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摘要:
本文通過實例說明,應用三維地震勘探方法,只要合理選擇施工參數,精細資料處理解釋,充分發揮地震解釋軟件先進強大功能優勢,多方位、多角度、多方法準確解釋采空區不但可行,更是最好選擇。
關鍵詞:
三維地震勘探;采空區
近年來煤礦發生的許多透水、巷道坍塌等事故都與采空區及其周邊應力效應有關。因此,及早發現和圈定采空區范圍,采取相應措施,對保證煤炭安全生產,提高煤礦效率,有非常重要的現實意義。
1采空區的地球物理特性
采空區勘探一直是煤礦地質勘探的亟待解決難題。采空區的地震反射波含有大量的信息資料,通過提取地震波在傳播時間、振幅、相位、頻率等方面的變化,可反演計算出相應地層速度、密度及其他彈性參數,進一步了解地層及煤層變化情況,如地層構造、巖性變化、煤層厚度、分叉合并缺失等。通過研究標準反射波同相軸的消失、變強、強相位轉換及在采空區繞射波振幅的強弱變化等,并以此來確認采空區存在及其范圍。因此,地震勘探具備解決采空區的地球物理特性的方法。
2實例分析
2.1勘探區地震條件
所述勘探區地貌為剝蝕中低山區,以低山丘陵為主。主要山梁及溝谷走向為北北東向。地層由老到新有:奧陶系中統峰峰組,石炭系中統本溪組、上統太原組,二疊系下統山西組、下石盒子組,上統上石盒子組、石千峰組、三疊系下統劉家溝組、第四系。煤層主要有3#、15#煤,3#煤位于山西組下部,煤層頂板厚50.58m左右。煤層厚度6.56m,結構簡單,無夾矸。偽頂為泥巖或砂質泥巖,老頂為厚層狀砂巖。底板為泥巖、炭質泥巖或砂巖,為全區穩定可采的煤層,局部有采空區。15#煤位于太原組下部K2灰巖之下,下距奧陶系界面約18.72m,煤層厚度2.43m,結構簡單。發育0-1層夾矸。頂板為K2灰巖,局部發育一薄層黑色泥巖,底板為泥巖或鋁土質泥巖,為賦煤區穩定可采的煤層。3#煤層埋深約為200m,15#煤層埋深約為250m。泥巖的波速一般為2600~3200m/s;砂巖的波速為3000~3700m/s;灰巖的波速一般為4000~5000m/s;煤層的波速為2300m/s。各煤層與其頂、底板的波阻抗差異十分明顯。在采空區影響范圍外,能得到良好的反射波組。可見該區深層地震地質條件良好。
2.2勘探方法
根據地質任務與地形地貌、目的層深度和構造情況,本次采用中間放炮、20次覆蓋的12線5炮制束狀觀測系統,采用576道接收,道距選擇為5m,CDP網格2.5×5m。由于區內采空區分布較多,對三維地震采集影響較大,往往會造成反射波能量減弱、信噪比降低。因此,在資料采集過程中,遇到資料不好地段均做了補炮,并加大了井深、藥量,盡可能提高信噪比,提高采空區勘探的可靠性和準確度。
2.3資料處理解釋
本次地震數據處理實行目標處理,以高保真、高信噪比、高分辨率為原則,嚴格加強質量監控措施,精選處理參數,精細處理,并重點加強了以下幾個環節:(1)采用了初至折射靜校正、自動剩余靜校正逐步細化的靜校正方法。在綠山初至折射靜校正的逐炮拾取階段,為了保證所拾取的初至折射波,均來自于全區能連續追蹤的同一層,建立了精確的近地表模型。在準確求取了綠山所得靜校正量后,分離長波長分量及短波長分量,應用短波長分量,解決鄰道間的巨烈跳躍現象。在此基礎上求取剩余靜校正量,求自動剩余靜校正量時,應用較好的標志層(煤層反射波),使其達到效果理想而且保真。(2)注重疊前單炮記錄凈化,在反褶積處理之前盡量將面波、聲波等各種干擾波濾除干凈。(3)為提高地震資料的分辨率,選擇多道統計反褶積方法來歸一化地震子波,改善了不同記錄道之間波形特征不一致、能量差異過大的現象。(4)處理過程中充分利用各種資料做好速度分析工作,確保了最終剖面上波組特征明顯、地質現象清楚、斷層斷點歸位合理、斷面清晰。(5)廣泛收集區內鉆探、測井資料,進行人工合成地震記錄,與成果剖面進行對比分析。最終完成2.5×2.5×0.5ms為單元的三維數據體成果。在此基礎上,經過特殊處理產生的各種屬性數據體。本次地震資料解釋利用GeoFrame4.4解釋軟件包,在SunBlade2000工作站上采用人機聯作完成,解釋過程中充分利用了工作站優勢,從多方位、多角度,并利用多種方法對區內采空區進行了識別與準確定位。全區解釋了煤層存在采空區5處,形態、規模大小及塌陷程度各異,后經鉆孔驗證、實地踏勘及采掘驗證,位置及規模等均準確無誤。本區煤層采空區,地震時間剖面上表現為T3波同相軸中斷,對應區域煤層反射波能量變弱,波形異常,輔助相位排列雜亂、無規律、斷斷續續。塌陷嚴重區繞射波強,而且有的從淺部甚至地表開始就有強繞射。下圖為不同塌陷的兩個采空區時間剖面,圖1為規模小、煤層頂板基本完整小采空區,時間剖面繞射波不太發育,煤層有缺失。圖2為大片采空,塌陷厲害,地表有裂縫,時間剖面表現為自淺部開始有繞射波極發育。圖中,弧長屬性主要反映地震波波形特征,本區采空區表現為采空范圍內裂縫分布無規律,形成多個波阻抗反射面,多種波混疊,波形復雜無規律。在振幅圖上,本區采空區內反射波能量減弱、衰減強烈,穿過空氣裂縫發生波的散射,振幅降低,而正常區大面積振幅值比較穩定。在頻率屬性圖中,反映地震反射波頻率特征的有瞬時頻率、優勢頻率與頻帶寬度3種地震屬性。瞬時頻率屬性能揭示地層細節,本區采空區,反映瞬時頻率跳躍變化較大。在相位屬性圖上,能反映出不同地震道反射波排列雜亂特點,本區采空區引起了地震道反射波的不同延時。
3應用效果及待解決的課題
煤礦采空區尤其是以往私挖亂采無資料的小煤窯,給煤礦安全生產帶來巨大隱患,給后期工民建、橋梁等建設也帶來許多安全隱患。許多物探研究者曾用過許多種方法解決采空區勘探,但許多方法應用都不理想。如目前常用的是瞬變電磁法,只能圈定其大致范圍,對具體深度和范圍勘探就不敢斷言。其存在的問題:(1)施工工藝復雜,地震無論從施工、資料處理解釋,專業性都比較強。因此,人才的培養需要一個很長的篩選、成熟過程;(2)時間周期長,如火工品審批及工農關系協調均有許多不可控因素;(3)三維地震勘探人員、設備投入大,地震破壞造成的賠償大,價格比較昂貴。在目前市場經濟中,筆者深刻體會到,許多采空區勘探項目往往是由于價格高,使得業主改選了其他如瞬變電磁方法等。可見,價格昂貴是制約三維地震項目開展的一個難題。業界有人針對這個問題曾提出過改用電火花代替炸藥震源,但沒有實質性進展,相信假以時日,這些問題會得到解決。
4結論
三維地震能高精度地確定煤田采空區位置深度,并能在一定程度上評價塌陷程度,是一個不可替代的最佳方法。相信三維地震方法,通過不斷完善,會越來越成熟,一定會在煤田采空區勘探中的發揮越來越重要的作用。
【參考書目】
[1]何樵登,熊維綱.應用地球物理教程—地震勘探[M].北京:地質出版社,1990.
[2]王振東.淺層地震勘探應用技術[M].北京:地質出版社,.1994.
[3]董敏煜.地震勘探[M].北京:石油大學出版社,2000.
作者:彭紅衛 單位:山西省地球物理化學勘查院