煤矿三维地震数据动态解释技术

煤矿三维地震数据动态解释技术

中国矿业大学资源与地球科学学院

二零零九年十月

一、煤矿采区三维地震勘探存在的问题

　　　近年来，三维地震勘探技术广泛用于煤矿采区的合理布置、主巷道的开拓、综采工作面开采地质条件的评价，在矿井和采区设计优化、避免和减少地质风险、优选采煤方法等方面起到了重大作用。

　　　三维地震勘探提供了能反映地质体时空变化的三维数据体，见图1。利用该数据体，可以提取垂直剖面、时间切片和立体数据，以满足解释工作的需要，见图2。

图1  三维地震数据体

图2  从三维地震数据体提取的垂直剖面和地震切片

　　　垂直剖面分为三种，垂直于构造走向的剖面称为主测线剖面，通常表示为Inline方向；与主测线剖面相垂直的为联络测线剖面，通常表示为Crossline方向；实现地震资料与地质资料直接对比而连结部分钻孔的测线称为联井测线，对应的剖面为联井剖面。

　　　地震切片分为两种，水平切片是地下不同层位的信息在同一时间内的反映，它相当于某一等时面的地质图，即同一张切片里显示了不同层位的信息；沿层切片把地下同一层位的信息显示到一张切片上。

　　　目前，我国主要矿区的生产矿井均做了采区三维地震勘探工作，获得了大量的三维地震数据。在地震地质条件较好的地区，可以解决的主要地质问题是：

　　　(1) 查明落差大于等于5m的断层，提供落差小于5m的断点，平面摆动误差小于30m；

　　　(2) 查明幅度大于等于5m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于1.5%；

　　　(3) 查明新生界(第四系)厚度，深度误差不大于1.5%；

　　　(4) 探明直径大于30m的陷落柱。

　　　近年来，在使用三维地震勘探成果的过程中暴露出许多问题，主要包括：

　　　(1) 地震成果的利用率低，仅限于煤层底板等高线图和固定间距的地震时间剖面，无法利用三维地震数据体的所有信息；

　　　(2) 无法实时获得沿巷道方向(即任意方向)的地震剖面；

　　　(3) 无法对煤层底板等高线的误差进行修正；

　　　(4) 在掘进和回采过程中，可以发现许多小于5m的断层，但是无法自动修改原构造解释方案(即无法自动修改煤层底板等高线图)。

二、煤矿三维地震数据动态解释系统

　　　造成上述问题的主要原因是，目前三维地震资料解释系统(如LandMark、GeoFrame等)均为安装在UNIX系统下的工作站上，过于专业化，而且价格昂贵，煤矿地质人员一般无法使用。

　　　因此，随着煤矿生产对三维数据进行动态解释的需求越来越高，煤矿地质人员急需一种安装在微机上，基于WINDOWS平台，价格便宜、简单易学的、具有基本解释功能的地震数据解释系统。它将使得地震资料能够随煤矿生产进行全程动态解释，提高三维地震成果利用水平，以便解决更多的地质问题。

　　　经过多年的研究，中国矿业大学资源与地球科学学院开发了“煤矿三维地震数据动态解释系统”，先后公布了多个版本。煤矿三维地震数据动态解释系统(V1.0)于2008年获得国家软件版权，见图3。

图3  软件版权证书

　　　煤矿三维地震数据动态解释系统由三维工区管理、数据体剖面显示、数据体切片显示、地震属性技术和三维可视化等五个模块构成，图4为系统的主界面。

图4  煤矿三维地震数据动态解释系统的主界面

　　　煤矿三维地震数据动态解释系统具有以下主要功能：

　　　(1) 三维工区数据管理

　　　包括建立工区数据库、将UNIX SEGY格式的三维数据体转换为PC-DOS SEGY格式、工区切割、二维测线提取、三维数据体的输入、相对坐标与绝对坐标的转换、数据体数据格式化输出等。

　　　(2) 钻孔资料管理

　　　根据钻孔(包括井巷工程和回采过程中)的见煤深度资料计算速度场，可以对速度场实时刷新。通过刷新后的速度场资料再反算煤层底板等高线图，从而可以实现煤矿三维地震数据的动态解释。图5为工区底图中显示的速度场资料。

　　　(3) 地震剖面显示和输出

　　　对三维数据体的Inline剖面、Crossline剖面、联井剖面和任意方向剖面进行显示，对二维测线进行显示，显示方式包括波形、波形加变面积、彩色变密度、灰度、双极性等。图6为联井地震剖面显示。

　　　对三维数据体的Inline剖面、Crossline剖面、联井剖面和任意方向剖面进行输出，输出方式可以是PC-DOS SEGY文件或图形文件。

图5  工区平面底图

图6  联井地震剖面

　　　(4) 地震切片显示

　　　对三维数据体的时间切片和沿层切片进行显示，显示方式包括彩色和灰度。

图7为沿层彩色切片显示。

图7  沿层彩色切片

　　　(5) 地质剖面显示

　　　在显示地震剖面的同时，在另一窗口显示所对应的地质剖面。

　　　(6) 地震标准层位追踪与拾取

　　　包括三种层位拾取方法，手动拾取、半自动拾取和自动拾取。同时，也可以利用其它解释系统得到的层位数据。

　　　(7) 断层解释

　　　在地震剖面图上拾取某个目的层断点、断面等，并可在平面底图上对解释断点进行组合。

　　　(8) 地震解释成果输出

　　　利用实时刷新的速度场可以得到实时刷新的各标准层的构造解释成果，输出方式为AutoCAD文件。

　　　(9) 地震属性计算

　　　提取21个一维、二维地震属性参数；计算相干数据体与方差数据体；利用Mallat算法计算正交小波数据体；利用Gabor变换计算谱分解三维数据体。

　　　(10) 采掘工程图平面显示

　　　对于煤矿生产过程中使用的采掘平面图可以输入到本系统中的工区底图中，从而作为重要的已知地质信息帮助煤矿地质人员解释和理解三维地震资料。图8显示的是某采区部分采掘工程图。

图8 采掘工程图在平面底图上的显示

　　　(11) 地震数据三维可视化显示

　　　对三维地震数据体、地震剖面、地震切片等进行三维立体显示，实现了对数据体的动态放大、缩小、平移等交互操作。图9是某采区的交叉剖面立体显示，图10是某采区的沿层切片立体显示，图11是三维数据体中的部分数据体的显示。

图9 交叉剖面显示

图10 沿层切片立体显示

图11 三维数据体中部分数据体的显示

三、煤矿三维地震数据动态解释技术

　　　传统的三维地震解释服务于煤矿勘探阶段，与煤矿安全生产过程相脱节。煤矿三维地震数据动态解释技术是指“三维地震信息与煤矿生产过程中所获得的矿井地质信息相互融合”。这是一个动态过程，服务于煤矿生产阶段，实现了三维地震信息随煤矿生产进行全程动态解释，彻底改变了传统的三维地震解释模式，提高了三维地震成果的利用水平，能够解决更多的地质问题。

四、应用实例

1．探查陷落柱

　　　2006年6月，安徽恒源煤电股份有限公司深部采区在井下巷道掘进过程中发现有陷落柱的存在，而原有的地质资料上没有关于这个陷落柱的信息，这在很大程度上影响了煤矿的正常生产。

　　　陷落柱在时间剖面上一般表现为上下煤组的反射波自下而上中断或消失，成为一片反射波空白带，出现明显的“塌陷漏斗”现象，见图12，有时在陷落柱边缘出现明显的地震异常扰曲反射波，这些异常表现结合水平沿层切片和相干方差切片上，可对陷落柱进行有效查找。

图12  陷落柱在地震剖面上的反映

　　　利用煤矿地震数据动态解释技术，根据4、6煤层反射波的特征，结合沿层切片和相干切片(图13)对勘探区内陷落柱进行了查找，发现一处上、下煤层均错断大于20m的塌陷漏斗状的陷落柱现象，长轴约为140m，短轴约为70m。

图13  陷落柱在4煤层沿层切片(左)和相干切片(右)上的显示

2. 探查古溶洞

　　　2006年11月24日，临沂矿业集团丘集煤矿在11煤层顶板岩巷掘进过程中突然涌水，水量达1200，极大的影响了煤矿的正常生产。根据水文地质资料和地质人员的工作经验，初步判断出水点东南部存在断层或垂直构造。由于7煤层采空区的影响和位于勘探边界，三维地震资料没有做出任何解释。

　　　利用煤矿地震数据动态解释技术对三维地震资料进行了重新分析，在出水点东南方向200m~300m处发现一个古溶洞(陷落柱)，见图14，长轴长度大概200m左右，短轴长度大概150m左右。

　

　图14  解释古溶洞(陷落柱)的位置

　　　解释古溶洞(陷落柱)过程以三维地震资料为主，结合矿井地质和水文地质资料。根据地震剖面上煤层反射波同向轴连续性和振幅变化来确定陷落柱边界，波对应7煤，波对应10煤，波为10煤和13煤的复合波。图15中，波同向轴出现空白带，但并不存在落差，这是典型的陷落柱反映。图16为古溶洞(陷落柱)在波沿层方差切片上的反映。

图15  Crossline852线地震剖面

图16  古溶洞(陷落柱)在波沿层方差切片上的反映

3.3 修正煤层底板深度

　　　阳煤集团二矿九采扩区15煤层在回采过程中发现挠曲构造，给煤矿生产造成重大损失。图17中，黑色线条为回采后的实际构造形态(地质解释成果)，绿色线条为地震解释成果，可以看出二者差异很大。

　　　利用煤矿地震数据动态解释系统对三维地震资料进行了重新解释，通过认真分析，发现造成解释误差的原因是速度资料与层位时间不准确。对回采区域的煤层反射波进行了重新对比追踪。在此基础上，利用回采区域内巷道提供的15煤层底板深度资料(图18中的“■”标记)生成了新的速度场，然后对新的层位时间进行时深转换，最终获得了15煤层的底板标高，即修改后的地震解释成果，见图18。从图18中可以看出，三条巷道之间的区域，地震解释成果和地质解释成果基本一致，原因是利用了9个控制点，相当于增加了9个虚拟钻孔。但是，在该区域之外，由于没有速度约束资料，二者的差异尽管缩小，但仍然存在。

　　　对比图17和图18的地震解释成果(红色标注的绿色线条)，发现利用修改后的地震解释成果能够大致控制挠曲构造的形态。

图17  地震解释成果和地质解释成果

图18  修改后的地震解释成果和地质解释成果

4. 圈定岩浆岩侵入煤层范围

　　　卧龙湖煤矿北一采区的岩浆岩侵入煤层情况较为复杂，一直没有摸清其在采区内的分布规律。以6煤层为例，正常煤层反射波与岩浆岩侵入煤层反射波之间存在着明显的频率差异，图19(a)是正常煤层反射波的频谱，其主频为65Hz；图19(b)是岩浆岩侵入煤层反射波的频谱，其主频为89Hz。通过对比可知，当煤层被岩浆岩侵入后其反射波的主频增高，频谱宽度明显增加。因此，对煤层反射波进行谱分解处理，选择低频、中频和高频谱分解切片作为解释的依据，见图20。

(a) 正常煤层反射波频谱             (b) 浆岩侵入反射波频谱

图19 煤层反射波频谱特征

 

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

 

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

图20 煤层反射波谱分解切片

　　　通过对比谱分解处理结果，发现岩浆岩侵入6煤层在谱分解切片上有以下主要特征：

　　　(1) 在低频段谱分解切片上表现为低能量，随着频率的提高，其能量越来越强。形成这一现象的主要原因在于煤层被岩浆岩侵入后，残存的煤层较薄，反射波能量主要集中在高频段。在25Hz切片上其能量极低；在45Hz切片上其能量有所提高，但明显低于正常煤层的能量；在65Hz切片上其能量与正常煤层的能量同样强；在85Hz切片上其能量略强于正常煤层的能量。

　　　(2) 在所有频段的谱分解切片上都有一定的能量，有时与正常煤层的反射能量相当。但是，在频率为正常煤层主频(65Hz)的谱分解切片上，其能量明显小于正常煤层的反射。

　　　根据这一认识，利用谱分解技术可以划分出6煤层的岩浆岩侵入区，见图21。

图21 6煤层岩浆岩侵入区分布图

5. 应用情况

　　　煤矿三维地震数据动态解释系统已经在多家单位得到应用，包括皖北矿业集团、淄博矿业集团、淮南矿业集团、龙口矿业集团、开滦矿业集团、邢台矿业集团、晋城矿业集团、潞安矿业集团、肥城矿业集团、铁法矿业集团、新汶矿业集团、兖州矿业集团、义马矿业集团、鹤岗矿业集团、阳泉煤业集团、山西焦煤集团西山煤矿总公司、鲁能煤电集团公司、山东煤田地质局、安徽煤田地质局、山西煤田地质局、陕西煤田地质局。

五、服务方式

　　　煤矿三维地震数据动态解释系统的技术转让、人员培训，煤矿三维地震数据动态解释技术服务。

　　　联系人：崔若飞(教授)

　　　地址：江苏省徐州市中国矿业大学资源与地球科学学院

　　　邮编：221008

　　　电话：(0516)83590995

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