区三维地震勘探技术体系；浅海、湖泊煤矿三维地震勘探技术体系。

表1 煤矿采区三维地震勘探首次应用矿区

注：资料引自《黄土塬煤矿采区三维地震勘探技术》

20世纪，我国煤炭二维、三维地震技术主要应用于勘探地质构造。近10多来开始注重煤矿隐蔽灾害地质体与岩性三维地震综合勘探技术的研究和应用。目前，煤炭三维地震勘探基本解决了煤层起伏形态、向背斜轴、断层产状及其延展情况、挠曲及其延展情况、陷落柱、冲刷变薄带、采空区、岩浆侵入区等影响煤矿安全、高效生产的主要地质构造问题[2,5]，即使在地震地质条件差的黄土塬区也实现了利用三维地震探查煤层及其顶底板岩性。该方法的精度和能力得到业界的普遍认可，是采区准备前构造勘探的首选技术手段，已得到广泛应用[6]。

2 煤矿隐蔽致灾因素地震勘探能力与效果

2.1 地震法探测地质构造的能力和效果

历经多年的发展，煤矿采区三维地震构造勘探形成了以下流程。

(1)根据野外踏勘与探查目的设计观测系统；

(2)野外生产采用安全绿色勘探管理，实行“两宽一高”(宽频带、宽方位、高覆盖)质量要求，实行同步资料处理质控；

(3)资料处理按照“三高”(高信噪比、高分辨率、高保真度)要求进行质控；

(4)通过合成地震记录对地震反射波进行标定，在此基础上，以连井剖面为参照，并结合波组关系，进行目的层位追踪与构造解释；在构造导向滤波的基础上，开展多属性分析与三维可视化对比，利用此技术对进一步甄别异常、精细构造解释与断点组合有极大帮助。最后进行成图与误差校正，获得目的层底板等高线图。淮北桃园矿某采区82号煤层三维地震属性分析与三维可视化立体如图1所示。

图1 淮北桃园矿某采区82号煤层三维地震属性分析与三维可视化立体

目前，三维地震解释煤层底板标高的误差一般约为1.0%，能解释落差大于3 m的断层[7-8]。高密度三维地震可以将断层分辨率从落差3～5 m提高到2 m[7]。10余年来，三维地震数据二次精细处理解释(叠前时间偏移、多属性分析解释+三维可视化)对提高一次地震解释的地质成果可靠性十分有效，实用性强；三次处理解释(井巷约束叠前深度偏移、深度域属性分析+三维可视化、岩性反演)逐渐发展，对进一步提高地震的地质成果精度与地震勘探应用范围的广度提供了新的方向。

2.2 地震法探测煤矿陷落柱的能力和效果

煤矿陷落柱主要分布在我国北方石炭系、二叠系煤矿区，尤以汾河两岸、太行山两侧煤矿为多。岩溶陷落柱密实程度变化大，比围岩强度低，与围岩的联结也较脆弱，故岩溶陷落柱对煤层开采有明显影响，其含水、导水陷落柱往往会造成重大水害。然而，陷落柱发育具有随机性与不确定性，其预测定位定量化难度大且预测精度不高[9]。目前，陷落柱的定位主要采取逐次精确的办法：利用地质、构造、采矿、钻探、排水、化探手段，综合分析陷落柱靶区；应用三维地震精细勘探初步圈定异常区；有针对性地开展放水、连通试验，进一步查明陷落柱范围与导水性；以钻探验证陷落柱存在与否，并确定其导水性[10-11]。

从20世纪90年代初开始，地球物理工作者就开始探索利用地震勘探探查岩溶陷落柱的方法，通过模型分析和山西晋城凤凰山矿综合物探探查陷落柱野外试验，其中反射波地震法取得了效果[12-13]。随后，通过对野外采集、资料处理解释技术的全面改进，形成了适用于陷落柱探查的煤炭高分辨率地震勘探技术。1997年，在潞安矿区高河矿井高分辨率三维地震勘探中发现了直径40～350 m的陷落柱多个，总结出陷落柱在地震剖面上的特征：标准反射波中断或消失；绕射波、延迟绕射波、侧面波等异常波出现；反射波动力学特征突变[14]。岩溶陷落柱在地震剖面上典型特征如图2所示。1998年，江苏煤田地质局物测队在阳泉矿务局五矿的山区(山坡坡度>60°，最大高差167 m)三维地震勘探工作中，在1.35 km2范围探查出27个陷落柱，圈定0.8 km2可采掘面积，对该矿达产起到了重大作用[13]。

图2 岩溶陷落柱典型地震剖面

为了更加精细探测陷落柱发育位置与形状，探查其赋水性，众多地球物理工作者探索出了联合勘探方法：地面地震与井下地震联合、地震与瞬变电磁联合、地震与CSAMT联合、地震与矿井TEM联合[15-18]。高精度三维地震勘探探查岩溶陷落柱的分布状况及其可能的突水通道和富水空间；直流电法、瞬变电磁、CSAMT、矿井TEM预测可能的低阻异常区，如果陷落柱异常与低阻区在空间上重合，则需要特别注意该陷落柱突水隐患。山西晋城赵庄二号井3号煤层地震与电法联合探查断层陷落柱富水性效果如图3所示，图中彩色底图为主成分融合属性，融合属性值越高，代表赋水性越强。图中地质构造为三维地震解释成果，依据融合属性值对构造进行赋水性判定，蓝色构造表示赋水性强，紫色构造代表赋水性弱。

图3 地震与电法联合探查断层陷落柱富水性

地震资料处理与解释预测陷落柱方面也取得长足进步，在“两宽一高”资料基础上，基于炮检距向量片技术(OVT)处理，以及多属性融合分析，提高解释陷落柱的精度[19]。

(1)OVT域叠前偏移处理；

(2)分方位、分角度对数据进行分析；

(3)利用构造导向滤波、优势频谱带通滤波等技术，提高不同方位、不同角度观测陷落柱形态的能力；

(4)提取岩层或层间属性，包括相干、方差、曲率、波形相似、波形差异、混沌体等属性；

(5)进行敏感属性主成分分析融合，使陷落柱在平面上的边界更加清晰；

(6)结合井巷、地震剖面、属性剖面、属性平面进行陷落柱综合解释。

地震精细属性分析识别煤矿采区陷落柱如图4所示。

图4 地震精细属性分析识别煤矿采区陷落柱

煤炭三维地震采用运动学和动力学相结合的方法，查明陷落柱吻合率在淮南矿区和永城矿区大于89%，在其他地区大于78%[7]。

2.3 地震法探测煤层厚度的能力和效果

煤厚变化对煤矿生产的影响主要有以下几个方面。

(1)影响矿井开采工程布置。例如煤层厚度很大，过去采用分层开采，因为煤层突然变薄，被迫改为单层开采，这样就要重新调整巷道布置；开采的煤层突然变薄造成大面积不能回采，使整个采区的布置受到影响。

(2)影响计划生产，造成工作被动。

(3)增加掘进巷道数量。例如煤层分叉变薄，可能巷道掘进到分叉带、尖灭带时会造成废巷。另外，还有古河流冲刷问题等使煤层突然变薄[7]。

20世纪80年代初，中国矿业大学朱华荣在地震剖面上发现煤层反射，并用煤层反射的调谐振幅法预测出煤层厚度变化趋势。1985年安徽省淮南矿区中日合作刘庄井田精查高分辨率二维地震勘探中，对所获地震资料作波阻抗反演处理，证实13-1号煤层在地震反演剖面上为低波阻抗条带[20]。20世纪90年代初以来，山东省、安徽省、江苏省、陕西省、河南省煤炭物探测量队和中国煤炭地质总局物探研究院、煤炭科学研究总院西安研究院等单位，陆续开始用钻井、测井资料作约束地震反演研究煤层厚度。

近年来，重点研究和应用地震多属性、约束稀疏脉冲地震反演、叠前弹性参数反演、BP神经网络反演、地质统计随机反演、多参数岩性地震反演等技术预测煤层厚度。经过多年的技术发展，目前三维地震对较厚-厚煤层煤厚的预测误差在1.0 m左右[7]。地震反演预测的煤层厚度剖面如图5所示。

图5 地震反演预测的煤层厚度剖面

2.4 地震法探测煤层顶、底板突水灾害的能力与效果

煤矿水害是与瓦斯、火灾、粉尘、动力地质灾害并列的煤矿建设与生产过程中的五大安全灾害之一。煤矿水害产生的三大要素是水源、水量、导水通道[21]，起决定性作用的是含水层及其补给和排泄条件，水源具有区域性和面状分布的特点，而导水通道(断层、裂缝、不良封闭钻孔等)具有极强的局部性和难以预测性。

大多数灾害性突水源于导水通道的不可预知性。据以往的煤矿突水事故统计数据，我国煤矿突水灾害最为严重、突水因素最为隐蔽、最为普遍、水害安全最难预知的属华北型石炭二叠煤系煤层底板奥陶系石灰岩岩溶裂隙水，通过断层、陷落柱或隐伏陷落柱突水或底鼓突水易造成水害事故。从已有的文献介绍来看，也有许多煤矿存在顶板水害隐患，但其对煤矿安全生产的影响远不如前者。实际情况表明，在我国煤炭工业发展中，顶、底板水害问题都是亟待研究解决的重要问题[21-22]。

2.4.1 煤层顶板突水灾害地震预测技术

煤层顶板包括伪顶、直接顶和基本顶。伪顶很薄一般仅十到几十厘米，多为泥岩，分布极不均一，有的块段没有伪顶；直接顶是位于煤层上方的一层或几层相近的岩层，直接顶的厚度有大有小，因地而异；基本顶是直接顶上方对采场矿压有明显影响的岩层平衡结构，基本顶可能形成裂缝带，基本顶也可能形成“三带”中的垮落带。煤层未被采动前，煤层及其顶、底板岩层均处于静力平衡状态。

近年来，在煤层顶板突水灾害地震预测中，仅侧重于研究顶板赋水层，并开展煤层顶板岩性、顶板岩体裂缝发育带的预测，应用的技术包括以下几方面。

(1)地震反演预测煤层顶板岩性技术；

(2)煤层顶板赋水带预测技术，主要采用叠前同时地震反演、顶板岩层孔隙率反演、自然电位地震反演、地震多属性分析；

(3)裂隙发育带地震预测技术，主要采用谱分解的蚂蚁追踪法识别、OVT域地震属性分析等。

孔隙率地震反演连井剖面如图6所示。图中可得出砂体厚度和砂体孔隙度；对于砂体厚度大且孔隙度高的区域，如图中N35井附近，可以推断该砂体在该区域为富含水区。

图6 孔隙率地震反演连井剖面

2.4.2 煤层底板突水灾害地震预测技术

(1)煤层底板突水是一个受多种因素影响的非常复杂的问题，以往大量实际资料研究显示，控制煤层底板突水直接因素包括：煤层底板下伏含水层的水头压力及富水性；矿山压力；煤层底板与下伏含水层顶板之间的相对隔水层厚度、强度及岩石性质是否足以抵抗下伏含水层的水头压力及矿山压力，当隔水层厚度越厚、岩石越硬、强度越大、越完整时，则抵抗水压力及矿山压力的能力越强，反之则越易发生突水；地质构造是决定突水具体地点的最重要的因素之一，底板突水绝大多数都发生在断层及其附近，另一些突水点是先发生底鼓，然后节理面张开裂缝并冒水冒泡，向斜轴部、倾伏背斜的端点以及断层的交叉点也易发生突水；岩溶陷落柱可高达数十米至数百米，岩体强度要比正常岩体的强度小很多，较易突水[21]。

(2)煤层底板突水灾害地震预测技术难度大，研究起步很早但成功实例不多，近年重点研究应用了以下技术：频谱特征分析，根据煤层底板灰岩区地震纵波“低频高值，高频低值，主频低值”的属性特征，判别煤层底板突水的可能性[7]；地震多属性反演获取与岩层富水性相关的物性参数，利用“三低一高”(视电阻率值低、人工伽马(或补偿密度)值低、自然伽马值低、孔隙度值高)预测煤层底板的水害[22]；综合物探方法，利用高分辨率三维地震解释预测构造发育位置，然后利用瞬变电磁和井下高密度二维、三维电法勘探进行煤层底板水情探测，通过突水系数、突水指数或主成分分析进行突水评价及危险性分区[21,23]。

利用多属性反演主成分分析预测煤层底板的富水性分布，如图7所示。由图7可以清晰判定赋水性强弱，同时也可以辨识发育于该层段断层的赋水性强弱。

图7 多属性反演预测富水性分布

2.5 地震法探测煤与瓦斯突出灾害的能力与效果

煤与瓦斯突出严重威胁煤矿的安全生产与经济效益，随着矿井开采深度的增加，煤与瓦斯突出发生的可能性和危害性也日趋严重。有关研究表明，发生煤与瓦斯突出的部位都发育有一定厚度的构造煤(即破碎煤、碎粒煤和糜棱煤)，构造煤的赋存和分布是发生煤与瓦斯突出的主要地质因素[24-25]。

近年来，相关研究表明，瓦斯富集常伴随煤体结构与厚度、煤体密度、频谱特征、能量特征、纵/横波速度、泊松比等弹性参数的变化而变化，可以利用地震勘探资料中振幅、频率、相位、时间、速度、波形、波阻抗、能量以及衍生的复合属性等丰富弹性波信息，研究瓦斯富集地球物理特征。多次试验表明以下相关地震勘探技术可以用于瓦斯富集区的预测[26]。

(1)瓦斯富集区地震勘探以反射波方法为主，主要采用纵波勘探、横波勘探或多波勘探；

(2)地震资料处理要求做到煤层反射波的高保真、高分辨率、高信噪比处理；

(3)地震资料解释可以综合振幅、频率、相位等属性及其复合属性(如“低频高值、高频低值”)和地震微相特征分析，综合辨识构造煤发育区；

(4)通过叠前、叠后多属性联合反演，利用反演的波阻抗、弹性参数等综合辨识构造煤发育区；

(5)基于横向各向同性介质的方位AVO技术分析与基于各向同性/异性介质理论的AVO技术分析预测瓦斯富集区。

阳泉矿区寺家庄矿中央盘曲采区15号煤层地震微相分析预测构造煤发育区如图8所示。经采掘验证，西南部掘进煤巷(图中红色巷道处)，自东向西揭露构造煤厚度由0.1 m逐渐变为0.6 m，预测趋势与实见构造煤分布相吻合[27]。

图8 阳泉矿区寺家庄矿中央盘区15号煤层地震微预测构造煤分布

2.6 其他

煤炭三维地震勘探除上述应用外，在预测已采掘巷道、采空区、煤层冲刷变薄带、岩浆岩侵入区等方面也取得不错成果。煤炭三维地震应用成果如图9所示。

(1)1993-1994年淮南矿区谢桥煤矿首采区高分辨三维地震勘探资料，利用断棱检测技术，在460 m深度上清楚分辨3.2 m×3.8 m相互平行的、相距50 m的石门巷道[7]，如图9(a)所示。

(2)淮北矿区祁南煤矿采用岩性反演、属性分析技术、聚类分析技术，提高利用地震资料预测岩浆岩侵入煤层的范围，如图9(b)所示，28个钻孔位置，27个孔预测结果与钻孔吻合，符合度达96%[5]。

(3)采空区在地震剖面上表现为煤层反射波中断、能量降低、反射波紊乱等特征，典型地震剖面如图9(c)所示。

(4)山西晋城赵庄二号井应用PCA融合属性分析划分了3号煤层的古河流冲刷带，如图9(d)所示，且融合属性值与煤层厚度呈近似线性关系，判定系数达0.888 9，即表示可用融合属性值较为准确地回归预测出煤层厚度[28]。山东省济宁矿区济宁二号煤矿二采区北部三维地震圈定煤层冲刷缺失区270 m，实际揭露无煤段长度240 m，误差仅30 m，其3301工作面地震解释无煤区面积2.8万m2，实际揭露无煤区面积3.5万m2[29]。

图9 煤炭三维地震应用成果

3 煤炭地震前沿技术攻关进展

3.1 煤矿采区全数字高密度三维地震勘探技术进展

2000年，新加坡石油地学服务公司(PGS公司)在海上地震勘探中推出一项精细地震勘探技术——高密度三维地震勘探技术。主要通过缩小接收线距、道距、炮线距、炮点距实现高密度空间采样，获得更高分辨率的地下成像。

目前国际上有两类代表性高密度三维地震勘探技术：一类是小道距高成像道密度，如PGS公司的HD3D技术和地球物理服务公司(CGG公司)的Eye-D技术，所用面元是常规面元的一半；另一类单点接收室内数字组合高密度，如斯伦贝谢公司的Q技术。Q技术在中东、非州等地区已规模化应用。Eye-D技术在中东卡搭尔采用了3.75 m×3.75 m面元24 000道接收、500次覆盖，可使盐丘及盐下构造成像更加清楚[30]。

鉴于煤矿采区常规三维地震技术能力、地质成果精度与煤矿井下综合机械化采煤工作面的地质需求的差距，需进一步提高地震法对煤矿小断层、小幅度褶曲的地震识别能力与地质体空间定位精度以及地震技术预测煤矿隐蔽地质灾害的能力问题等。对此2006年淮南矿业(集团)公司与中国石油东方地球物理公司合作，在安徽省淮南矿区丁集煤矿西部首采区应用煤矿采区全数字高密度三维地震勘探技术(我国首块应用此技术的煤矿)，及小面元、高成像道密度试验和生产，满覆盖面积2.5 km2。采用以提高地震分辨率为前提的高空间采样率采集与数字检波器接收为主的采集方法，接收道数2 560道，面元尺寸5 m×5 m，覆盖次数64次，取得了高品质、高分辨率的地震数据。对所获地震数据通过地表一致性处理和叠前去噪处理、保持振幅处理、提高分辨率处理、叠前时间偏移处理以及高精度钻孔间地层对比、正演模型、相干、谱分解等多项地震解释技术。本次煤矿采区全数字高密度三维地震勘探使所获地震资料纵横向识别能力大幅提高，解释出断层46条、新发现断层21条(其中2 m落差的小断层18条)、否定原解释断层10条。地震识别井下巷道、煤层厚度变化的能力均有较大幅度提高。

2010年，淮南矿业集团公司潘北煤矿针对采空塌陷积水区陡倾斜煤层、多组断层密集切割复杂的地质条件，开展了第二块高密度三维地震精细勘探技术研究，同样也获得了较好的地震勘探成果。2014年，淮北矿业集团公司开始在淮北矿区推广应用煤矿采区全数字高密度三维地震勘探技术，截至2018年，勘探面积达124 km2。此间，各有关煤炭物探单位陆续在陕西省彬长矿区，山西省长治矿区、晋城矿区、大同矿区、潞安矿区和辽宁省铁法矿区等多个矿区进行了高密度三维地震勘探，均获得较好的地质成果，典型的高密度三维地震时间剖面如图10所示。

图10 淮南煤田丁集矿高密度三维地震时间剖面

我国煤矿采区应用高密度三维地震采集方法有两类：一类是采用模拟检波器接收输出模拟信号到数字地震仪系统记录；另一类是数字检波器接收，从检波器直接输出数字地震数据到数字地震仪记录系统，属全数字采集记录过程。目前，利用高密度三维地震技术的优势，构建一套高精度地质构造探测与煤矿地质灾害预测综合技术体系还在不断攻关完善中。

煤矿采区高密度三维地震勘探成本费用较高，一般为常规地震勘探的1.5～2.5倍，因此，全面推广该技术进度缓慢。如果从新技术集成创新入手，以高精度的地质成果提高矿方的投资回报率，让更多的煤矿用得起采区高密度三维地震勘探手段，比以往任何发展阶段都更为紧迫。

3.2 井巷约束下实时动态叠前深度偏移成像处理解释技术进展

为解决地层横向速度剧烈变化区域的偏移问题，20世纪70年代，克莱鲍特(CLAERBOUT)首次提出将波动方程引入到地震波场偏移成像中，由于波场外推算子可描述复杂波场的传播过程，因此可解决横向变速剧烈条件下的地震波成像问题，但该方法计算的稳定性及精度差，且存在受倾角限制的问题[31]。随后施耐德(SCHNEIDER W J)提出基于波动方程积分解的克希霍夫积分法，该方法具有更为高效的计算效率与更高的稳定性；因此目前生产中叠前深度偏移应用该方法最为广泛，但该方法也存在精度下降与对算子假频敏感的问题。1983年，贝塞尔(BASSEL E)、科索尔夫(KOSOLF D)提出了逆时偏移法，由于该方法采用双程旅行时成像，介质横向速度变化、陡倾角构造不会对反射波成像产生影响，回转波、多次波甚至可用来正确成像，但是逆时偏移主要难点是运算量大[31-32]，受限于计算机运算能力，未能推广使用。

20世纪90年代初，我国就引进了深度偏移技术，但直至1995年，大庆油田遇到深层火山岩构造区成像难和构造畸变等问题，兴城北、徐家围子等地区的地震资料才尝试使用叠前深度偏移处理方法。该方法压制多次波同时突出了深层反射，相比叠前时间偏移地震剖面具有更高的信噪比和分辨率，叠前深度偏移资料基本查清了断层轨迹、火山岩分布与气柱等问题[33-34]。此后，叠前深度偏移技术在东部深层地层勘探中渐渐走向规模化。

目前我国叠前深度偏移处理技术已逐步完整，在很多油田勘探区取得明显的应用效果，该技术的作用逐渐受到高度重视。2019年，中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院研发了井、巷道等多信息约束的叠前深度偏移速度建模方法，进一步提高了速度模型建立的精度，在此基础上进行深度偏移的成果与真实地质情况更加接近。

淮南矿区顾桥矿叠前时间偏移与叠前深度偏移(克希霍夫积分法)的地震剖面对比如图11所示。由图11可以看出，叠前深度偏移通过精细速度建模，消除了第三系地层隆起对下部煤层反射波成像的影响，提高了主采煤层起伏形态的控制情况，且第三系与二叠系、石炭系不整合界面的成像也更加清晰。

图11 叠前时间偏移与叠前深度偏移地震对比剖面

4 我国煤炭地震勘探技术面临的挑战

我国煤炭地震勘探技术促进了煤矿安全高效地质保障系统建设的逐步成熟，但从智能化采掘工作面以及综合机械化工作面逐步向深部推进的地质需求上看，现有煤炭地震技术还存在很大差距[34]，在为煤矿采前勘探服务领域面临严峻的挑战。

(1)面临如何大幅度提高探测地质构造的精度和能力。从已有文献[7,5,29]统计来看，矿井井田边界大断层，探采对比结果可靠，断层摆动误差10～30 m；井田采区内落差5 m以上断层的准确率在70%左右；落差3～5 m的断层准确率小于34%～51.61%。必须提高探测地质构造的精度和能力。

(2)面临提高煤层厚度预测精度的难题。厚度5.5～11.6 m的厚煤层，地震预测煤层厚度绝对误差一般在0.1～3.1 m[35]；对厚度小于1.3 m的薄煤层，目前地震预测难以做到较为准确地预测其厚度。显然距离智能化采掘工作面的地质需求差距较大。

(3)面临煤与瓦斯突出地质灾害高精度预测的地质需求。需要在查明煤层厚度变化的基础上，圈定出构造煤发育带及煤层裂缝发育带的空间展布，确定的构造煤发育带和裂缝发育带的平面位置误差小于10 m；查明煤层直接顶板岩层岩性和顶板岩层厚度变化，岩性解释符合率大于90%，厚度变化解释误差小于5%～10%[36-37]。本项研究起步很早，但进展较慢，离上述要求还有相当差距。

(4)面临煤层顶板突水灾害防治工程方面的高精度预测的地质需求。主要涉及以下几个方面：构建精细的煤层顶板岩层(岩性)三维地质模型，要求精细划分出粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、砾岩、泥岩及其厚度变化，岩性解释符合率90%以上，岩层厚度解释误差小于20%；查出煤层顶板裂缝发育带分布范围、相对密度、裂缝方向及其与顶板富水带的关系；查明顶板富含水层分布及水的流向；构建工区水文地质模型。模型中包括含水层、富含水层、隔水层以及与煤层间的空间关系；预测煤层直接顶板的岩石抗压强度、抗拉强度等演示力学参数。我国煤炭地质勘探技术在上述很多方面的研究至今尚处于试验阶段。

(5)面临煤层底板突水灾害防治工程方面的高精度预测地质需求。主要涉及以下几个方面：构建精细的煤层底板岩层(岩性)三维地质模型，要求划分出粗砂岩、细砂岩、泥岩、石灰岩4种岩层及其厚度变化，岩性解释符合率大于80%，岩层厚度解释误差小于10%～20%；煤层底板突水通道及煤层底板隔水层厚度高精度预测；奥陶系顶部剥蚀面形态及剥蚀面下200 m内岩溶洞缝发育带预测；查明太原组灰岩岩溶洞缝发育带分布；断裂系统的空间展布及其对矿井水的封堵导水性。然而上述各项研究在我国煤炭地震系统刚开始起步。

5 我国煤炭地震勘探的发展方向

基于我国煤炭地震技术所面临的严峻挑战，特别是如何大幅度提高探测地质构造和煤层厚度的的精度和能力、煤层顶底板突水灾害与瓦斯突出灾害预测的精度和能力。未来几年我国煤炭地震技术的发展，必须做好针对性的技术攻关，采用系统集成创新的技术思路，下大力气研发以突破上述领域的技术瓶颈，大幅度提升对我国煤炭工业发展的地质保障能力，力争在“十四五”期间基本形成一套适合于我国大中型、特大型煤矿采煤技术升级改造的我国煤炭地震新的技术体系，为此一定要作好以下几方面研究工作。

(1)强化地震岩石物理分析方法研究。岩石物理分析方法研究被认为是促进常规地震勘探从定性走向半定量乃至定量的最重要途径。地震岩石物理分析早已成为国内外油气勘探地球物理研究热点，其重要性主要体现在可有效提高地震岩性识别能力、提高储层预测能力和流体检测精度与可靠性上。

目前，我国煤炭物探系统在地震岩石物理研究方面处于刚起步阶段，一直是煤炭地震技术领域的“第一短板”，更谈不上深入实验研究、理论模型分析、实际地震岩石物理应用。煤炭地震岩石物理研究的主要难点是各煤矿测井资料的问题很多，如井田内各钻孔间测井资料的时间跨度太长，最短也都在10多年以上，测井仪器、方法、参数以及标定等都存在多种问题。尽快扭转目前这种被动局面，只有加快速度因地制宜地学习国内外油气勘探地球物理方面的经验和技术，通过建设煤炭地震岩石物理分析院所，专门从事煤炭地震岩石物理分析研究，集中优势技术能力有针对性进行关键性技术攻关，尽快形成生产能力，实现煤炭地震岩石物理分析技术的工业化应用。

(2)优化煤矿采区高密度三维地震勘探技术。从10多年来各地煤矿采区高密度三维地震实施的情况来看，小道距、单点、高次覆盖、全方位、宽方位三维地震勘探独特优势已初步显现，地震分辨率提高、深层反射信息增强、弱反射信号更加丰富，反射信号连续性、信噪比也更好一些，地震地质效果明显提升，但仍有多方面优化空间，研究完善的重点：一是优化野外观测系统；二是采集中如何保护低频信息、拓宽频带；三是逐渐由单波段向纵横波联合勘探转变，获得全波地震记录；四是处理如何做好保幅，完善高密度三维压噪、高精度静校正、分方位角处理，完善井巷约束叠前深度偏移技术，努力实现高精度地震空间归位成像，完善OVT域处理与OVT解释等技术；五是强化井震融合反演等。以大幅度提高探测地质构造的精度和能力，提高煤层厚度预测精度，提高煤与瓦斯突出地质灾害高精度的预测能力。

从新技术集成创新入手，以高精度的地质成果进一步提高煤矿采区高密度三维地震勘探的成本投入产出比，让更多的煤矿用得起和喜欢用煤矿采区高密度三维地震勘探手段。

(3)创造条件开展VSP测井，发挥井筒地震在地面地震资料处理和解释中的作用。从油气地震经验来看，VSP测井在井控处理中存在以下明显优势：由于井筒资料分辨率较高，可以通过约束提高地面地震处理结果的分辨率；通过井控地震资料处理进一步实现井震资料的一致性，为井震融合解释提供基础；用于地面地震资料处理或参数标定，提高地面地震资料参数选取的可靠性和准确性，使处理结果与井地质资料达到最佳匹配；用于提高保幅处理质量[38]。20世纪80年代到90年代，我国煤炭系统曾在多个地区进行过VSP测井，主要用于层位标定和速度求取，后来由于多种原因而终止。

(4)推动叠前深度偏移处理地震成像技术的工业化应用。叠前深度偏移是指叠加前的地震记录在深度域进行偏移，使反射波归位、绕射波收敛。叠前深度偏移技术是以波动方程描述地震波在地下传播的情况，充分考虑了波在地下传播时由于介质不均匀而弯曲折射的客观现象，可以偏移聚焦成像良好[32]。目前，在油气勘探开发领域地震叠前深度偏移成像的基本方法已经比较成熟。而煤炭勘探开采领域由于各方面的原因，开展叠前深度偏移则刚起步不久，针对煤矿开采中井巷数据的独特优势，2018-2019年首次进行井巷约束下的实时动态矿井三维地震数据体高精度叠前深度偏移成像技术研究与应用，取得较好效果。应推动叠前深度偏移处理地震成像技术的工业化应用，吸取油气地震的经验，未来的发展方向：一是要特别注意采集中采用较高覆盖次数、增大排列长度，以满足速度分析和偏移孔径的要求；二是通过试验选择适合于工区地质情况的叠前深度偏移方法；三是采用适合于煤矿采区三维地震新的速度建模技术和井巷数据实时动态优化速度场，使速度场更加逼近真实的地下地震速度场，进一步提高偏移成像质量和地质目标的空间定位精度。

(5)开展OVT域叠前时间偏移。在OVT域进行地震资料处理的一大优势是其空间采样的均匀性。在传统域噪声可能产生高度假频，特别是在联络线方向往往采样不充分，而在OVT偏移域无论是主测线或是联络线方向采集都很充分，易于将信号和假频噪声分开。另外OVT域偏移后的CRP道集整体能量均衡，近、中、远道集上能量趋于一致，能更好地保存炮检距和方位角信息，有利于进行方位各向异性分析、叠前反演和裂缝预测[39-40]。OVT偏移与常规方法没有什么差别，只是输入OVT道集，既可输入单个OVT道集，也可输入可互换OVT道集(2个OVT)进行偏移。可互换OVT道集组成2次覆盖的数据子集，互补了彼此的照明使偏移后采集脚印影响降低[39]。从上述分析来看，用煤矿采区高密度三维地震资料作OVT域叠前时间偏移预测煤层顶板裂缝方向与裂缝密度是重要的发展方向，并可在复杂地震成像和煤层顶板裂缝描述中发挥更大作用。当然也应注意OVT域的叠前深度偏移的试验研究，因为OVT域道集内各道炮检距和方位角相对恒定，它也是叠前深度偏移的理想数据。

(6)提高地震岩性识别能力和岩层厚度变化预测精度。20年来，为了用地震法获得煤层顶底板岩层岩性、厚度变化，煤炭系统有关物探单位做了大量研究，但至今未取得突破性进展，主要难在石炭二叠纪煤系和侏罗纪煤系属于致密碎屑岩层粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩间波阻抗差异不明显，且存在多个交叉带，再加之在横向上的相变，地震法区分识别起来非常困难，符合率低。学习油气地震的经验，未来努力方向：一是发挥测井和地震资料各自的横向、纵向优势，二者密切结合优势互补，其中关键在于强化研究解决地震与测井资料自动匹配，做好井震一致性处理与校正；二是做好岩石物理分析[40]；三是根据采区的地质情况优选反演方法；四是注意测井资料在地震的反演中如何做好有效约束。

(7)强化煤层顶板岩体裂缝发育带地震预测技术研究。用地震技术预测煤层顶板岩体裂缝发育带未来发展方向；一是根据矿区地质条件优选适应本区的识别裂缝的技术方法，注意采用融合技术提高地质成果精度；二是推广高密度三维地震勘探方法，从OVT域处理和解释入手，寻求提高预测裂缝的精度。

(8)开展震、电联合勘探，强化煤层顶、底板富水带地震预测技术研究，尽快形成高精度煤层顶、底板富水带地震预测技术体系。目前该技术系列还在不断完善中，主要是还不能排除反演结果解释的多解性。下一步发展重点是强化地震与钻井、测井资料相结合的叠前同时反演、泊松阻抗等多种流体检测技术综合研究。

(9)强化大幅度提高煤层厚度预测精度技术研究，以及大幅度提高煤与瓦斯突出地质灾害预测精度技术研究。

(10)煤炭地震技术与三维地质建模技术相结合，构建精细三维地质模型、水文地质模型、瓦斯地质模型、地应力模型，为煤矿智能开采提供更为精细的综合数据。

6 结语

我国煤炭地震勘探最初仅限于煤炭资源勘探领域，20世纪90年代后期逐步转向为大、中、特大型煤矿采前勘探服务，绝大部分采区勘探项目都采用的是高分辨率三维地震技术，近10多年高密度三维地震技术也正在由我国的东部平原煤矿区投入生产，逐步向中西部复杂地形的山区、黄土塬煤矿区推广应用，并取得了很好的地质效果和很高的投资回报率。为了适应煤矿开采向智能化发展的地质需求，我国煤炭地震技术的发展最重要的是要下大力气注重提高地质目标的定性和空间定位精度，根据不同地区地质情况研究采用集成创新优选的地震技术系列，逐步解决长期以来在煤矿安全开采中应用地震法存在的技术“瓶颈”，提高煤矿安全高效地质保障系统能力，尽快形成一套煤矿地质构造精细探测高精度定位和煤矿隐蔽地质灾害预测综合的地震技术体系，降低煤矿井下顶底板突水灾害和煤与瓦斯突出灾害事故发生率。