余吾煤矿小断层构造三维地震精细处理与识别技术应用研究

张二伟，周俊杰

（1.潞安集团 余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046103；2.河北工程大学地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引 言

矿井隐蔽断层构造作为矿井水赋存与导水通道之一，影响着矿井工作面布置，特别受到矿井地质工作者的关注[1-2]。随着开采深度和智能化工作面的开展，影响工作面布置和开采的隐蔽小断层构造的识别成为研究的重点，目前开采深度逐步增大，地面三维地震勘探数据体解决小断层构造的精度和准确度受到挑战，如何综合利用三维地震数据体精细并精准识别出隐蔽小断层构造成为难点。

小断层构造常表现为断层落差小于半采高、半煤厚的断层，三维地震的识别需要较高的纵向和横向分辨率，特别是煤层埋藏深度较深地段的小断层的识别尤为重要。地面三维地震的目标需要识别和解释小断层构造，受到地震数据分辨率的影响，利用常规地震时间剖面上解释的小断层精确度降低。LIN C 和POBLET J 等利用正演模拟技术，分析小断层的地震波响应特征，利用地震反射波多属性分析、识别小断层构造[3-4]。采用地震多属性参数融合识别断层能规避单一属性识别断层的局限性[5]，同时也是增加小断层解释的精确度和有效性的手段和方法。

针对余吾煤矿采掘工程地质条件及构造分布特征，利用编制的地震正演模拟软件，分析不同地震波激发主频、断层落差、煤厚、地层波速度变化对地震识别小断层构造的影响因素及因子。结合地面三维地震勘探数据采集、数据处理和解释，确定黄土覆盖区的地面三维地震小断层构造精细识别技术方法。利用地震多属性参数特性，识别出隐蔽断层构造多种属性特征，精细、准确识别出断层的空间参数；综合运用三维地震高保真数据处理与地震属性综合解释技术，确定的小断层构造位置准确度高，利用井巷揭露的断层空间参数准确，精度高，识别技术良好。

1 余吾矿地震勘探浅层地质条件

余吾矿井位于山西省屯留县境内，地表黄土地形，北部河滩沟坎较为发育，东南部为山区冲沟地貌，相对高差大于120 m。地表被第四系黄土覆盖，为山前冲积扇区，扇区中沉积的为泥沙石块颗粒，横向速度变化较大。黄土层中夹有3～4 层厚度递交大的砾石结核层，部分河流地段存在厚度较大的砂层和黑淤泥层。浅层地表地形剧烈变化，对于浅部地震波激发和接收均不利。

余吾煤矿主要煤层为石炭系上统太原组上段和二叠系下统山西组，目前主要开采山西组3 号煤层，煤层厚3.35～10.25 m，平均厚6.42 m。

2 三维地震数据采集技术

2.1 地震激发与接收技术

通过试验对比分析数字检波器、7、10、60 Hz不同主频动圈式检波器采集的地震记录及其采集的单炮信噪比等参数进行综合对比分析评价（图1），确定出60 Hz 的检波器高频信息较多，对于低频干扰压制较好，高低频层次分明。而低频检波器及数字检波器，由于低频干扰较严重，直观的使高频信息不明显，虽然低频有效信息接收的更多，但同样的低频干扰也较多，特别是数字检波器低频干扰最为严重。因此使用低频检波器的同时低频干扰也会增加，这就使如果为了更多的获取有效信息，可采用低频检波器，拓宽有效信息的频带，同时后期数据处理时应采取相应的技术手段，才能使获取的低频有效信息发挥其更大的作用。如果后期数据处理时采用常规的处理手段，那么这些低频的干扰将会使数据体的整体信噪比降低。

图1 不同类型检波器单炮信噪比对比Fig.1 Comparison of single shot signal-to-noise ratio of different types of geophones

2.2 宽方位角观测系统设计

试验线束分别采用10 线5 炮和12 线15 炮的束状观测系统进行实验对比（图2），通过观测系统的反射点均匀程度和方位角均匀分布特征对比，常规窄方位观测系统的反射点排列片呈狭长的长条形，方位角分布均匀性较差，会产生静校正耦合问题，不利于检测与方位角有关的变化。而宽方位角观测系统可以通过对比不同观测系统的方位角和满覆盖次数的面元分布情况，认为示范区使用的12线15 炮的观测系统形成的反射面元更为呈纵、横向一致特性，对于常规的12 线4 炮和10 线5 炮的观测系统的反射波面元趋于长方形的特征。

图2 不同观测系统线束布置与反射方位角分布Fig.2 Wire harness arrangement and reflection azimuth distribution of different observation systems

3 地面三维地震精细数据处理与构造识别理技术

3.1 双系统地震数据处理技术

针对复杂地表地形地质条件变化剧烈特点，特别是原始单炮记录初至波呈锯齿状跳动特点，为降低复杂地表变化对地震数据影响，采用Geoeast 和CGG 双套地震数据处理系统，对观测系统进行炮偏校正处理。数据处理中采用CGG 地震数据处理的层析静校正技术，来降低地表起伏剧烈变化的影响；利用地表一致性剩余静校正和全局寻优剩余静校正技术，在精细拾取叠加速度，解决深度小构造剩余静校正问题，增加解释的准确度（图3）。

图3 单炮地震记录静校正前后对比Fig.3 Comparison of single shot seismic records before and after static correction

初至波网格层析静校正技术能够较好的解决复杂区静校正问题，并计算出静校正量。

全局寻优剩余静校正技术利用最大能量法、模拟退火以及遗传算法等三种方法，交替式迭代求取剩余静校正量，将算法收敛迭代的次数大大减少。其基本思路是将最大能量法和模拟退火法产生的解作为遗传算法的初始群体，使得群体中的个体针对性强，有效的控制了群体的规模，使搜索具有更高的效率；同时在遗传算法演化后进行最大能量法和模拟退火法搜索，强化局部搜索能力，达到快速收敛到最优解的目的（图4）。

图4 剩余静校正前后地震叠加时间剖面效果对比Fig.4 Comparison of seismic superposition time profile effect before and after residual static correction

3.2 叠加处理

首先对参与叠加的地震记录道进行均衡处理并叠加，计算出叠加道的加权函数，并依据加权函数对叠加结果道进行加权；在输出最终叠加剖面之前，利用前面计算出的均衡因子，采用中值法求出反均衡因子，对均衡后的叠加结果道进行反均衡处理，得到相对振幅保持叠加剖面（图5）。

图5 叠加处理前后效果对比Fig.5 Comparison of the effect before and after superposition processing

图6 随机去噪前后叠加时间剖面对比Fig.6 Comparison of superposition time profile before and after random denoising

4 断层构造三维地震数据精细解释技术与应用

以处理后的时间剖面为基线，结合波形、相干、谱分解等属性切片进行判断和识别。小断层断点精细识别依据有，反射波同相轴扭曲，地层产状突然变化，同相轴连续性、光滑程度及振幅强弱变化。断点在相邻时间剖面上的倾向、倾角、落差、位置等显示特征的相似性，结合时间水平切片，对每条断层进行追踪和控制。

多种的地震属性中挑选出5 种，针对该区构造敏感的地震属性进行地震属性分析，小断层在相干属性、最小曲率属性、负值曲率属性切片上的平面发育特征也比较清晰。

5 结 论

矿井小构造作为矿井智能化、机械化开采中难于识别与分析的构造地质体，成为地面三维地震勘探任务和难点。针对多种复杂地表地形和地下地质条件区，运用多种综合地震数据处理技术，得到了高质量的地震数据体。综合利用三维地震勘探精细识别技术，对小断层构造进行精细识别，得到了良好的效果。

（1）针对复杂地形地质条件地区，对比分析不同主频的检波器与数字检波器的接收信号，表明数字检波器在低频带内受干扰明显，需要结合地震数据处理技术，突出低频地震信号。

（2）采用高纵横比的地震三维束状观测系统，可提高地震记录的纵波空间部分特征，特别是对不同方向上的方位角均匀影响大，特别是煤层产状较为平缓地段的三维地震勘探，采用高纵横比的观测系统，在提高施工效率同时增加地震记录质量。

（3）复杂地形地质条件下的双套地震数据处理系统的综合应用，突出每种数据处理系统中某中数据处理优势；同时，针对重要的静校正处理采用全局寻优剩余静校正处理技术，提高了地震数据处理质量和效率。

（4）针对小断层构造断点识别特征，运用多种地震属性分析与评价技术，优选出相干属性、最小曲率属性、负值曲率属性切片上的平面识别特征明显有效、提高了小断层识别精度。