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三维地震勘探综合解释技术 在探测3煤层中的应用 收稿日期2 0 1 9 0 7 0 1; 修订日期 2 0 1 9 1 0 1 4; 编辑 陶卫卫 作者简介 刘兴金1 9 8 2 , 男, 宁夏中卫人, 高级工程师, 主要从事地球物理勘探技术应用工作; Em a i l2 8 4 1 0 2 0 9 3q q . c o m ①山东省煤田地质局物探测量队, 山东能源枣庄矿业 集团 有限责任公司七五煤矿北七采区深部三维地震勘探报告,2 0 1 8年。 刘兴金1, 宋嗣麒1, 张运国2 1.山东省煤田地质局物探测量队, 山东 济南 2 5 0 1 0 4;2.山东能源枣庄矿业集团有限责任公司七五煤矿, 山东 枣庄 2 7 7 1 0 0 摘要 七五煤矿是枣庄矿业集团旗下主要生产煤矿, 地质条件比较复杂, 不仅断层较发育, 而且主采3煤层存在冲 刷、 沉缺、 采空区和岩浆岩侵入等地质现象, 对下一步巷道及工作面布置造成很大影响, 北七采区为七五煤矿接续 采区, 急需查明区内地质构造及煤层赋存状况, 通过采用常规地震时间剖面及地震属性综合解释技术, 结合钻探资 料查明了区内3煤层上述地质现象的赋存边界, 后期巷道揭露与三维地震解释结果吻合度较好, 取得了较好的应 用效果。 关键词 三维地震勘探; 综合地质构造技术; 煤层赋存状况; 采空区; 七五煤矿 中图分类号P 6 3 1. 4 文献标识码 A d o i1 0. 1 2 1 2 8/ j . i s s n . 1 6 7 2 6 9 7 9. 2 0 2 0. 0 6. 0 0 8 引文格式 刘兴金, 宋嗣麒, 张运国.三维地震勘探综合解释技术在探测3煤层中的应用[J].山东国土资源,2 0 2 0,3 6 6 5 8 6 2. L I U X i n g j i n, S ONG S i q i, Z HANG Y u n g u o . A p p l i c a t i o n o f 3 D S e i s m i c E x p l o r a t i o n C o m p r e h e n s i v e I n t e r p r e t a t i o n T e c h n o l o g y i n D e t e c t i n g N o . 3 C o a l L a y e r s[J]. S h a n d o n g L a n d a n d R e s o u r c e s,2 0 2 0,3 66 5 8 6 2. 0 引言 七五煤矿原隶属于山东省监狱局, 于1 9 7 3年6 月建井, 2 0 1 6年7月1日整体划转枣庄矿业 集团 有 限责任公司, 矿井设计生产能力9 0万t/a。北七采区 深部位于井田东部边界附近, 以往勘查程度较低, 区 内已施工钻孔揭露3上、 3下煤层不同程度存在冲刷、 沉 缺、 采空和岩浆岩侵入等地质现象, 其对煤矿高效、 安 全生产影响极大, 因此准确查明区内3煤层赋存状况 是煤炭生产迫切需要解决的关键问题之一[ 18]。 该次三维地震勘探通过采用常规地震时间剖面 与地震属性相结合的综合解释技术, 查明了区内3 煤层冲刷、 沉缺、 采空区和岩浆岩侵入等地质现象的 位置和范围, 经后期巷道实际揭露, 煤层冲刷带位 置、 采 空 区 范 围 与 地 震 资 料 解 释 成 果 吻 合 度 较 高[ 91 9], 达到了三维地震勘探效果, 为矿方解决了煤 矿开采地质问题①。 1 地质概况 井田处于滕县煤田南部, 井田范围东以李桥断 层为界, 西至欢城、 纸坊断层; 北与田陈、 欢城煤矿相 邻, 南至微山县城, 井田面积约4 6 k m 2, 行政区划隶 属于欢城镇。区内地层由老到新为奥陶系、 石炭系、 二叠系、 侏罗系及第四系。主要含煤地层为太原组 及山西组, 其中位于山西组3上、3下煤层厚度大, 层 位稳定, 两者间距在3 03 5m之间, 为该井田的主 要可采煤层, 也是地层对比的重要标志层; 位于太原 组中下部的1 2下、1 6煤层, 由于受岩浆岩侵入的影 响, 对煤层破坏严重, 在区内大部分煤层变为天然 焦。 2 常规地震时间剖面解释 2. 1 正常3煤层对应的反射波特征 受煤层冲刷、 沉缺、 岩浆岩侵入影响, 区内3煤 85 第3 6卷第6期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 0年6月 层厚度变化较大, 3上煤层厚度0. 6 73. 7 7 m,3下煤 层厚度0. 5 22. 8 4m,3上煤层的厚度大于3下煤 层。 T3波是解释构造及3煤层赋存状态的主要依 据, 当3上煤层与3下煤层保存完好的情况下,T 3波 有2个正相位和2个负相位组成, 分别代表3上煤 与3下煤形成的反射波 图1 , 因3上煤层较3下煤 层厚, 且位于上部,T 3上波能量强、 同相轴连续性好, 受3上煤层屏蔽及3下煤层薄的原因,T 3下波能量较 T3上波弱, 但连续性较好。通过分析掌握3煤层与 反射波对应关系, 可以充分利用地震资料横向高分 辨特性, 结合钻探资料, 查明3煤层在区内赋存情 况。 13上煤层反射波 23下煤层反射波 图1 研究区正常3煤层反射波特征 2. 2 煤层冲刷解释 根据煤层地震波形成机理中煤层振幅的调谐现 象可知[ 6], 厚度小于1 0 m 的煤层其厚度与地震振幅 成正比, 根据这一理论可以对煤层冲刷带和采空区 进行解释[ 1 0]。 区内X 0 1 8钻孔揭露3上煤层变薄, 厚度为 0. 7 2 m,3下煤层保存完好, 厚度为1. 7 5m,3上煤层 反射波同相轴变弱和消失,T 3下波及其下部能量开 始增强, 符合3上煤层冲刷变薄的特征; 在研究区中 北部局部地区, 3上煤层冲刷变薄,T3上波能量变弱, 3上煤层对3下煤层屏蔽作用减弱, 但是3下煤层反 射波能量依然较弱甚至消失, 通过结合钻探资料确 定3下煤层在该区域被冲刷 图2 。 2. 3 煤层沉缺解释 煤层沉缺带 俗称无煤带 是因构造原因形成的 煤层变薄或缺失以致不可采的地带或条带。区内 X 2 1 4钻孔揭露3下煤层沉积缺失, 对应的T3下波 消失 图3 ,T 3下波位置出现空白带, 由于3下 煤层 1煤层冲刷区 图2 3煤层冲刷在时间剖面上的反映 的缺失, 3下煤层下部相位能量变强, 根据上述时间 剖面的特征解释了3下煤层在该范围沉缺。 1煤层沉缺区 图3 研究区3下煤层沉缺在时间剖面上的反映 2. 4 煤层采空区解释 在三维地震勘探前, 位于研究区西南角边界的 7 0 5工作面对3上煤层进行了开采, 地震时间剖面上 反映该处3上煤层反射波消失, 由于3上煤层采空, 上覆地层变得疏松, 密度降低[ 1], 传播于其中的地震 波的能量、 速度、 频率均发生不同程度的变化, 造成 3下煤层对应位置反射波不连续、 波形异常、 零乱、 能 量弱等特征 图4 。 2. 5 岩浆岩侵入解释 井田内岩浆活动比较强烈, 主要沿 近S N和 EW向断裂, 以岩株或岩墙形式上升侵入各煤层, 侵 入方式多以熔蚀为主, 次为贯入和尖劈, 岩浆沿断层 上升的同时, 并向断层的东西两盘侵入到深部地层 中, 贯入规模较大的热能岩浆体, 同时又沿着含煤地 层以下的岩层节理、 裂隙和井田内发育的其他断层, 95 第3 6卷第6期 技 术 方 法 2 0 2 0年6月 1采空区 图4 采空区在时间剖面上的反映 上冲至含煤地层, 并以熔蚀为主的侵入方式“ 挤开” 煤层顶底板后侵入煤层或直接顺厚煤层侵入, 对煤 层造成破坏[ 2,9]。 根据该区钻孔3煤层岩浆岩侵入情况结合地震 资料, 时间剖面上显示的反射波组发生了明显变化 图5 , 其特征主要有以下2个方面 1 煤、 焦、 岩浆岩混合带 波形特征发生明显变 化, 反射波的能量减弱, 振幅降低, 原有连续性好的 反射波同相轴特征遭到破坏, 取而代之的为短轴状、 不连续的同相轴 蠕虫状显示 , 时间剖面的品质降 低[ 1 8]。 2 岩浆岩吞蚀区 反射波同相轴能量变得很 弱、 甚至消失, 说明煤层被岩浆岩破环最严重[ 1 4]。 1岩浆岩吞蚀区;2煤、 焦、 岩浆岩混合带 图5 岩浆岩侵入3煤层在时间剖面上的反映 3 地震属性解释 地震属性指的是那些由叠前或叠后地震数据, 经过数学变换而得出的有关地震波的几何学、 运动 学、 动力学或统计学特征[ 3], 常用的几种地震属性有 振幅、 波形、 频率、 相位和方差等[ 4]。3煤层与围岩 物性差异较大, 可以形成能量较强的反射波, 反射波 振幅强弱直接反映了煤层的厚度变化趋势。均方根 振幅是将振幅平方的平均值再开平方, 由于振幅值 在平均前平方了, 因此, 它对3煤层特别大的振幅非 常敏感; 最大振幅是分析时窗内的最大正、 负振幅, 最适合绘制层序内或沿着特定的反射体上的振幅异 常图, 能够间接地反映出3煤层厚度细微变化。通 过提取各种属性参数反复对比, 提取了3煤层层位 同相轴振幅属性, 时窗长度为3煤层反射波同相轴 上下各5 m s, 可以较好地反映出3煤层变化情况。 从图6、 图7可以看出,3煤层厚度在区内变化 趋势明显, 其中红色区域3煤层反射波振幅较强, 反 映了3煤层保存完好、 煤层厚度正常、 煤层较厚; 黄 色区域煤层厚度较红色区域薄; 蓝色区域反射波振 幅较弱, 对应3煤层较薄, 厚度大多小于最小可采厚 度0. 7 m, 结合钻探资料, 可以圈定3煤层冲刷、 沉 缺、 采空、 岩浆岩侵入边界, 也可以半定量地解释3 煤层厚度变化趋势。 1煤层冲刷区;2煤层采空区;3岩浆岩吞蚀区;4三维勘 探区边界;a最大振幅; b均方根振幅 图6 研究区3上煤层反射波最大振幅、 均方 根振幅属性显示 4 综合解释方法 该次三维地震综合解释主要采用常规地震时间 剖面与地震属性2种方法综合对比解释。常规地震 时间剖面根据3煤层反射波能量、 波形与频谱等特 征变化; 地震属性解释主要提取了该区对煤层厚度 反映较明显的最大振幅和均方根属性, 结合钻探资 料, 2种解释方法成果互相对比、 验证, 最终确定各 地质现象的分布范围, 利用上述2种解释方法, 进一 步提高了3煤层解释的精度。 06 第3 6卷第6期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 0年6月 1煤层冲刷区;2煤层沉缺区;3岩浆岩吞蚀区;4三维勘 探区边界;c最大振幅; d均方根振幅 图7 研究区3下煤层反射波最大振幅、 均方根振幅属性显示 5 应用效果分析 根据提交的北七采区深部三维地震勘探成果报 告, 七五煤矿对前期开拓的7 1 5和北七巷道进行了 调整, 在巷道开拓过程中揭露的煤层底板标高、 断层 位置及落差、 煤层冲刷带位置、 采空区范围与地震资 料解释成果吻合度较高。 5. 1 3上煤层冲刷带验证情况 七五煤矿北七运输和轨道下山巷道在开拓过程 中均揭露了三维地震解释的煤层冲刷带 图8图 1 0 , 其揭露位置于地震解释位置相差在2 0m之内, 精度高于三维地震勘探要求技术指标。 1粉砂岩;2粉砂质泥岩;33上煤层;4正断层;5断层 落差与倾角 图8 研究区北七巷道揭露3上煤层冲刷与 三维地震解释成果对比图 5. 2 3上煤层采空区 在三维地震勘探前, 位于研究区西南角边界的 1粉砂岩;2粉砂质泥岩;33上煤层;4正断层; 5断层落差与倾角 图9 研究区3上煤北七运输下山地质素描图 1粉砂岩;2粉砂质泥岩;33上煤层;4正断层; 5断层落差与倾角 图1 0 研究区3上煤北七轨道下山地质素描图 7 0 5工作面对3上煤层进行了开采, 根据地震资料解 释的3上煤层采空区范围与后期搜集到7 0 5工作面 资料对比 图1 1 , 地震解释范围与实际范围基本一 致。 1三维地震解释采空区边界;2三维勘探区边界;3见煤钻孔 图1 1 三维地震资料解释3上煤层采空区与实际资料对比 6 结论 在地震地质条件复杂地区, 由于多种因素影响, 地震资料解释势必存在多解性, 常规地震时间剖面 解释, 仍然停留在强烈地依赖解释人员经验的阶段, 不同的解释人员会有多种解释方案, 仅靠少量的钻 16 第3 6卷第6期 技 术 方 法 2 0 2 0年6月 孔及常规时间剖面解释难以准确控制煤层变化情 况。地震属性技术是通过计算机提取地震数据中的 属性信息, 这些信息有助于解释人员对地质现象的 正确认识, 但是地震属性与所预测的对象之间关系 很复杂, 当地质构造比较复杂时, 选择合适的地震属 性很困难, 提取地震属性间也不完全独立, 有些属性 包含的信息是相近的, 需要从中选出恰当的属性。 通过采用常规地震时间剖面和结合地震属性综 合解释技术, 可以增加对复杂地区地震资料的认识 程度, 提高资料解释准确度及精度, 其中地震属性技 术也是实现地震资料向定量半定量发展的关键技 术, 可以精确地解释构造和煤层的赋存状况。 参考文献 [1] 卫红学, 尚中磊, 张吉宁.三维地震探测煤矿采空区的可行性 [J].新疆石油地质,2 0 1 3,3 46 7 0 6 7 0 9. 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Q i w u C o a l M i n e o f S h a n g d o n g E n e r g y Z a o z h u a n g M i n i n gG r o u p L i m - i t e d C o r p o r a t i o n, S h a n d o n g Z a o z h u a n g 2 7 7 1 0 0, C h i n a A b s t r a c tQ i w u c o a l m i n e i s t h e m a i n p r o d u c t i o n c o a l m i n e o f Z a o z h u a n g m i n i n g g r o u p . I t s g e o l o g i c a l c o n - d i t i o n s a r e v e r y c o m p l e x . F a u l t s w e l l d e v e l o p e d w i d e l y . S c o u r i n g, s u b s i d e n c e, g o a f a n d m a g m a t i c i n t r u - s i o n o c c u r r e d i n N o . 3 m i n i n g l a y e r, w h i c h h a v e a g r e a t i m p a c t o n t h e l a y o u t o f r o a d w a y s a n d w o r k s p a c e i n t h e n e x t s t e p . B e i q i m i n i n g a r e a i s t h e c o n t i n u o u s m i n i n g a r e a o f Q i w u c o a l m i n e . I t i s u r g e n t t o i n v e s t i - g a t e g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s a n d t h e o c c u r r e n c e o f c o a l l a y e r s i n t h e a r e a . B y t h e c o m b i n a t i o n o f c o m p r e h e n - s i v e i n t e r p r e t a t i o n o f c o n v e n t i o n a l s e i s m i c t i m e p r o f i l e s a n d s e i s m i c a t t r i b u t e s w i t h t h e b o r e h o l e d a t a, t h e o c c u r r e n c e b o u n d a r i e s o f t h e a b o v e -m e n t i o n e d g e o l o g i c a l p h e n o m e n a i n t h e t h r e e c o a l l a y e r s i n t h e a r e a h a v e b e e n i d e n t i f i e d . L a t e r r o a d w a y e x p o s u r e s a r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e r e s u l t s o f t h r e e -d i m e n s i o n - a l s e i s m i c i n t e r p r e t a t i o n, a n d g o o d a p p l i c a t i o n r e s u l t s h a v e b e e n a c h i e v e d . K e y w o r d s3 D s e i s m i c e x p l o r a t i o n, g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s; m i n i n g a r e a; Q i w u c o a l m i n e; o c c u r r e n c e o f c o a l l a y e r s 26 第3 6卷第6期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 0年6月