煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院

二零零九年十月

一、煤礦采區(qū)三維地震勘探存在的問(wèn)題

　　　近年來(lái)，三維地震勘探技術(shù)廣泛用于煤礦采區(qū)的合理布置、主巷道的開(kāi)拓、綜采工作面開(kāi)采地質(zhì)條件的評(píng)價(jià)，在礦井和采區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化、避免和減少地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)選采煤方法等方面起到了重大作用。

　　　三維地震勘探提供了能反映地質(zhì)體時(shí)空變化的三維數(shù)據(jù)體，見(jiàn)圖1。利用該數(shù)據(jù)體，可以提取垂直剖面、時(shí)間切片和立體數(shù)據(jù)，以滿足解釋工作的需要，見(jiàn)圖2。

圖1  三維地震數(shù)據(jù)體

圖2  從三維地震數(shù)據(jù)體提取的垂直剖面和地震切片

　　　垂直剖面分為三種，垂直于構(gòu)造走向的剖面稱為主測(cè)線剖面，通常表示為Inline方向；與主測(cè)線剖面相垂直的為聯(lián)絡(luò)測(cè)線剖面，通常表示為Crossline方向；實(shí)現(xiàn)地震資料與地質(zhì)資料直接對(duì)比而連結(jié)部分鉆孔的測(cè)線稱為聯(lián)井測(cè)線，對(duì)應(yīng)的剖面為聯(lián)井剖面。

　　　地震切片分為兩種，水平切片是地下不同層位的信息在同一時(shí)間內(nèi)的反映，它相當(dāng)于某一等時(shí)面的地質(zhì)圖，即同一張切片里顯示了不同層位的信息；沿層切片把地下同一層位的信息顯示到一張切片上。

　　　目前，我國(guó)主要礦區(qū)的生產(chǎn)礦井均做了采區(qū)三維地震勘探工作，獲得了大量的三維地震數(shù)據(jù)。在地震地質(zhì)條件較好的地區(qū)，可以解決的主要地質(zhì)問(wèn)題是：

　　　(1) 查明落差大于等于5m的斷層，提供落差小于5m的斷點(diǎn)，平面擺動(dòng)誤差小于30m；

　　　(2) 查明幅度大于等于5m的褶曲，主要可采煤層底板深度誤差不大于1.5%；

　　　(3) 查明新生界(第四系)厚度，深度誤差不大于1.5%；

　　　(4) 探明直徑大于30m的陷落柱。

　　　近年來(lái)，在使用三維地震勘探成果的過(guò)程中暴露出許多問(wèn)題，主要包括：

　　　(1) 地震成果的利用率低，僅限于煤層底板等高線圖和固定間距的地震時(shí)間剖面，無(wú)法利用三維地震數(shù)據(jù)體的所有信息；

　　　(2) 無(wú)法實(shí)時(shí)獲得沿巷道方向(即任意方向)的地震剖面；

　　　(3) 無(wú)法對(duì)煤層底板等高線的誤差進(jìn)行修正；

　　　(4) 在掘進(jìn)和回采過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)許多小于5m的斷層，但是無(wú)法自動(dòng)修改原構(gòu)造解釋方案(即無(wú)法自動(dòng)修改煤層底板等高線圖)。

二、煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)

　　　造成上述問(wèn)題的主要原因是，目前三維地震資料解釋系統(tǒng)(如LandMark、GeoFrame等)均為安裝在UNIX系統(tǒng)下的工作站上，過(guò)于專業(yè)化，而且價(jià)格昂貴，煤礦地質(zhì)人員一般無(wú)法使用。

　　　因此，隨著煤礦生產(chǎn)對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)解釋的需求越來(lái)越高，煤礦地質(zhì)人員急需一種安裝在微機(jī)上，基于WINDOWS平臺(tái)，價(jià)格便宜、簡(jiǎn)單易學(xué)的、具有基本解釋功能的地震數(shù)據(jù)解釋系統(tǒng)。它將使得地震資料能夠隨煤礦生產(chǎn)進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)解釋，提高三維地震成果利用水平，以便解決更多的地質(zhì)問(wèn)題。

　　　經(jīng)過(guò)多年的研究，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院開(kāi)發(fā)了“煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)”，先后公布了多個(gè)版本。煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)(V1.0)于2008年獲得國(guó)家軟件版權(quán)，見(jiàn)圖3。

圖3  軟件版權(quán)證書(shū)

　　　煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)由三維工區(qū)管理、數(shù)據(jù)體剖面顯示、數(shù)據(jù)體切片顯示、地震屬性技術(shù)和三維可視化等五個(gè)模塊構(gòu)成，圖4為系統(tǒng)的主界面。

圖4  煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)的主界面

　　　煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)具有以下主要功能：

　　　(1) 三維工區(qū)數(shù)據(jù)管理

　　　包括建立工區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)、將UNIX SEGY格式的三維數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換為PC-DOS SEGY格式、工區(qū)切割、二維測(cè)線提取、三維數(shù)據(jù)體的輸入、相對(duì)坐標(biāo)與絕對(duì)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)體數(shù)據(jù)格式化輸出等。

　　　(2) 鉆孔資料管理

　　　根據(jù)鉆孔(包括井巷工程和回采過(guò)程中)的見(jiàn)煤深度資料計(jì)算速度場(chǎng)，可以對(duì)速度場(chǎng)實(shí)時(shí)刷新。通過(guò)刷新后的速度場(chǎng)資料再反算煤層底板等高線圖，從而可以實(shí)現(xiàn)煤礦三維地震數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)解釋。圖5為工區(qū)底圖中顯示的速度場(chǎng)資料。

　　　(3) 地震剖面顯示和輸出

　　　對(duì)三維數(shù)據(jù)體的Inline剖面、Crossline剖面、聯(lián)井剖面和任意方向剖面進(jìn)行顯示，對(duì)二維測(cè)線進(jìn)行顯示，顯示方式包括波形、波形加變面積、彩色變密度、灰度、雙極性等。圖6為聯(lián)井地震剖面顯示。

　　　對(duì)三維數(shù)據(jù)體的Inline剖面、Crossline剖面、聯(lián)井剖面和任意方向剖面進(jìn)行輸出，輸出方式可以是PC-DOS SEGY文件或圖形文件。

圖5  工區(qū)平面底圖

圖6  聯(lián)井地震剖面

　　　(4) 地震切片顯示

　　　對(duì)三維數(shù)據(jù)體的時(shí)間切片和沿層切片進(jìn)行顯示，顯示方式包括彩色和灰度。

圖7為沿層彩色切片顯示。

圖7  沿層彩色切片

　　　(5) 地質(zhì)剖面顯示

　　　在顯示地震剖面的同時(shí)，在另一窗口顯示所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)剖面。

　　　(6) 地震標(biāo)準(zhǔn)層位追蹤與拾取

　　　包括三種層位拾取方法，手動(dòng)拾取、半自動(dòng)拾取和自動(dòng)拾取。同時(shí)，也可以利用其它解釋系統(tǒng)得到的層位數(shù)據(jù)。

　　　(7) 斷層解釋

　　　在地震剖面圖上拾取某個(gè)目的層斷點(diǎn)、斷面等，并可在平面底圖上對(duì)解釋斷點(diǎn)進(jìn)行組合。

　　　(8) 地震解釋成果輸出

　　　利用實(shí)時(shí)刷新的速度場(chǎng)可以得到實(shí)時(shí)刷新的各標(biāo)準(zhǔn)層的構(gòu)造解釋成果，輸出方式為AutoCAD文件。

　　　(9) 地震屬性計(jì)算

　　　提取21個(gè)一維、二維地震屬性參數(shù)；計(jì)算相干數(shù)據(jù)體與方差數(shù)據(jù)體；利用Mallat算法計(jì)算正交小波數(shù)據(jù)體；利用Gabor變換計(jì)算譜分解三維數(shù)據(jù)體。

　　　(10) 采掘工程圖平面顯示

　　　對(duì)于煤礦生產(chǎn)過(guò)程中使用的采掘平面圖可以輸入到本系統(tǒng)中的工區(qū)底圖中，從而作為重要的已知地質(zhì)信息幫助煤礦地質(zhì)人員解釋和理解三維地震資料。圖8顯示的是某采區(qū)部分采掘工程圖。

圖8 采掘工程圖在平面底圖上的顯示

　　　(11) 地震數(shù)據(jù)三維可視化顯示

　　　對(duì)三維地震數(shù)據(jù)體、地震剖面、地震切片等進(jìn)行三維立體顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)體的動(dòng)態(tài)放大、縮小、平移等交互操作。圖9是某采區(qū)的交叉剖面立體顯示，圖10是某采區(qū)的沿層切片立體顯示，圖11是三維數(shù)據(jù)體中的部分?jǐn)?shù)據(jù)體的顯示。

圖9 交叉剖面顯示

圖10 沿層切片立體顯示

圖11 三維數(shù)據(jù)體中部分?jǐn)?shù)據(jù)體的顯示

三、煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)

　　　傳統(tǒng)的三維地震解釋服務(wù)于煤礦勘探階段，與煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程相脫節(jié)。煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)是指“三維地震信息與煤礦生產(chǎn)過(guò)程中所獲得的礦井地質(zhì)信息相互融合”。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，服務(wù)于煤礦生產(chǎn)階段，實(shí)現(xiàn)了三維地震信息隨煤礦生產(chǎn)進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)解釋，徹底改變了傳統(tǒng)的三維地震解釋模式，提高了三維地震成果的利用水平，能夠解決更多的地質(zhì)問(wèn)題。

四、應(yīng)用實(shí)例

1．探查陷落柱

　　　2006年6月，安徽恒源煤電股份有限公司深部采區(qū)在井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有陷落柱的存在，而原有的地質(zhì)資料上沒(méi)有關(guān)于這個(gè)陷落柱的信息，這在很大程度上影響了煤礦的正常生產(chǎn)。

　　　陷落柱在時(shí)間剖面上一般表現(xiàn)為上下煤組的反射波自下而上中斷或消失，成為一片反射波空白帶，出現(xiàn)明顯的“塌陷漏斗”現(xiàn)象，見(jiàn)圖12，有時(shí)在陷落柱邊緣出現(xiàn)明顯的地震異常擾曲反射波，這些異常表現(xiàn)結(jié)合水平沿層切片和相干方差切片上，可對(duì)陷落柱進(jìn)行有效查找。

圖12  陷落柱在地震剖面上的反映

　　　利用煤礦地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)，根據(jù)4、6煤層反射波的特征，結(jié)合沿層切片和相干切片(圖13)對(duì)勘探區(qū)內(nèi)陷落柱進(jìn)行了查找，發(fā)現(xiàn)一處上、下煤層均錯(cuò)斷大于20m的塌陷漏斗狀的陷落柱現(xiàn)象，長(zhǎng)軸約為140m，短軸約為70m。

圖13  陷落柱在4煤層沿層切片(左)和相干切片(右)上的顯示

2. 探查古溶洞

　　　2006年11月24日，臨沂礦業(yè)集團(tuán)丘集煤礦在11煤層頂板巖巷掘進(jìn)過(guò)程中突然涌水，水量達(dá)1200，極大的影響了煤礦的正常生產(chǎn)。根據(jù)水文地質(zhì)資料和地質(zhì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，初步判斷出水點(diǎn)東南部存在斷層或垂直構(gòu)造。由于7煤層采空區(qū)的影響和位于勘探邊界，三維地震資料沒(méi)有做出任何解釋。

　　　利用煤礦地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)對(duì)三維地震資料進(jìn)行了重新分析，在出水點(diǎn)東南方向200m~300m處發(fā)現(xiàn)一個(gè)古溶洞(陷落柱)，見(jiàn)圖14，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度大概200m左右，短軸長(zhǎng)度大概150m左右。

　

　圖14  解釋古溶洞(陷落柱)的位置

　　　解釋古溶洞(陷落柱)過(guò)程以三維地震資料為主，結(jié)合礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)資料。根據(jù)地震剖面上煤層反射波同向軸連續(xù)性和振幅變化來(lái)確定陷落柱邊界，波對(duì)應(yīng)7煤，波對(duì)應(yīng)10煤，波為10煤和13煤的復(fù)合波。圖15中，波同向軸出現(xiàn)空白帶，但并不存在落差，這是典型的陷落柱反映。圖16為古溶洞(陷落柱)在波沿層方差切片上的反映。

圖15  Crossline852線地震剖面

圖16  古溶洞(陷落柱)在波沿層方差切片上的反映

3.3 修正煤層底板深度

　　　陽(yáng)煤集團(tuán)二礦九采擴(kuò)區(qū)15煤層在回采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)撓曲構(gòu)造，給煤礦生產(chǎn)造成重大損失。圖17中，黑色線條為回采后的實(shí)際構(gòu)造形態(tài)(地質(zhì)解釋成果)，綠色線條為地震解釋成果，可以看出二者差異很大。

　　　利用煤礦地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)對(duì)三維地震資料進(jìn)行了重新解釋，通過(guò)認(rèn)真分析，發(fā)現(xiàn)造成解釋誤差的原因是速度資料與層位時(shí)間不準(zhǔn)確。對(duì)回采區(qū)域的煤層反射波進(jìn)行了重新對(duì)比追蹤。在此基礎(chǔ)上，利用回采區(qū)域內(nèi)巷道提供的15煤層底板深度資料(圖18中的“■”標(biāo)記)生成了新的速度場(chǎng)，然后對(duì)新的層位時(shí)間進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，最終獲得了15煤層的底板標(biāo)高，即修改后的地震解釋成果，見(jiàn)圖18。從圖18中可以看出，三條巷道之間的區(qū)域，地震解釋成果和地質(zhì)解釋成果基本一致，原因是利用了9個(gè)控制點(diǎn)，相當(dāng)于增加了9個(gè)虛擬鉆孔。但是，在該區(qū)域之外，由于沒(méi)有速度約束資料，二者的差異盡管縮小，但仍然存在。

　　　對(duì)比圖17和圖18的地震解釋成果(紅色標(biāo)注的綠色線條)，發(fā)現(xiàn)利用修改后的地震解釋成果能夠大致控制撓曲構(gòu)造的形態(tài)。

圖17  地震解釋成果和地質(zhì)解釋成果

圖18  修改后的地震解釋成果和地質(zhì)解釋成果

4. 圈定巖漿巖侵入煤層范圍

　　　臥龍湖煤礦北一采區(qū)的巖漿巖侵入煤層情況較為復(fù)雜，一直沒(méi)有摸清其在采區(qū)內(nèi)的分布規(guī)律。以6煤層為例，正常煤層反射波與巖漿巖侵入煤層反射波之間存在著明顯的頻率差異，圖19(a)是正常煤層反射波的頻譜，其主頻為65Hz；圖19(b)是巖漿巖侵入煤層反射波的頻譜，其主頻為89Hz。通過(guò)對(duì)比可知，當(dāng)煤層被巖漿巖侵入后其反射波的主頻增高，頻譜寬度明顯增加。因此，對(duì)煤層反射波進(jìn)行譜分解處理，選擇低頻、中頻和高頻譜分解切片作為解釋的依據(jù)，見(jiàn)圖20。

(a) 正常煤層反射波頻譜             (b) 漿巖侵入反射波頻譜

圖19 煤層反射波頻譜特征

 

25Hz譜分解切片                   (b) 45Hz譜分解切片

 

65Hz譜分解切片                    (d) 85Hz譜分解切片

圖20 煤層反射波譜分解切片

　　　通過(guò)對(duì)比譜分解處理結(jié)果，發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入6煤層在譜分解切片上有以下主要特征：

　　　(1) 在低頻段譜分解切片上表現(xiàn)為低能量，隨著頻率的提高，其能量越來(lái)越強(qiáng)。形成這一現(xiàn)象的主要原因在于煤層被巖漿巖侵入后，殘存的煤層較薄，反射波能量主要集中在高頻段。在25Hz切片上其能量極低；在45Hz切片上其能量有所提高，但明顯低于正常煤層的能量；在65Hz切片上其能量與正常煤層的能量同樣強(qiáng)；在85Hz切片上其能量略強(qiáng)于正常煤層的能量。

　　　(2) 在所有頻段的譜分解切片上都有一定的能量，有時(shí)與正常煤層的反射能量相當(dāng)。但是，在頻率為正常煤層主頻(65Hz)的譜分解切片上，其能量明顯小于正常煤層的反射。

　　　根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，利用譜分解技術(shù)可以劃分出6煤層的巖漿巖侵入?yún)^(qū)，見(jiàn)圖21。

圖21 6煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)分布圖

5. 應(yīng)用情況

　　　煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)已經(jīng)在多家單位得到應(yīng)用，包括皖北礦業(yè)集團(tuán)、淄博礦業(yè)集團(tuán)、淮南礦業(yè)集團(tuán)、龍口礦業(yè)集團(tuán)、開(kāi)灤礦業(yè)集團(tuán)、邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)、晉城礦業(yè)集團(tuán)、潞安礦業(yè)集團(tuán)、肥城礦業(yè)集團(tuán)、鐵法礦業(yè)集團(tuán)、新汶礦業(yè)集團(tuán)、兗州礦業(yè)集團(tuán)、義馬礦業(yè)集團(tuán)、鶴崗礦業(yè)集團(tuán)、陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)、山西焦煤集團(tuán)西山煤礦總公司、魯能煤電集團(tuán)公司、山東煤田地質(zhì)局、安徽煤田地質(zhì)局、山西煤田地質(zhì)局、陜西煤田地質(zhì)局。

五、服務(wù)方式

　　　煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓、人員培訓(xùn)，煤礦三維地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)服務(wù)。

　　　聯(lián)系人：崔若飛(教授)

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