煤矿采区三维地震勘探概况与应用

刘 玮

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，山西太原 030006)

地震勘探是根据人工激发产生的地震波在弹性不同的地层内形成的传播特性来勘测地下地质构造和地层特性的勘探方法。其过程主要由地震采集、数据处理和解释组成。地震数据采集主要由测量、观测系统选择、激发与接收以及表层结构调查等环节组成。数据处理主要是指利用计算机对野外采集的数据进行处理从而获得反映地下构造形态和岩性信息的地震剖面。常规的地震处理包括:解编、切除、振幅恢复、抽道集、动校正、静校正、叠加、滤波、反滤波、偏移等。地震资料解释就是将处理后得到的地震剖面转化成抽象的地质术语，根据地震资料确定地质构造形态和空间位置，确定地层的岩性、厚度及层间的接触关系。地震解释分构造解释和岩性解释。构造解释过程包括层位标定、层位拾取、断层解释、构造成图等。

1 三维地震的特点

煤矿采区三维地震勘探技术是指专门用于探测煤矿地质小构造，为煤矿布设巷道、采区工作面、井筒及其辅助工程服务的高分辨率地震勘探技术。目前，这种技术已在全国很多煤矿得到了很好的应用。这种技术的应用很大程度上提高了地震勘探的精度和分辨率，在地质勘探方面取得了很大的成果和巨大的经济效益。

目前，三维地震勘探技术在煤矿采区能够完成不同的地质勘探工作，主要有:1)能够查明1 000 m以浅5 m落差以上的断层和3 m以上的断点;2)查明采区5 m以上的褶曲，采区煤层底板深度误差小于1%;3)能查明和预测可采煤层分叉合并带、冲刷带和天然焦化带;4)准确定位巷道;5)准确探测20 m以上的陷落柱;6)探测煤层隐伏露头位置。

由于煤矿开采深度一般在1 000 m以内，对构造查明的要求较高，因此与油田三维地震勘探相比具有自己的特点:1)排列长度较短，一般在500 m～800 m;2)CDP网格较密;3)采用高频检波器接收，自然频率为60 Hz或100 Hz;4)通常以束状或块状观测系统获得24次覆盖共深度点反射地震数据;5)在资料处理和解释中每平方千米有5个～10个钻孔对反射层位进行标定;6)使用采掘过程中获取的新数据，能对地震解释成果重新修订与解释。

2 三维地震勘探技术对高产高效矿井建设的作用

由于该技术提高了煤矿采区的勘探密度，因此，可使采区设计更加合理，降低地质采区风险，优化综采面布置，降低支护成本，是高效矿井建设的有力地质技术保障。

2．1 优化采区设计

利用该技术获得的采区地质成果，可准确划分采区综采块段、炮采块段的构造复杂带，所以可合理设计采区巷道，选择最佳采煤方法和配采方案。采区布置要避开主要断层，以断层作为采区边界、阶段煤柱、条带间煤柱，合理确定工作面的方向、长度、走向长度等，以此优化采区设计和回收煤炭资源。

2．2 利用三维地震勘探提供的精细构造解释成果可以降低地质风险

煤矿的地质风险有2种:1)由于意外地质变化造成计划开掘的综采工作面落空;2)开成的综采工作面内出现了较大的断层，需跳压开采。由于利用三维地震勘探可以查明5 m以上的断层和3 m以上的断点以及幅度大于5 m以上的褶曲，因此三维地震可为新建矿井设计和工作面布置提供良好的地质保障，从而有效地避免地质风险。

2．3 优化综采面布置

利用巷道掘进资料对三维地震解释成果进行动态分析，优化综采面布置随着巷道掘进的深入，利用新的巷道资料对地震解释成果中的小构造、煤层底板深度进行修正，可对工作面设计方案进行适当调整，使综采面布置更加合理，增加综采工作面的日产量。

2．4 降低支护成本

利用三维地震勘探成果，可以合理选择巷道支护形式，降低支护成本。巷道支护是煤矿生产中的重要环节，其成本较高。利用三维地震勘探成果可以预测掘进工作面前方断层的分布状况。当掘进工作面前方无断层时，可选择锚杆支护，而当断层和裂隙发育时，可选择加密锚杆和锚索支护，因此可降低巷道的支护成本［4］。

3 三维地震勘探技术在煤矿采区中的应用

3．1 利用面切片技术和相干体技术检测小断层

面块切片是具有一定厚度的时间切片，反映一定时间厚度的地震信息，利用面块切片上反射界面在空间上的形态和振幅变化，可以解释出落差很小的断层。小断层在面块切片及地震剖面上的反映，在剖面上小断层表现为同相轴的扭曲，在振幅型面块切片上表现为弱振幅条带，在时间型面块切片上，表现为反射时间的突变。相干体技术是主要用于描述断层和地层特征的解释。其原理是在偏移后的三维地震数据体中，通过对每一道每一个样点求得与其周围数据的相干性值，来获得一个表示地震数据相干性的三维数据体。利用地层不连续性在相干体上表现的低相干值，进行断层的解释。相干体沿层切片上的低相干条带的长度代表断层的延展长度，条带的方向代表断层的走向［2，3］。

3．2 探测煤层内的旋纽构造

在一些煤田，利用全三维可视化技术解释，能发现采区约3 km2范围的旋纽构造。空间形态上旋纽构造的特点:1)煤层形状像跷跷板，2)大断层形态呈反S形，跷跷板的支点处断层直立，支点两侧为正断层和逆断层。该构造的发现，对重新评价煤田开采条件及煤田储量有很大的意义［1］。

3．3 利用全三维综合解释发现了新构造运动

近年来，在一些煤矿进行的三维地震勘探中，利用全三维综合解释技术，在新地层中发现了很多断距较大的断层，包括正断层和逆断层。有些属于活断层，是老构造的继承或复活，属于新构造运动的表现形式之一。新构造断层由于活动性强，断裂裂隙胶结封闭程度差，因此易发生涌水，在矿井设计建设过程中，应排除新构造运动给煤矿带来的安全隐患。

3．4 探测煤系地层中的陷落柱

在中国北方煤田中陷落柱是很常见的塌陷。陷落柱通常隐伏存在于含煤岩系中，破坏了煤层的连续性，使用普通探测技术很难发现其存在。在煤炭开采过程中易导致冒顶和突水事故的发生。三维地震勘探技术与二维地震勘探相比，分辨率要高，使勘探精度有了很大提高，因此，该技术能够探测到陷落柱的存在，特别是在平原地区勘探效果比较理想，但三维地震勘探技术也受限于山区地形和浅层地质条件的限制。

3．5 利用测井约束地震反演，预测煤系地层及煤层的空间变化

随着地震勘探程度的加深，煤矿采区的地质任务在精细构造研究的基础上正向煤层横向预测发展。利用测井约束地震反演，将测井资料的纵向高分辨与地震资料的横向高分辨有机地结合起来，使界面型的地震资料转换成岩层型的测井资料，以煤层为单元，进行煤层及其顶底板岩性的空间变化预测，拓展了煤矿采区三维地震勘探的应用范围［1］。

3．6 利用沿层振幅切片探测巷道及采空区

某矿区地震数据采集阶段，主采煤层已开掘了两条长180 m、截面为3 m2的巷道。巷道在沿层振幅切片和地震剖面上表现为强振幅，所解释的位置和长度与煤矿提供的实际平面位置完全相符。某矿区的一主采煤层在三维地震勘探前已采掘完，形成一采空区。由于煤层采空后形成的塌陷现象，造成采空区边界处地震反射波出现中断空部位地震波零乱。采空区在沿层振幅切片上表现为弱振幅条带，可通过强弱振幅的变化带圈出采空区的边界位置。

4 结语

三维地震勘探技术在煤矿采区地质勘探中发挥了很大的作用。在实际勘探过程中，可采用其他物探手段和三维地震勘探相结合的方式，对采区地质状况进行准确预测，避免不合理开采造成事故的发生。

［1］彭苏萍，杜文凤，赵 伟，等．何登科煤田三维地震综合解释技术在复杂地质条件下的应用［J］．岩石力学与工程学报，2008(6):71-72．

［2］王怀洪，王秀东，田育鑫．利用相干体技术探测煤矿微小构造方法研究［J］．地球物理学进展，2007(5):21-22．

［3］汤祥武，宋中应．三维地震勘探小断层的解释方法及应用［J］．煤矿开采，2002(15):26-27．

［4］武喜尊．三维地震勘探技术在煤矿生产建设中的应用［J］．煤炭企业管理，2004(4):170-171．