煤矿井下采区地震勘探技术现状与思考

煤矿井下采区地震勘探技术现状与思考

采矿工程10—2 黄福顺 学号 1001030210

摘 要:为了对高产高效矿井安全生产提供可靠的地质保障,促进采区地震勘探技术的发展,回顾了采区地震勘探的发展现状,重点讨论了采区三维地震勘探技术的应用现状及其最新进展情况,对当前煤矿采区三维地震勘探所面临的问题进行了探讨,展望了采区三维地震勘探技术所面临的新任务与应用前景。基于采区地震勘探是煤矿高产高效矿井地质保障系统有重要作用,必须切实对目前采区地震勘探技术的数据采集,全三维方法的资料处理、解释与岩性分析手段等新技术新方法应用加以改善。

关键词:地震勘探;观测系统;全三维解释;解释性处理技术

1 概 述

高产高效矿井必须要以充分可靠的开采地质条件为基础,由于矿井开采地质条件缺乏系统掌握,在采区和工作面布置与生产上具有一定的盲目性,进一步损失煤炭储量,这方面的教训很多。采区地震勘探,特别是采区三维地震勘探在解决煤层构造、煤层厚度变化、煤层中的地质异常体、煤层顶底板岩性和矿井水文地质等方面具有优势,已被矿井开采实践所验证

[1]。1993年由中国矿业大学和安徽省煤田地质局物探测量队联合开展的/煤矿采区高分率三维地震技术0研究项目,在淮南矿务局谢桥煤矿首次在采区地质勘探中查明了落差大于5以上的断层,三维地震勘探资料显示埋深460 m、断面3.2 m*3.8 m、相距50 m的主副石门被检测,取得了重大的技术突破[2-3]。高分辨率三维地震勘探资料显示了很高的信噪比、分辨率和解决地质问题的效果与能力[4]。

自谢桥煤矿采区三维地震勘探之后,采区三维地震勘探在全国得到了迅速推广应用,地震勘探的精度和分辨率大幅提高,取得了显著的地质效果和巨大的社会经济效益[5-6]。 由于采区三维地震勘探地质目标、勘探任务和研究目标的精细程度不同,在外作业数据采集、数据处理和资料解释等方面有其自身特点,它要求较小的时空采样间隔,高分辨率、高信噪比、高保真度,反射波准确归位,即/三高一准确0的处理方法及精细的构造解释。采区三维地震勘探为煤矿采区的开发决策、巷道布置与开拓布局提供了可靠依据,三维地震勘探在勘探小断层、褶曲、巷道、陷落柱、火成岩分布、采空区等检测工程及解决问题的能力上是二维地震勘探无法比拟的。在10多年的不断研究、不断探索的过程中,煤矿采区三维地震勘探工作取得了瞩目的成果[7-8]。随着技术的进步,方法技术、仪器设备与处理软件的发展,对物探工作者提出了更高的要求,数据采集、资料处理和解释工作还有很大的潜力尚待发挥

[9],与此同时,采区三维地震勘探发展还面临一些问题需要探讨与解决。

2 煤矿采区三维地震勘探的现状

211 仪器设备

随着电子技术、信息技术、计算技术和网络技术的发展与进步,进一步推动了三维勘探技术装备的更新和发展。主要体现在工程测量、数据采集、资料处理与解释装备不断更新与发展上。 目前采区三维地震的测量工作大多采用在等级控制点上采用静态方法发展控制点,测线放样采用实时差分(RTK)的方法放样, GPS测量外业设置一个基准站,数个流动站。测量效率高,精度高。

近年来,地震勘探仪器升级换代的速度明显加快,由原来的集中式数控型变为分布式数控型,地震仪器的道数不断增加。在最早使用2台DFS)V型仪器并行使用的基础上逐步发展,如早期的法国SN)388遥测地震采集系统,美国产的BOX和DS)6地震仪,德国产的SUMMIT地震仪,发展更新成为法国SN)408和SN)428、加拿大GEO)X公司的ARAM ARIES以及美国I/O公司的IMAGE系统等。其主要特点是:¹采集道能力可达上万道甚至无限道,采样率可达1/4

ms或更小;º可有线,无线采集或两者混合使用,过障碍物可中继传递;»放炮、记录、数据传输可并行操作,提高野外采集效率;¼在施工现场可进行实时质量监控和数据分析;½实现了真正的网络采集,以适应复杂地表条件。

伴随着采区三维地震勘探从平原走向山区、湖泊沼泽区、卵砾石丘陵区、厚黄土塬区、戈壁沙漠区,吸收和引进了石油物探的一些成功经验和使用设备,如可控震源、山地钻机、凿眼机及人抬钻等,因地制宜地开发了水上和沼泽施工的特殊设备,正是由于仪器装备的改进与发展,采集方法技术不断推陈出新,采区三维地震在很多地区都取得了满意的地质效果。

地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的数据采集关键部件。近年来通过不断实践,已逐步认识到地震检波器的性能是制约高分辨率地震数据采集发展的瓶颈。国内外相继推出了许多新型的地震检波器(模拟检波器、数字检波器、加速度检波器等),推动了地震勘探的发展。在勘察资料处理和解释设备方面,各生产单位和科研院校大多拥有SUN系列的图型工作站或微机群(PC-CLUS-TER),配备了多套相应的处理、解释与成图软件,为煤田采区三维地震勘探的方法试验、方法设计、参数论证、现场处理与分析、人机联作解释、全三维可视化解释技术的应用提供了硬件保障。

212 数据采集技术[10-12]

数据采集的重点是在确保一定信噪比的前提下,提高地震资料的分辨率,以利于精细勘探。数据采集的质量与效果直接影响后续资料处理和地震地质成果,当前,由于市场竞争激烈,采区三维地震勘探采集费用几乎占到全部工程费用的75%,为此优化三维地震观测系统显得尤为重要:¹宽方位采集,改善面元方位角特性,同时方便复杂地表条件施工,降低勘探成本;º采用灵活的面元技术,合理布置激发和接收点,提高采集速度,保证采集质量;»专业化设计软件给物探技术人员一个更广阔的思维空间,可综合考虑技术和经济合理性;¼在复杂地形和地面条件地区,采用非纵、特观和GPS动态定位技术,灵活方便地布置观测系统,使得水上、山区、黄土塬区、戈壁等地区地震勘探也能获得较好的数据采集。

煤田系统大多应用绿山(MESA)软件、克浪(KLSeis)软件、OMNI软件和一些自行开发的软件在地震勘探数据采集中进行观测系统设计、参数论证和试验资料分析。

213 煤田三维地震资料处理[13]

1)所用软件为法国的CGG、美国的ProMAX、西方地球物理公司的欧米伽和国内的Grisys系统等。

2)煤田地震勘探资料的处理可分为现场处理、初步处理和精细处理3个阶段,其宗旨是以“三高”为处理目标。¹选择恰当方法做好静校正工作;º强化叠前的基础处理方法与手段;»提高煤层反射波的高频成分;¼精细速度分析和剩余静校正;½准确的偏移归位;¾注重模块的前后搭配。

3)运用新的处理技术与软件,针对不同目的层、不同地质目标、不同地质任务重新对过去采集的、已经处理的资料进行再认识、处理和解释,进一步解决新的地质问题。

4)基于煤田采区三维地震勘探的叠前偏移技术被广泛应用在倾角较大的目的层和深部构造复杂地区,取得了较好的地质效果。

5)利用地震资料与已知地质资料、钻探资料、测井资料为约束,进行地震资料反演,形成的波阻抗剖面,在山东、陕西、安徽、新疆等地取得了显著的地质效果。波阻抗剖面为解释人员提供了岩性、异常体、火烧区、煤层厚度等相关信息。

6)以崔若飞、程建远、董守华等教授为代表的开发出一套可在微机上运行的解释性分析与处理软件,对采区三维地震资料的外业采集质量、采集参数论证和量化评判、数据体转化和属性提取、三维地震资料动态解释和三维资料的微机可视化等进行了多方面的研究,有待于深入研究和全面应用。

214 地震资料解释[14-17]

近年来三维地震资料解释技术得到了较快发展。传统二维地震解释技术是通过选一定间隔的主测线和联络测线,在其上进行主要层位和断层的解释,再根据层位和断层的空间关系勾绘出等值线图。这种方法没有充分利用三维数据体的全部信息,缺乏地质体的整体空间概念,不易发现细微构造,其精度和效率都很低,尤其是没有进行三维属性数据体的分析。三维地震资料所特有的显示和解释手段多样化是三维地震勘探的重要特点,解释方法直接影响三维地震勘探地质成果的质量。

1)煤田三维地震资料解释大都使用GeoFrame软件系统,辅以landmark或者国内GRIStation地震解释系统。

2)全三维解释技术。所谓全三维解释是利用可视化技术对三维数据体进行全方位解释(观察、分析、描述、认识等)。其主要内容包括:面块切片技术、相干体(方差体)技术、属性分析技术、沿层切片解释技术、立体空间自动追踪技术、可视化技术等。

3)提高地震资料识别小断层能力。充分利用与地下构造及岩性有关的动力学信息,提取出煤层反射波中含有大量反映煤层构造变化的地质信息(地震特征参数),然后利用模式识别技术(模糊综合评判、模糊模式识别、分段线性模式识别、人工神经网络识别)、相干与方差体技术与图像处理中的细化以及边缘检测技术加以分析。

4)图像处理技术、虚拟现实系统及小波分析等相关学科在三维地震数据解释中得到运用,为识别采区内的小断层、陷落柱和其他异常体等提供手段,有利于地震解释,提高地震资料的信噪比,尤其是改善低信噪比地震资料的质量,利用先进的图像处理和系列图像分析技术进行创新性研究,提取能够反映地质结构的有效特征,有助于更好地对不同地质体以及断点、断层进行分析和解释。

5)形成了以钻孔反算求取平均速度法、分块建立平均速度法为主,同时应用层速度、拟合速度、空间速度场、虚拟地层时深转换法等方法进行时深转换,可根据采区的构造背景、横向速度变化特点、已知钻孔分布、巷道见煤点分布和地震资料本身特点选取不同的时深转换方法。

215 采区三维地震勘探主要地质成果[18-22]

有关探采对照资料表明,采区三维地震反射波连续形象地反映出小褶曲、牵引、挠曲等细微构造形态,煤层底板深度解释误差一般小于115%。利用三维地震成果,可准确划分采区综采块段、炮采块段和构造复杂带,满足采区巷道设计、采面布置和采煤方法选择要求。利用三维地震勘探成果,各个煤矿在矿井设计和采区布置上都不同程度地进行了调整,避免重大失误的发生。在三维地震成果应用方面,初步测算,潘谢矿区各矿每年可避免地质风险4~5次,一次地质风险的经济损失在1 000万元以上,可获得的效益十分可观。

目前,采区常规三维地震勘探主要解决的地质任务有:¹查明5m以上的断层,可解释3m左右的断点,控制煤层底板起伏形态;º解释区内主要煤层的厚度变化趋势;»解释陷落柱、采空区等其他地质现象;¼查明采区内主要煤层露头位置及风化情况;½圈定采区内主要煤层受古河床、古隆起、岩浆岩等影响的异常范围。

采区三维地震勘探区域逐步扩大,在东北地区、中西部地区的山区、戈壁、黄土塬、湖区沼泽地带等复杂地形地貌地区因地球物理条件的差异勘探效果有所差别,但大都取得了很好的地质效果。

216 新技术、新方法的运用[23-25]

近年来,随着煤炭形势的进一步好转,煤矿生产与安全也面临着新的挑战,越来越需要精确的地质构造信息,如何更好地为高产高效的煤矿生产提供地质保障,是采区三维地震勘探新的课题。

波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一,根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件,对井旁地震资料进行约束反演,并在此基础上对孔间地震资料进行反演,推断煤系

地层岩性在平面上的变化情况,这样就把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来,实行优势互补,大幅提高三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度。

波阻抗反演技术能够确定导水裂隙带的分布范围、围岩的透气性等,解决煤矿开采中的一系列问题,特别是影响煤矿安全生产的煤层底板突水和瓦斯突出等地质灾害问题。图1a是某煤矿采区三维地震Inline方向的常规地震剖面,尽管剖面的信噪比很高,T5波同相轴连续性很好,但其主频只有50Hz,无法界定煤层和顶底板之间的关系。图1b是相应的波阻抗反演剖面,其主频有了明显提高,煤层及其顶底板的位置清晰可见。

图1 常规地震剖面图与波阻抗反演剖面对比

3 采区三维地震勘探的若干问题与对策

采区三维地震勘探虽经近20 a的发展,在技术应用上仍然存在一些急需解决的问题,主要表现在:¹地震信号的检波器接收处于地震数据采集记录系统的前端,相对于地震仪的更新而言,对于检波器的选择、更新和维护显得非常不足,是进一步提高地震勘探分辨率的/瓶颈0;º地表条件复杂(山区或村庄、城镇密布区)及厚黄土覆盖地区、高速层下目的层和煤层为大倾角时的三维地震勘探等方面,在资料采集、现场实时质量监控和处理解释上尚存在较多困难与问题,山区和黄土塬地区的静校正还是技术难点;»地质异常体的解释还存在多解性,方法与手段比较单一,需要研究地震波场的特征和配合多种物探方法的解释;¼解释手段还不丰富,反射波的动力学特征研究还不够深入,全三维可视化解释技术需进一步发展和完善;½东部深部煤炭资源高精度勘探面临着考验,在较深的目的层(-1 000--1 500 m)、覆盖层较厚(300-700 m)、构造复杂、煤层层数多、煤厚不稳定且煤层层间距较小、部分煤层受岩浆岩侵蚀等种种不利的条件下,查明5m左右的断层还存在诸多技术上的问题;¾在市场经济条件和复杂地震地质条件下,各个院校、研究单位和各个施工队伍任务都比较繁重,难免有时出现了/技术浮躁0和在/市场化0的现实情况,采区三维地震勘探的投入、勘探成本、合理技术运用和资料(地质资料、物探资料)分析研究深度等多方面问题需要引起深思,特别是在技术骨干趋于年轻化时更需要适时加以培养、引导和教育;¿因三维地震资料解释周期的限制,对三维地震资料大都采用抽线解释的方法,并没有完全使用三维地震资料中每个CDP点的信息。因此需充分利用数据体展示地下断层展布及异常体的特征,实现断层等地质现象的全三维解释,同时在采掘过程中实现三维地震资料的动态解释,提高解释精度为矿井生产服务。

目前,采区地震勘探仅利用了人工激发的地震波的纵波信息,其基础理论是建立在地下介质是均匀的、水平层状的、各向同性的、半无限空间、弹性介质的理论基础上的,这些/理想化0的假设存在着太多的局限。对于不均匀介质或各向异性介质造成的各种复杂反射、散射和绕射现象,单分量地震无法全部记录下来,只有利用全波记录才有可能加以识别、分析。因此,必须在现有采区三维地震勘探技术不断发展完善的基础上,进一步提高煤炭采区三维地震勘探的分辨率,积极发展构造、煤层、岩性相结合的综合物探方法,积极推进多波多分量三维地震勘探等技术。

初步总结当前采区三维地震勘探的主要焦点:最佳覆盖次数与CDP网格大小;º目标采集与目标处理的问题;»全三维地震资料解释与探采效果对比的分析;¼最佳地质效果与经济效益的关系;½关于资料采集、处理、解释方面的新技术与新方法的应用;¾地震资料的动态解释与后续服务问题;¿以往勘探区连片处理,资料的再认识再解释问题。

优化地震采集设计、降低勘探成本、从技术和经济上统筹考虑最优化设计方案,精心设计、精细处理,显得格外重要。因此,对于今后的采区三维地震勘探,在完善监理制度、监理流程和对各个重要环节监控的同时,要把好施工设计、数据采集与处理重点等核心环节,对于地震成果解释的合理流程、方法手段和对地震地质资料的提交坚持反复校核、严格验收等原则。

影响地震资料解释精度因素很多,除了地震地质条件的地区差异、控制密度(如10 m*10 m、5m*10 m等)、覆盖次数(16, 20或24次等)、地表条件(如平原、山区、丘陵、戈壁与黄土塬区等)外,目前地震资料解释还存在不少解释误区,这是由于地震勘探毕竟是一种间接勘探的手段,同时地震勘探的精度还受制于地震勘探本身的方法原理、数据处理技术等因素制约,需要多方共同认识和努力。

4 结 语

当前,采区三维地震勘探仍将是解决复杂地质问题的最有效的手段,为煤矿建设和安全高产高效生产提供了可靠的地质信息和保障技术,是保持煤炭工业可持续发展的重要技术手段之一。需要提高三维地震解决地质问题的能力,提高分辨率是关键,三维地震良好的勘探效果得益于其信息量大,显示和人机解释手段多,需要进一步加强新技术新方法的应用,从构造勘探走向岩性勘探。三维叠前深度偏移技术将发展并成为常规处理技术;全三维可视化解释技术将使三维地震信息得到充分利用;三维三分量技术也会逐步走向实用,将使煤矿的许多地质问题得到解决,如地应力场变化,裂隙发育情况,煤层顶底板岩性也将得到解决。同时煤田物

探工作者加强构造学、地质学、矿井地质、煤矿开采、测井、重磁电知识的学习,善于运用综合物探方法解决煤矿采区勘探中遇到的有关地质问题、地质风险和地质灾害;充分利用钻探测井资料纵向精细,地震资料横向密集的特点,运用地震反演技术是把二者的优势结合,因而会有较好的发展前景,也是岩性勘探的基础。

目前采区地震勘探技术距离煤矿高效安全的要求,还存在着一定的距离。进一步提高勘探精度,获得更高的验证率,是当务之急。随着煤炭勘探资源的减少,采区三维地震的勘探难度越来越大,勘探目标转向地质情况更复杂、埋藏更深,厚度更小的煤层储藏区。为了在现阶段进一步挖掘三维地震技术的潜力,迫切需要解决一些现实的技术问题。值得注意的是,采区三维地震勘探仍然有很多环节和应用潜力值得深入研究,作为生产应用单位必须对当前市场操作、技术认识、动态解释与服务和技术进步等相关问题进一步统一认识,各方全力合作和不断总结,才能充分发挥采区三维地震勘探应有的作用。

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矿山岩体探测理论及应用

学习论文

姓名：黄福顺

资源与环境工程学院

班级：采矿工程10-2 学号：1001030210

2013年06月23日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wtjj.html