煤矿采区高密度三维地震深度域资料解释方法

孟凡彬

煤矿采区高密度三维地震深度域资料解释方法

孟凡彬

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

时间域地震资料解释比较成熟，深度域处理技术已经走向煤炭领域，但煤矿采区高密度三维地震深度域资料解释实际应用还存在很多问题。通过煤炭地震深度域层位标定、深度域断层解释、深度域底板成图的摸索应用，参考时间域解释的流程，初步建立在煤炭高密度三维地震深度域资料中直接解释煤田地质成果的方法。以淮北祁南矿三维叠前深度偏移地震资料应用为例，通过深度域、时间域地震数据的对比剖析，断层解释、回采面地震属性显示及底板成图，取得精度更高的结果，利于一线技术人员直接运用深度域地震资料来指导煤矿生产。

深度域解释；高密度三维地震；深度域层位标定；深度域断层；深度域倾角；祁南矿

随着煤矿向深部开采，对构造精度的需求越来越迫切，常规叠前时间三维地震、高密度时间三维地震在以往的工作中发挥了巨大作用，但在实际的工作面采掘过程中也遇到一些问题，小构造的丢失、断层的横向摆动误差等问题严重影响了煤矿的安全生产，也给生产带来一定隐患[1-4]。以往时间域三维地震资料在煤矿采区勘探存在一定缺陷，而叠前深度偏移是目前最先进的处理技术。当前，叠前深度偏移技术在石油系统应用比较广泛，前人对深度域地震资料解释存在的问题也做了分析研究[5]。张雪建等[6]认为在深度域进行层位标定与时间域的层位标定不同，提出了深度域层位标定方法；何惺华[7]从时间域和深度域的地震波场描述出发，分析得出时间域与深度域中的地球物理概念原理和方法是相互联系的，其数学表达方式相似；郝晓红等[8]进行了深度域地震资料解释探讨，提出一种在深度域进行解释的方法，尽量适应目前解释系统工作习惯、工作思路；周赏等[9]探索深度域地震资料的解释方法和流程，利用波数类属性进行了含油气性检测；韩必武等[10]利用提取的深度域方差属性、倾角属性体、曲率属性体及相干属性体进行主成分分析，将主成分分析后的成果与蚂蚁体属性融合，进行构造解释。叠前深度偏移是煤炭地震资料处理中最近几年发展的一项技术，在煤矿应用中尚未有成熟的深度域解释方法，尤其是“透明工作面”技术的提出，更需一种深度域精准的高密度三维地震资料数据，使之更好地为煤矿安全开采服务[11-13]。基于此，笔者通过深度域层位标定方法、深度域断层解释方法和深度域底板成图方法的研究，形成煤炭高密度三维地震深度域资料解释的一套流程，并应用于淮北临涣矿某巷道实际资料进行验证，以期为煤矿一线技术人员提供直接地质成果。

1 深度域数据层位标定

层位标定是开展含煤地层地质异常解释和属性分析的关键环节，是连接物探、地质和测井资料的纽带[14-15]。与常规物探数据资料的差异在于常规物探资料是时间域的，需要通过合成记录来建立时深关系，进而来进行层位标定[16-17]。深度域地震资料纵向刻度为深度，与测井数据的纵向刻度一致，可以直接实现井震联合显示，便于在深度域进行井震标定。时间域的合成地震记录通过反射系数和子波褶积来实现[18-20]。深度域人工合成记录是直接在深度域地震数据剖面上提取地震子波，然后利用褶积方法完成人工合成[21-23]。

与以往常规的人工合成记录类似，深度域的地震数据层位标定，也需要人工合成记录，也是通过输入声波、密度和井旁地震道数据[18]。值得注意的是，由于深度偏移是从零时刻和零深度起算，应选择从零深度开始的测井数据制作合成记录。

以钻孔2016-7为例(图1)，煤层在测井曲线上的异常总结起来主要为GGFR(人工伽马)与AC(声波时差)，根据这些特征可以用于识别岩性。煤层的测井曲线表现出：AC属于高异常，GGFR 属于低异常。根据经验公式可推算得到(密度值)，也可以得到P(纵波速度值)。根据测井曲线数据直接或间接得到地质分层及密度和速度曲线。密度估计值由研究区域的测井数据得到，可以利用人工伽马曲线使用经验公式计算得到密度曲线。同样的，速度曲线是指各岩层的深度与岩层对应速度之间的关系，速度曲线纵坐标是深度，横坐标是岩层的速度。可以根据研究区域内测井数据直接得到，钻孔2016-7的速度曲线是根据声波时差曲线计算得到。

图1 钻孔2016-7合成记录在深度域地震剖面显示

利用孔曲线中不同岩层位置和波形对比分层，速度采用层速度；每一个地质分层都具有一定的厚度，在这段岩层中，其地球物理参数并不均一，所以取平均值来代表这一段岩层的特征；测井变化对应着层位参数的变化，而同一岩层并不具有均一性，所以同一岩层对应的测井曲线也是变化的，但测井曲线的变化是在一定范围内的，所以取同一岩层对应的测井曲线的中点位置和波形对地层进行分层，例如：该区煤层密度范围为1.4~1.5 g/cm3，围岩为泥岩，密度为2.3~2.4 g/cm3，进行分层时取1.4~1.5 g/cm3范围的中点位置作为煤层位置。

在深度域地震数据体上提取深度域地震子波，地震子波是指一段具有确定的起始时间、能量有限且有一定延续长度的信号，是地震记录中的基本单元，一般认为，地震震源激发所产生的地震波仅是一个延续时间极短的尖脉冲，随着尖脉冲在黏弹性介质中传播，尖脉冲的高频成分很快衰减，波形随之增长，便形成了地震子波，一个地震子波一般有2~3个相位的延续长度，大约90 ms，然后以地震子波的形式在地下传播。

根据钻孔在地震数据体的位置，对比地震数据与深度域合成地震记录，根据波形相似原则，将主要目的层的各反射界面从上到下逐层对齐，根据分层、合成地震记录来对地震数据体进行层位标定，即完成深度域合成地震记录的标定。

2 深度域断层的解释

断层解释是煤层构造解释的重点，其在传统时间域里面的解释主要依据反射波同相轴波组错断、反射波结构突变、相位转换、同相轴扭曲、分叉、合并等特征来识别断层。断层解释要从平面、剖面、三维等不同角度进行解释，在淮北构造复杂区，常借助多属性沿层切片来辅助解释。

2.1 断层解释方法

深度域断层解释的方法与时间域类似，主要包含以下内容：

a.断层断点特征 传统的时间域剖面里解释断层断点是以同一煤层同相轴是否连续为主。一般层位的显示形式是波形、变面积显示，同时结合其他如变密度彩色剖面、灰度剖面识别断点。在平面上借助于层拉平切片和部分属性切片。

断层断点的主要标志为：同一煤层层位中断(明显的断层)、层位错开(小断层)或层位振幅突变(由强到弱、由弱到强，层位由多到少或由少变多)。对于落差很小的断层，断点煤层层位很难断开，主要依据煤层层位同相轴变化来判断(图2)，如连续性(是否有扭曲)和形状上(如“胖瘦”或由多变少)，表现在属性剖面上就是振幅强弱、频率高低的变化。小断层很难用肉眼判断，要借助其他手段，如放大镜、多种数学属性计算差异变化等来确定小断点的存在。

b.断层倾角解释 与时间域类似，但本质上不同。深度域无需速度转化，和《构造地质学》中提出的原理一样，如果把连续断开2个或2个以上煤层的反射波断点连接起来(图3)，这个连线即为断层面，与水平面的夹角为断层倾角，且为真倾角。

图2 深度剖面断点分布

图3 深度剖面上断层视倾角估算

c.断层组合 这与时间域的解释类似，首先，要依据区域特征及工作经验，把同一层位的连续剖面上断点(其特征相似，断点性质一样，落差接近)连起来。在地震资料分析过程中，倾向方向和走向方向得到的断层线，其合理性可通过其平面投影与之相交的测线及属性切片上来检验。如在平行断层走向的剖面上可以检查断层走向；在垂直断层走向的剖面上可以检查其落差、断面形态和水平断距；而在方差、蚂蚁、曲率属性平面上，可以分析断层的平面延展情况，最终来判断断层组合是否合理。

2.2 断层倾角计算

与时间域地震剖面不同，深度域剖面的纵向为深度，因此，深度域地震剖面可当作“拟地质剖面”，如图3所示，直接根据断层在垂直方向的距离Δ和水平方向的距离Δ之间的比值来估算断层的视倾角：

当顺着垂直断层走向截取深度域数据剖面时，这样计算出来的切断煤层的断层倾角为真倾角。

2.3 煤层层位倾角计算

与计算断层的倾角类似，如图4所示，图中绿线追踪的为下石盒子组下部地层72煤层的反射波，读取一段层位上的水平距离Δ和垂直距离Δ，据此可计算层位的视倾角*，即：

图4 深度剖面上煤层视倾角估算

Fig.4 Estimation of apparent dip angle of a coal seam in a depth profile

除断层外，采空区、陷落柱、煤层冲刷带及火成岩侵入区的深度域分析也是按照深度域层位异常来判断，借助剖面及属性多手段联合解释，在此不再赘述，但深度域构造异常的解释与时间域有着本质不同，方法思路类似，但地震子波含义不一样，这在以后的研究中会重点关注。

3 深度域煤层底板等高线成图方法

完成上述层位追踪和构造解释工作后，解释成果可以直接成图，进行深度域网格化，得到初始深度域成果图。

成图过程中无需速度转换环节，可直接形成煤层底板等高线，但个别地方存在误差，与井巷揭露的煤层底板高程值不一致，需消除。部分专家学者认为叠前深度偏移获得地震数据体，其剖面直接获取的底板高程值和井巷揭露的底板高程值一致，各煤层可以在深度域剖面上直接标定；而部分学者则认为叠前深度偏移获得地震数据体是相对准确的，只能尽量平移来减少地震层位与井分层之间的误差，不能进行非平移操作。

从煤矿深度域地震资料与最新巷道见煤点的验证情况来看，深度域煤层底板等高线还是有误差的，见表1。

时间域解释的底板等高线是通过速度误差来修正，而叠前深度出现的误差也需微调，最终实现深度域煤层底板等高线精度的提高。具体流程如图5所示。

这种构造成图方法避免了单层井震差异校正带来的空间形态畸变问题，使上下地层的构造图均趋向合理。图6为祁南煤矿103采区10煤层深度误差校正前后对比图。

在得到深度误差分布情况校正后获得最终深度图后，再使用研究区的基准面减去深度即可得到研究区目的层底板等高线图。

表1 煤层底板等高线与最新巷道见煤点验证情况

4 应用效果分析

通过叠前深度偏移处理技术获取的高密度深度域三维地震成果，进行祁南矿深度域断层解释、回采区地震效果及底板等高线成果图分析。

a.高密度深度域剖面与常规时间域剖面对比 由于上覆煤层的屏蔽作用，10煤层形成的反射波较7煤层、9煤层形成的反射波信噪比低，通过叠前深度偏移，10煤层形成的反射波较叠前时间偏移剖面连续性有了改善，使得在叠前深度剖面上更容易追踪10煤层反射波。

图5 深度误差校正流程

图6 祁南煤矿10煤深度误差校正前后底板等高线

从图7中可以看出，高密度深度域地震数据中10煤层的成像质量较好，发育于煤层中的断层断点绕射波收敛干脆，能清晰解释，煤层反射波连续性较好，成像质量提高。

图7 叠前时间偏移(上)与叠前深度偏移(下)剖面对比

b.深度域工作面回采地震属性及剖面展示 本区使用的高精度三维地震数据采集时间为2015年7月31日至2015年8月7日，即在本次数据采集之前回采的工作面为采空区。

在本工区西南部有3个工作面回采，即10113工作面、10114工作面和10115工作面，如图8所示。

图8 采区工作面回采与10煤振幅属性叠合

10113工作面是2007年3月至2009年4月回采，为采空区，由于该工作面位于工区勘探边界以外，振幅属性对该工作面的采空区反映不明显；10114工作面是2011年1月至2012年5月31日回采，为采空区，在属性切片上表现为低振幅区域，地震剖面如图9所示；10115工作面是2015年4月至2016年2月23日回采，三维地震数据采集时回采到粉色区域(图8粉色线圈定的区域)。

c.深度域断点解释分析 断层SDF8在时间域(PSTM)剖面上的上下盘落差仅4 ms，与巷道实见断层摆动误差达25 m，在深度域(PSDM)剖面上的上下盘落差为12 m，巷道此处实见断层为13 m，由此可知，深度域(PSDM)剖面与巷道实见断层较为相符，如图10所示。

图9 10114工作面采空区PSDM地震剖面图与属性平面图

图10 断层SDF8的PSTM、PSDM线对比ILN729

5 结论

a.通过煤矿采区高密度深度域地震资料的解释流程的探索应用，初步建立深度域层位标定方法、断层断点、断层倾角解释及深度域成图的方法步骤，初步形成煤矿采区深度域地震数据的解释流程，为在煤炭领域推广深度域解释技术提供技术借鉴。

b.利用淮北祁南矿井巷资料的验证对比分析，显示高密度深度域地震资料还需更多的实践，深度域地震资料解释还需进一步完善。

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Interpretation method of high density 3D seismic depth domain data in coal mining districts

MENG Fanbin

(Research Institute of coal Geophysical Exploration, China National Administration of Coal Geology, Zhuozhou 072750, China)

Time domain seismic data interpretation is relatively mature, and depth domain processing technology has been moved into the field of coal, but there are still many problems in the practical application of high density 3D seismic depth domain data interpretation in coal mining area. Through the exploration and application of coal seismic depth domain horizon calibration, depth domain fault interpretation and depth domain floor mapping, and referring to the process of time domain interpretation, the method of directly interpreting coal geological results in high density 3D seismic depth domain data is preliminarily established. Taking the application of 3D prestack depth migration seismic data in Qinan Coal Mine of Huaibei as an example, through the comparative analysis of seismic data in depth domain and time domain, fault interpretation, seismic attribute display of mining face and floor mapping, higher precision results have been achieved. The results of depth domain are conducive to the technical personnel of the front line to directly use the depth domain seismic data to guide the coal mine production.

depth domain interpretation; high density 3D seismic exploration; depth domain horizon calibration; depth domain fault; dip angle; Qinan Coal Mine

请听作者语音介绍创新技术成果等信息，欢迎与作者进行交流

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.011

1001-1986(2020)06-0080-07

2020-09-15；

2020-11-25

国家科技重大专项课题(2016ZX05041-002，2016ZX05043-001)

National Science and Technology Major Project of China(2016ZX05041-002，2016ZX05043-001)

孟凡彬. 1981年生，男，安徽灵璧人，硕士，正高级工程师，从事煤田地质与地球物理综合研究. E-mail：mfb2008@163.com

孟凡彬. 煤矿采区高密度三维地震深度域资料解释方法[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：80–86.

MENG Fanbin. Interpretation method of high density 3D seismic depth domain data in coal mining districts[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：80–86.

(责任编辑 聂爱兰 周建军)