三维地震勘探在桌子山煤田的应用

(内蒙古自治区煤田地质局勘测队，内蒙古 呼和浩特 010010)

桌子山煤田某井田表层被大面积第四系覆盖，基岩仅零星出露于小山丘顶部。煤田位于祁、吕、贺山字型构造背柱部次之北部，其主要构造线方向均近于南北向，主要构造有千里山-阿尔巴斯逆断层，桌子山背斜，岗德尔西来峰逆断层，岗德尔背斜等。纵观井田总体为一向南西倾斜的单斜构造，地层产状平缓，一般6o～8o。本区构造运动较为强烈，分褶曲及断层两种形式出现。在上述构造运动强烈，断层大量发育的地区进行地质勘探，单一的勘探方法不能取得满意的效果，解释精度及准确性难以保证。其他钻井等勘探技术结合高分辨率三维地震技术进行勘探，可对地下构造进行更直观且准确的控制。

1 三维地震勘探技术简介

1.1 三维地震勘探的优越性

三维地震勘探其野外采集的关键是实现面积观测，通过三维偏移成像处理等一系列技术处理其采集到的大量原始数据，从一个个界面点空间堆砌成三维地震数据体(x、y、t)。所以三维资料解释可以任意从x、y、t 方向观测地质界面的形态，能够更直观的研究地质体在三维空间中的变化。

在勘探领域，如果把钻井比作一把锋利的手术刀，那么三维地震勘探技术就是一台先进的CT 透视机，通过三维地震技术可把地下构造或地质体建立成一个全三维立体空间模型，如同对大地进行CT 透视，可获得高品质的地质图像。

1.2 三维数据体解释原则

1.2.1 紧扣地震地质任务原则:本区三维地震资料解释以完成解决构造地质任务为主，特殊地质现象如煤层厚度变化趋势及煤层分叉合并边界的解释推断也应引起高度重视。

1.2.2 人机联作解释原则:人工解释主要指利用基本干网剖面进行人工解释，确定全区大的构造格架;工作站解释则指的是以垂直剖面和时间水平切片解释为主，再充分利用工作站屏幕多种显示、放大功能(比如动态显示和三维切片立体组合显示)为辅助手段进行验证性和精细化的解释。同时要求人工解释和工作站解释紧密结合，互相促进。

1.2.3 点上突破的原则(也可以叫由点到面的原则):即选择已知资料较多(如孔旁)或构造相对简单地段开展解释，逐步扩大追踪范围完成全区追踪解释。

1.2.4 先疏后密的原则:即确立一个基干剖面网(如40m×40m 网度或80m×80m 网度的地基干剖面网)后，在此网格剖面上先行突破，确立全区的大的构造框架，在此基础上利用工作站的多种功能进行加密，完成全区构造的精细解释。这样解释不但主次分明，而且会大大加快解释速度，提高工作效率。

1.2.5 多波组对比的原则:根据在本矿的工作经验可知，本区煤层反射波组较发育，波组关系特征明显。因此，应用多波组综合追踪不但会减少串相位现象，而且对煤层起伏形态、断面等构造体(面)的空间展布形态和规模的解释有很大帮助。

1.2.6 加强任意走向切片的解释:第一利用连井剖面验证解释结果，会减少失误;第二是可以利用任意走向切片形成矩形或任意多边形等闭合环状剖面研究采区或采面内的构造现象，对采区划分和采面布置有很大帮助。

1.2.7 采用最新技术原则:即充分利用计算站的最新技术，如方差体技术等，提高解释成果的可靠性。

1.3 三维数据体解释方法

1.3.1 褶曲的解释

褶曲在三维数据体上比较容易识别，其在时间剖面上一般表现为反射波同相轴下凹、上凸;在水平时间切片上表现为反射波同相轴走向发生弯曲，曲率越大，则褶曲越紧闭，曲率越小，则褶曲越开阔(见图1)。

1.3.2 断层的解释

断层的解释断层解释以时间剖面为主(见图2)，配合其它彩色显示剖面，同时结合水平切片、顺层切片及相干数据体、方差数据体进行解释。

图1 褶曲在水平时间切片上的反映

图2 断层在时间剖面上的反映

1.3.3 煤层隐伏露头的解释

时间剖面上煤层反射波与第四系底界反射波相接触，其接触点即为煤层隐伏露头点;当无第四系底界反射波时，利用钻孔资料和折射波资料在剖面图上绘制第四系底界，煤层与第四系底界的交点即为煤层隐伏露头点。在平面图上把各测线的煤层隐伏露头点连接起来，其连线即为煤层隐伏露头线。本区第四系较薄，不发育第四系底界反射波，因此本次为利用野外单排记录折射波解释其第四系。

1.3.4 其它地质异常现象的解释

在对主要可采煤层受古河床、古隆起、陷落柱、采空区影响范围的解释中，充分利用三维偏移数据体、叠加数据体、方差数据体或相干数据体进行综合解释。从垂直时间剖面、水平时间切片、顺层切片、组合显示等不同角度对数据体进行观察研究。采用波形变面积、波形变密度、双极性等多种显示手段，对T9 波和T16 波的正负相位综合分析研究。

方差数据体和相干数据体是一种重要的识别解释地质异常的方法。方差数据体是求取三维地震数据体所有样点振幅均方差值的结果。其值越大，各道差异越大，则存在构造异常的可能性越大。相干数据体是对三维地震数据体进行互相关处理的结果。其值越小，各道相似性越差，则存在构造异常的可能性越大。

1.3.5 主要可采煤层厚度变化趋势的解释

本次三维地震勘探利用地震属性技术解释煤层厚度。通过提取地震数据体不同地震属性，对不同地震属性与煤厚进行拟合和相关计算，根据计算结果优选5个与煤层厚度相关度高的属性，利用神经网络技术预测煤层厚度。

1.3.6 时深转换速度的求取

本区是用已知的9-1、16-1 煤层底板标高(钻孔处)和T9、T16 波时间计算出时深转换速度，再绘制速度平面分布图。计算公式为:

V=2000 ×(1250-H)/t

式中，H 为9-1、16-1 煤层底板标高，单位为m;

t 为T9、T16 波时间，单位为ms;

V 为时深转换速度，单位为m/s。

该区的9-1 煤层时深转换速度变化在2920m/s～3420m/s 之间。16-1 煤层时深转换速度变化在3010m/s～3480m/s 之间。

众所周知，目的层反射波速度在平面和深度方向上都是具有一定规律性的。因此，利用钻孔揭露的目的层底板深度(h)和井旁目的层反射波的t0 时间可拟合绘制出时深(t0-h)关系曲线(图3)。通过对该曲线的分析，同样可以用来检验前期反射波追踪对比的可靠程度。对于那些较离散的速度异常钻孔点，要检查前期目的层反射波追踪对比是否有误。通过对比检查，本区时深转换速度，符合规律，速度点较集中，满足精度要求。

图3 时深转换曲线

2 本次构造复杂地区三维地震勘探成果

2.1 地震勘探前后构造对比

2.1.1 修改原有断层3条。通过本次地震勘探，发现西来峰逆断层在平面位置有较大改动，在勘探区北部向区内东部摆动，最大摆动距离82m;南部向区外西部摆动，推测最大摆动距离300m 左右。df14 断层(原断层未编号)平面位置和落差都有了较大变动，平面位置向北摆动，最大摆动距离80m，落差变大，最大落差16m。F10 正断层平面位置有了较大改变，查明了该断层的延展方向和断层要素，该断层西部向南摆动距离最大为325m，已进入勘探区西北部。

2.1.2 新发现断层38条。本次地震勘探新发现了38条断层，为下一步的矿井开拓和煤矿开采提供了依据。

2.2 地震勘探前后褶皱对比

通过本次地震勘探，S30 向斜平面位置有所变化，该向斜轴部在区内北部向东摆动，最大摆动距离175m;南部向西摆动，最大摆动距离80m。

2.3 地震勘探前后煤层底板等高线对比

本次煤层底板等高线在细节上有较大变化，但是总体趋势变化不大，局部地区由于构造的影响，有一定变化。

3 三维地震勘探成果验证

3.1 断层验证情况

通过验证钻孔的地质资料显示，地震解释的断层与验证钻孔揭示的断层吻合，验证情况如下:

3.1.1 西来峰逆断层。1)BKS01 孔深度157.26m 处，见2.44m 厚角砾岩，并且其上地层倾角为68°～82°，其下地层倾角为5°～8°，地层倾角突然变化，这种现象是断层挤压造成的，断面上下煤系地层重复350m 左右。三维地震解释的西来峰逆断层通过该钻孔，断面深度在158m 处，落差502m，倾角68°。2)BKS02 孔深度135.2m 处，见破碎带，这种现象是断层挤压造成的，断面上下煤系地层重复200m 左右。三维地震解释的西来峰逆断层通过该钻孔，断面深度在136m 处，落差470m，倾角32°。3)BKS06 孔深度101.75m 处，见3.47m 厚角砾岩，并且其上地层倾角为58°～68°，其下地层倾角为5°～8°，地层倾角突然变化，这种现象是断层挤压造成的，断面上下煤系地层重复470m 左右。三维地震解释的西来峰逆断层通过该钻孔，断面深度在102m 处，落差453m，倾角30°。4)BKS13 孔深度113.63m 处，见滑面，并且其上为灰色太原组地层，倾角为60°，其下为棕红色上石盒子组地层，倾角为6°，地层突然变化，这种现象是断层挤压造成的，断面上下地层重复320m 左右。三维地震解释的西来峰逆断层通过该钻孔，断面深度在114m 处，落差470m，倾角35°。以上四个钻孔的钻探成果很好的验证了地震解释的断层。

3.1.2 西来峰支三逆断层。BKS02 孔2～4 煤组地层重复100m 左右，断面深度应在240m 左右。三维地震解释的西来峰支三逆断层通过该钻孔，断面深度在239m 处，落差90m，倾角32°。钻探很好的验证了地震解释的断层。

3.1.3 F10 正断层。BKS01 孔深度524.41m 处10 煤以上煤层全部缺失，太原组含煤地层直接与灰绿色下石盒子组地层接触，地层缺失150m 左右。三维地震地震解释的F10 正断层的断面通过该钻孔，断面深度在526m 处，落差为141m，倾角81°。钻探很好的验证了地震解释的断层。

3.1.4 df9 正断层。1)BKS07 孔深度56.1m 处，见29.1m 厚断层泥。三维地震解释的df9 正断层通过该钻孔，断面深度在56m 处，落差60m，倾角79°。2)BKS08 孔深度402～406m 处，岩芯破碎严重，是张性断裂带。三维地震解释的df9正断层通过该钻孔，断面深度在405m 处，落差43m，倾角79°。3)BKS09-1 孔深度368.2m 处，见2.1m 厚角砾岩，9-1 煤至16-1 煤间距变小，地层缺失30m 左右。三维地震解释的df9正断层通过该钻孔，断面深度在367m 处，落差27m，倾角81°。4)另外，BKS09 孔在BKS09-1 孔北部30米处，其16-1 煤底板标高深了32m，与三维地震解释成果基本一致。以上四个钻孔的钻探成果很好的验证了地震解释的断层。

3.1.5 df9-1 正断层。BKS09-1 孔深度392.5m 处，为5.5m 厚泥岩，底部破碎，见滑面，16-1 煤至奥陶系顶界面间距变小，地层缺失30m 左右。三维地震解释的df9-1 正断层通过该钻孔，断面深度在395m 处，落差31m，倾角81°。钻探很好的验证了地震解释的断层。

3.1.6 df19 逆断层。BKS06 孔534.92m 处，为5.2m 厚细砂岩，裂隙发育、局部破碎;529.7m 处1.35m 厚的中砂岩与540m 处1.65m 厚的中砂岩重复，另外16-1 煤至奥陶系顶界面间距变大，地层重复10m 左右，断面深度应在530m 左右。三维地震解释的df19 逆断层通过该钻孔，断面深度在531m处，落差8m，倾角53°。钻探很好的验证了地震解释的断层。

经钻探验证本区三维地震勘探断层平面位置的解释精度能够满足规范和设计要求，断层平面位置误差不大于20m。

3.2 主要煤层底板深度的解释精度评价

本区三维地震勘探使用综合时深关系曲线进行约束，利用钻孔资料进行速度标定，绘制时深转换速度平面分布图，然后进行时深转换，大大提高了解释精度，经后期施工的验证钻孔验证，深度误差不大于1.5%，见表1。三维地震成果主要煤层底板深度解释误差小于规范要求。

表1 三维地震解释成果与钻探验证成果对比一览表

4 结语

本文以内蒙古乌海市某地区的煤矿煤炭勘探为研究对象。利用三维地震勘探技术对此煤矿进行勘探，通过对三维地震数据体细网度、多方位的解释，对区内地质情况进行了更严密的控制，为开采设计及生产提供了更可靠的地质依据，最终完成了规定的地质任务。

通过实际案例阐明了三维地震勘探技术在实际勘探工程中的必要性及在煤矿勘探综合勘探中的重要作用。

[1]路基孟，王永刚.地震勘探原理[M].中国石油大学出版社，2009:10-12.

[2]郝钧，等.三维地震勘探技术[M].石油工业出版社，1992.