宁夏银星二号煤矿三维地震勘探技术应用研究

白晓飞，吴 侠，邓国成，皮 伟

（1.河南省地质物探工程技术研究中心，河南 郑州 450009； 2.河南省地球物理空间信息研究院，河南 郑州 450009）

宁夏吴忠银星二号煤矿位于毛乌素沙漠西南边缘，呈低缓丘陵地貌。在此处开展三维地震工作，因厚沙土层覆盖等因素，存在2处难点：①研究区内障碍物导致的部分炮、检点偏移；②浅表层地震地质条件不一致，低降速带变化剧烈，存在一定的静校正问题。关于厚沙土层覆盖区三维地震勘探数据采集方法研究成果不多，缺少可供参考的数据采集经验。本文针对上述难点进行探讨研究，采取改善激发接收条件措施，依据试验确定技术参数，确保原始数据采集质量。施工时关注各种方法检查炮点、检波点位置，偏移距对应关系等，使空间属性和地震数据准确对应，确保观测系统定义的正确性；数据处理采用层析静校正与剩余静校正二者相结合方法，最终取得了较好的三维地震勘探效果。

1 地质概况与地震地质条件

1.1 地质概况

调查区内全部被第四系沙土所覆盖，地表无基岩出露，根据钻孔揭露，区内地层见表1[1]。

表1 井田地层Tab.1 Well field formation

井田内含煤地层属侏罗系延安组，平均厚度435.31 m，含煤层平均总厚度19.96 m。编号煤层为1—18下煤，自上而下依次为：1、3、3下、4上、4、5、6、7、8、9、10、11、12、14、15、17、18、18下，共18层。其中可采煤层10层。

根据各煤层的分布范围、煤层厚度和资源量情况，确定主要可采煤层4层：5、10、11、18下煤；次要可采煤层为1、3、3下、4上、4、12煤层，见表2。

1.2 地震地质条件

研究区属厚沙土层覆盖层，低洼地段表层多为盐碱性泥滩；地势较高处多为沙土掩盖且大部分被植物固定，局部有呈链状分布的沙丘随季节流动，表层结构松散且均匀性较差。虽大部分地段存在潜水位，但区内黄土覆盖层过厚，对地震波传播不利。研究区内各主要可采煤层顶底板多为砂岩、粉砂岩、泥岩，同煤层存在较大的波阻抗差异，易形成煤层反射波。主要煤层间距变化较大，部分次要煤层与主要煤层之间难以形成独立的反射波。

2 野外地震采集

2.1 试验区参数

通过对该区3个试验点激发层位、井深、药量试验以及浅层条件的分析，确定了如下施工参数。

表2 可采煤层的厚度、层间距等煤层发育情况Tab.2 Development of minable coal seams such as thickness and interval

以该区潜水位下2 m为激发层位，厚黄沙区（试验点1附近）：井深16 m，药量3 kg；薄黄沙区（试验点2附近）：井深10 m，药量3 kg；盐碱滩区（试验点3附近）：井深8 m，药量2 kg。

检波器主频60 Hz，每道4个，2串2并，为防止风吹草动对检波器的影响，增加耦合效果，保证接收效果，检波器挖坑埋置。成孔方式为沙陀钻，成孔速度快、深度大、穿透力强等特点。

记录长度1 s，采样间隔1 ms。

2.2 三维观测系统主要参数分析

此次工作借鉴邻区三维勘探成功经验，采用小面元、适当方位的观测系统，同时注重炮检距的均匀分布，为精细落实小构造和岩性解释提供丰富的原始资料。观测系统论证将重点对面元大小、覆盖次数和最大炮检距等关键参数[2-5]进行分析：观测系统设计测线采用北东东向布设，叠加次数选择25次（横5×纵5）、CDP网格大小为5 m×10 m，道间距为10 m。设计最大炮检距Lmax小于浅层折射波干扰的距离，等于或略大于主要目的层的深度。目的层最大深度Z约为650 m，煤系地层倾角20°～25°。横向应外推160 m，纵向深部外推3排炮点。记录长度暂定为1 s。

2.3 三维观测系统参数的选取

选择10线10炮制规则线束状三维观测系统进行施工，利于提高信噪比。具体参数如下：

接收道数400/800/1200，接收线数10条，接收线距40 m，接收道距10 m，激发炮排距40/80/120 m，激发炮点距20 m，CDP网格10 m（横）×5 m（纵），叠加次数25次（横5×纵5），横向最大炮检距270 m，横向最小炮检距10 m，纵向最大炮检距200/400/600 m，纵向最小炮检距0 m；最 大 炮 检 距336.0/482.6/658.0 m。

3 资料处理

资料处理时的局部错误会影响到全区的解释结果，在此期间要结合研究区地质特征，谨慎对待全部数据与参数，以确保实验数据处理过程中高分辨率、高信噪比、高保真度[6]。

（1）采用炮点位置分布图、初至交互检查等技术，查找、纠正物理点位坐标的错误，确保初始化工作准确无误。

（2）采用层析静校正处理，有效消除因地表地形产生的野外静校正影响。

（3）在净化原始地震数据时，选取多域、多方法去噪处理，结合处理人员经验选用合理初至切除参数和动校后切除参数，可用于提高浅中层的信噪比；叠前采用各种有效的保幅去噪技术与手段，尽可能地消除各类干扰波对目的层间弱反射信号的影响，保护低频有效信号。

（4）基于叠前去噪处理技术，完成振幅补偿。如：将球面扩散补偿与地表一致性振幅补偿相结合[7]，对地震反射波进行补偿，合理消除大地对激发的地震波严重吸收衰减的影响，使研究区各道的振幅趋于一致；采用叠前地表一致性预测反褶积处理技术[8]，压缩子波，可以有效提高目的层煤层分辨率，拓宽有效信号频带，达到实现地表一致性子波处理的工作目的。

（5）利用高精度动校正技术实现共反射点道集的同相叠加，保证高频信号在叠加中不受损失；加上适当的信号增强处理，提高叠后剖面的信噪比。

（6）对野外数据进行认真分析检查，通过层析静校正技术建立合理的研究区近地表模型，求取准确合理的野外一次静校正量；将速度分析同剩余静校正二者进行循环迭代，可得高精度的动、静校正结果。

在结合相邻研究区处理经验，制订了如下处理流程，确定了关键处理参数[9-12]（图1）。

图1 处理流程Fig.1 Processing flow

提高信噪比是此次工作重点，必须有效压制各项干扰波，研究区的主要干扰波是野值和低频面波、声波、随机干扰。使用人工交互剔出坏道后，再运用地表一致性原理进行异常振幅压制，可以完全剔除野值。采用自适应面波衰减方法对低频面波干扰进行压制。针对研究区存在的声波、随机干扰，采用“多道统计、单道去噪、分频压制”的指导思想进行压制。

4 资料解释

按照已知→未知、简单→复杂、点→面、大→小的原则，利用解释工作战灵活、直观、高效率的特性[13-14]，综合研究区内全部地质、物探资料，对三维数据体进行资料解释（图2）。

图2 资料解释流程Fig.2 Data interpretation flow chart

4.1 波组特征与命名

在时间剖面上，反射波组呈倾斜状，其突出特点是反射波强弱相间出现，且反差显著。这一反射波组是由侏罗纪含煤地层形成的，其中的强反射波是煤层与其顶底板之间存在的显著波阻抗差造成的。由于研究区煤层较多，不同煤层反射波存在干涉现象，造成有些煤层反射波变弱或消失。此次三维地震勘探的主要目的层为5、10、11、18下煤层，次要目的层为1、3、3下、4上、4、12煤层，如图3所示。

T1波是1煤层形成的反射波，由1个相位构成，能量时强时弱、连续性差，不易对比追踪；T3波是3煤层和3下煤层形成的复合反射波，由1个相位构成，能量时强时弱，连续性差，不易对比追踪；T4波是4上煤层形成的反射波，由1个相位构成，全区能量较弱，连续性差，不易对比追踪；T5波是4煤层和5煤层形成的复合反射波，由1个相位构成，能量弱时强时弱，连续性差，不易对比追踪；T10波是10煤层和11煤层形成的复合反射波，由1个相位构成，能量强，连续性好，易连续对比追踪；T12波是12煤层形成的反射波，由1个相位构成，全区能量较弱，连续性差，不易对比追踪；T18波是18下煤层形成的反射波，由1个相位构成，能量时强时弱，连续性较差，不易连续对比追踪。

图3 研究区典型时间剖面Fig.3 Typical time profile of the study area

4.2 区内目的层反射波的对比追踪

根据地质任务，此次解释工作主要是对煤层反射波的追踪。

（1）强反射波的对比追踪。T10波能量较强，连续性好，特征明显，全区较容易连续对比追踪。

（2）弱反射波的对比追踪。由于T1、T3、T4、T5、T12、T18波能量弱，连续性较差，不易追踪；对T1、T3、T4、T5、T12、T18波的对比追踪综合采取了以下措施：①充分利用已知的钻孔资料，绘制煤层间距等值线，以指导波的对比追踪；②进行整个波组对比，考虑辅助相位的变化情况；③充分发挥水平切片与垂直剖面联合显示对比的优势。

4.3 构造与岩性解释

4.3.1 褶曲解释

研究区煤系地层在研究区整体呈单斜形态，在单斜形态上发育一背斜和一向斜，如图4、图5所示。

4.3.2 断层解释

断点解释最为重要，在时间剖面上，主要表现为同相轴的错断。

大断点错断明显，有一定的时差，在剖面上容易解释（图6）。对于小断点解释采用彩色剖面显示，逐级放大、层拉平等手段，还采用了对小断点分辨率较高的新技术综合解释。

图4 褶曲在时间剖面上的反映Fig.4 Reflection of fold on time section

图5 褶曲在等时切片上的反映Fig.5 Reflection of folds on isochronous slices

图6 断点在时间剖面上的反映Fig.6 Reflection of breakpoints on time profile

4.3.3 煤厚解释

采用反射波的振幅和人工神经网络对煤厚进行了预测。

（1）波形振幅法。研究区各煤层厚度1.10～3.25 m，而煤层反射波主波长约50 m，所以煤厚<λ/4，煤厚与煤层反射波振幅呈准线性，可用振幅来反演煤厚。

（2）BP人工神经网络。此次解释利用petrel软件提取了多种地震属性，并进行对比，最后优选了6种属性（平均能量、最大振幅、最小振幅、平均振幅、均方根属性、主频属性）作为神经元，对煤层厚度变化趋势进行了解释。

5 地质成果

5.1 煤层分布特征

查明煤层分布特征，主要煤层为5、10、11、18下和次要煤层1、3、3下、4上、4、12的底板形态基本相同，总体形态为走向NW、倾向SW的单斜形态，在单斜背景上发育2个较大的褶曲，背斜（S1）和向斜（S2），背斜（S1）位于研究区西部，轴向近SN，北端仰起，南端倾伏，两翼不对称，西翼较陡，东翼较缓，向斜（S2）位于研究区北部，轴向近SN，北端逐渐扬起，两翼基本对称。10、11、12、18下煤层分布全区，其他煤层在测区东部都有缺失。以12煤层为例，煤层底板标高在+760 ～+1 180 m，最深处位于研究区西南部边界附近，底板标高约+760 m；最浅处位于东北部边界附近，约+1 180 m。12煤层底板等高线如图7所示。

图7 12煤层底板等高线示意Fig.7 Contour map of 12 coal seam floor

5.2 褶曲和断层

查明了研究区内发育的褶曲构造主要为S1背斜和S2向斜。

（1）S1背斜。轴部位于研究区北部，轴向SN，北端逐渐仰起，两翼不对称，西翼较陡，煤层倾角16°～35°，东翼较缓，煤层倾角6～15°，区内延展长度约1 000 m。在时间剖面上反映明显。

（2）S2向斜。S2向斜轴部位于研究区北部，轴向SN，向斜北端逐渐扬起，两翼基本对称，煤层倾角10°～14°。区内延展长度约1 100 m。在时间剖面上反映明显。

研究区共解释断层45条。

6 结论

宁夏吴忠银星二号煤矿地处丘陵地貌，区内相对高差较大，且被厚沙土层覆盖，不利于地震波的传播；浅表层地震地质条件不一致，存在一定的静校正等问题。通过采取积极措施，保障了原始数据质量；采用层析静校正与剩余静校正二者相结合方法，最终查明了区内煤层、褶曲和断层分布情况，为煤矿开发设计提供了依据。