煤礦三維地震數據動態解釋技術

煤礦三維地震數據動態解釋技術

中國礦業大學資源與地球科學學院

二零零九年十月

一、煤礦采區三維地震勘探存在的問題

　　　近年來，三維地震勘探技術廣泛用於煤礦采區的合理布置、主巷道的開拓、綜采工作麵開采地質條件的評價，在礦井和采區設計優化、避免和減少地質風險、優選采煤方法等方麵起到了重大作用。

　　　三維地震勘探提供了能反映地質體時空變化的三維數據體，見圖1。利用該數據體，可以提取垂直剖麵、時間切片和立體數據，以滿足解釋工作的需要，見圖2。

圖1 三維地震數據體

圖2 從三維地震數據體提取的垂直剖麵和地震切片

　　　垂直剖麵分為三種，垂直於構造走向的剖麵稱為主測線剖麵，通常表示為Inline方向；與主測線剖麵相垂直的為聯絡測線剖麵，通常表示為Crossline方向；實現地震資料與地質資料直接對比而連結部分鑽孔的測線稱為聯井測線，對應的剖麵為聯井剖麵。

　　　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間內的反映，它相當於某一等時麵的地質圖，即同一張切片裏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，我國主要礦區的生產礦井均做了采區三維地震勘探工作，獲得了大量的三維地震數據。在地震地質條件較好的地區，可以解決的主要地質問題是：

　　　(1) 查明落差大於等於5m的斷層，提供落差小於5m的斷點，平麵擺動誤差小於30m；

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

　　　(3) 查明新生界(第四係)厚度，深度誤差不大於1.5%；

　　　(4) 探明直徑大於30m的陷落柱。

　　　近年來，在使用三維地震勘探成果的過程中暴露出許多問題，主要包括：

　　　(1) 地震成果的利用率低，僅限於煤層底板等高線圖和固定間距的地震時間剖麵，無法利用三維地震數據體的所有信息；

　　　(2) 無法實時獲得沿巷道方向(即任意方向)的地震剖麵；

　　　(3) 無法對煤層底板等高線的誤差進行修正；

　　　(4) 在掘進和回采過程中，可以發現許多小於5m的斷層，但是無法自動修改原構造解釋方案(即無法自動修改煤層底板等高線圖)。

二、煤礦三維地震數據動態解釋係統

　　　造成上述問題的主要原因是，目前三維地震資料解釋係統(如LandMark、GeoFrame等)均為安裝在UNIX係統下的工作站上，過於專業化，而且價格昂貴，煤礦地質人員一般無法使用。

　　　因此，隨著煤礦生產對三維數據進行動態解釋的需求越來越高，煤礦地質人員急需一種安裝在微機上，基於WINDOWS平台，價格便宜、簡單易學的、具有基本解釋功能的地震數據解釋係統。它將使得地震資料能夠隨煤礦生產進行全程動態解釋，提高三維地震成果利用水平，以便解決更多的地質問題。

　　　經過多年的研究，中國礦業大學資源與地球科學學院開發了“煤礦三維地震數據動態解釋係統”，先後公布了多個版本。煤礦三維地震數據動態解釋係統(V1.0)於2008年獲得國家軟件版權，見圖3。

圖3 軟件版權證書

　　　煤礦三維地震數據動態解釋係統由三維工區管理、數據體剖麵顯示、數據體切片顯示、地震屬性技術和三維可視化等五個模塊構成，圖4為係統的主界麵。

圖4 煤礦三維地震數據動態解釋係統的主界麵

　　　煤礦三維地震數據動態解釋係統具有以下主要功能：

　　　(1) 三維工區數據管理

　　　包括建立工區數據庫、將UNIX SEGY格式的三維數據體轉換為PC-DOS SEGY格式、工區切割、二維測線提取、三維數據體的輸入、相對坐標與絕對坐標的轉換、數據體數據格式化輸出等。

　　　(2) 鑽孔資料管理

　　　根據鑽孔(包括井巷工程和回采過程中)的見煤深度資料計算速度場，可以對速度場實時刷新。通過刷新後的速度場資料再反算煤層底板等高線圖，從而可以實現煤礦三維地震數據的動態解釋。圖5為工區底圖中顯示的速度場資料。

　　　(3) 地震剖麵顯示和輸出

　　　對三維數據體的Inline剖麵、Crossline剖麵、聯井剖麵和任意方向剖麵進行顯示，對二維測線進行顯示，顯示方式包括波形、波形加變麵積、彩色變密度、灰度、雙極性等。圖6為聯井地震剖麵顯示。

　　　對三維數據體的Inline剖麵、Crossline剖麵、聯井剖麵和任意方向剖麵進行輸出，輸出方式可以是PC-DOS SEGY文件或圖形文件。

圖5 工區平麵底圖

圖6 聯井地震剖麵

　　　(4) 地震切片顯示

　　　對三維數據體的時間切片和沿層切片進行顯示，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) 地質剖麵顯示

　　　在顯示地震剖麵的同時，在另一窗口顯示所對應的地質剖麵。

　　　(6) 地震標準層位追蹤與拾取

　　　包括三種層位拾取方法，手動拾取、半自動拾取和自動拾取。同時，也可以利用其它解釋係統得到的層位數據。

　　　(7) 斷層解釋

　　　在地震剖麵圖上拾取某個目的層斷點、斷麵等，並可在平麵底圖上對解釋斷點進行組合。

　　　(8) 地震解釋成果輸出

　　　利用實時刷新的速度場可以得到實時刷新的各標準層的構造解釋成果，輸出方式為AutoCAD文件。

　　　(9) 地震屬性計算

　　　提取21個一維、二維地震屬性參數；計算相幹數據體與方差數據體；利用Mallat算法計算正交小波數據體；利用Gabor變換計算譜分解三維數據體。

　　　(10) 采掘工程圖平麵顯示

　　　對於煤礦生產過程中使用的采掘平麵圖可以輸入到本係統中的工區底圖中，從而作為重要的已知地質信息幫助煤礦地質人員解釋和理解三維地震資料。圖8顯示的是某采區部分采掘工程圖。

圖8 采掘工程圖在平麵底圖上的顯示

　　　(11) 地震數據三維可視化顯示

　　　對三維地震數據體、地震剖麵、地震切片等進行三維立體顯示，實現了對數據體的動態放大、縮小、平移等交互操作。圖9是某采區的交叉剖麵立體顯示，圖10是某采區的沿層切片立體顯示，圖11是三維數據體中的部分數據體的顯示。

圖9 交叉剖麵顯示

圖10 沿層切片立體顯示

圖11 三維數據體中部分數據體的顯示

三、煤礦三維地震數據動態解釋技術

　　　傳統的三維地震解釋服務於煤礦勘探階段，與煤礦安全生產過程相脫節。煤礦三維地震數據動態解釋技術是指“三維地震信息與煤礦生產過程中所獲得的礦井地質信息相互融合”。這是一個動態過程，服務於煤礦生產階段，實現了三維地震信息隨煤礦生產進行全程動態解釋，徹底改變了傳統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問題。

四、應用實例

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在井下巷道掘進過程中發現有陷落柱的存在，而原有的地質資料上沒有關於這個陷落柱的信息，這在很大程度上影響了煤礦的正常生產。

　　　陷落柱在時間剖麵上一般表現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，出現明顯的“塌陷漏鬥”現象，見圖12，有時在陷落柱邊緣出現明顯的地震異常擾曲反射波，這些異常表現結合水平沿層切片和相幹方差切片上，可對陷落柱進行有效查找。

圖12 陷落柱在地震剖麵上的反映

　　　利用煤礦地震數據動態解釋技術，根據4、6煤層反射波的特征，結合沿層切片和相幹切片(圖13)對勘探區內陷落柱進行了查找，發現一處上、下煤層均錯斷大於20m的塌陷漏鬥狀的陷落柱現象，長軸約為140m，短軸約為70m。

圖13 陷落柱在4煤層沿層切片(左)和相幹切片(右)上的顯示

2. 探查古溶洞

　　　2006年11月24日，臨沂礦業集團丘集煤礦在11煤層頂板岩巷掘進過程中突然湧水，水量達1200，極大的影響了煤礦的正常生產。根據水文地質資料和地質人員的工作經驗，初步判斷出水點東南部存在斷層或垂直構造。由於7煤層采空區的影響和位於勘探邊界，三維地震資料沒有做出任何解釋。

　　　利用煤礦地震數據動態解釋技術對三維地震資料進行了重新分析，在出水點東南方向200m~300m處發現一個古溶洞(陷落柱)，見圖14，長軸長度大概200m左右，短軸長度大概150m左右。



　圖14 解釋古溶洞(陷落柱)的位置

　　　解釋古溶洞(陷落柱)過程以三維地震資料為主，結合礦井地質和水文地質資料。根據地震剖麵上煤層反射波同向軸連續性和振幅變化來確定陷落柱邊界，波對應7煤，波對應10煤，波為10煤和13煤的複合波。圖15中，波同向軸出現空白帶，但並不存在落差，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線地震剖麵

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

　　　陽煤集團二礦九采擴區15煤層在回采過程中發現撓曲構造，給煤礦生產造成重大損失。圖17中，黑色線條為回采後的實際構造形態(地質解釋成果)，綠色線條為地震解釋成果，可以看出二者差異很大。

　　　利用煤礦地震數據動態解釋係統對三維地震資料進行了重新解釋，通過認真分析，發現造成解釋誤差的原因是速度資料與層位時間不準確。對回采區域的煤層反射波進行了重新對比追蹤。在此基礎上，利用回采區域內巷道提供的15煤層底板深度資料(圖18中的“■”標記)生成了新的速度場，然後對新的層位時間進行時深轉換，最終獲得了15煤層的底板標高，即修改後的地震解釋成果，見圖18。從圖18中可以看出，三條巷道之間的區域，地震解釋成果和地質解釋成果基本一致，原因是利用了9個控製點，相當於增加了9個虛擬鑽孔。但是，在該區域之外，由於沒有速度約束資料，二者的差異盡管縮小，但仍然存在。

　　　對比圖17和圖18的地震解釋成果(紅色標注的綠色線條)，發現利用修改後的地震解釋成果能夠大致控製撓曲構造的形態。

圖17 地震解釋成果和地質解釋成果

圖18 修改後的地震解釋成果和地質解釋成果

4. 圈定岩漿岩侵入煤層範圍

　　　臥龍湖煤礦北一采區的岩漿岩侵入煤層情況較為複雜，一直沒有摸清其在采區內的分布規律。以6煤層為例，正常煤層反射波與岩漿岩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)是岩漿岩侵入煤層反射波的頻譜，其主頻為89Hz。通過對比可知，當煤層被岩漿岩侵入後其反射波的主頻增高，頻譜寬度明顯增加。因此，對煤層反射波進行譜分解處理，選擇低頻、中頻和高頻譜分解切片作為解釋的依據，見圖20。

(a) 正常煤層反射波頻譜 (b) 漿岩侵入反射波頻譜

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

　　　通過對比譜分解處理結果，發現岩漿岩侵入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為低能量，隨著頻率的提高，其能量越來越強。形成這一現象的主要原因在於煤層被岩漿岩侵入後，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，但明顯低於正常煤層的能量；在65Hz切片上其能量與正常煤層的能量同樣強；在85Hz切片上其能量略強於正常煤層的能量。

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

　　　根據這一認識，利用譜分解技術可以劃分出6煤層的岩漿岩侵入區，見圖21。

圖21 6煤層岩漿岩侵入區分布圖

5. 應用情況

　　　煤礦三維地震數據動態解釋係統已經在多家單位得到應用，包括皖北礦業集團、淄博礦業集團、淮南礦業集團、龍口礦業集團、開灤礦業集團、邢台礦業集團、晉城礦業集團、潞安礦業集團、肥城礦業集團、鐵法礦業集團、新汶礦業集團、兗州礦業集團、義馬礦業集團、鶴崗礦業集團、陽泉煤業集團、山西焦煤集團西山煤礦總公司、魯能煤電集團公司、山東煤田地質局、安徽煤田地質局、山西煤田地質局、陝西煤田地質局。

五、服務方式

　　　煤礦三維地震數據動態解釋係統的技術轉讓、人員培訓，煤礦三維地震數據動態解釋技術服務。

　　　聯係人：崔若飛(教授)

　　　地址：江蘇省徐州市中國礦業大學資源與地球科學學院

　　　郵編：221008

　　　電話：(0516)83590995

　　　手機：13852082271

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