山东科技大学学报小木虫

20世纪90年代，在我国大型和特大型煤矿基建和生产中，开展了大规模的煤矿采区三维地震勘探，该技术在勘探精度和可靠性方面均处于世界领先水平。根据淮南煤田特殊矿井地质开采技术条件的变化及需要，提出利用三维地震勘探技术，开展对上部厚而稳定的主采煤层之下很不稳定的薄煤层细微构造的分析研究工作，目的是解决上部主采煤层瓦斯超标的先期释放层开采技术难题。本文主要阐述该技术在解决矿井生产中实际问题的应用效果，以及井巷实际开采对三维地震成果的验证情况。

1 概述

目的与可行性分析

目的

在淮南矿区存在上部厚而稳定的主采煤层（13-1煤层），因瓦斯超标对矿井安全构成严重威胁而无法正常开采。如果能够先期开采主采煤层（13-1煤层）之下的薄煤层（11-2煤层），使13-1煤与11-2煤之间的岩层因下沉而松裂，则可使主采煤层（13-1煤层）内的瓦斯得到有效释放。为此，在淮南矿区利用三维地震勘探技术对深部薄煤层研究，对当前生产矿井解决瓦斯超标释放层开采及今后下部煤层的延续开拓生产，具有现实的指导作用和重要的实用价值。

可行性分析

前期的淮南矿区三维地震勘探技术，主要利用上部厚而稳定的主采煤层对应的高信噪比、强连续性煤层反射波，分析研究厚煤层的细微构造形态变化。其重点是提高分辨率，所以从采集到处理的主要参数一直侧重于采集高频成分的地震信息。然而，主采煤层下部很不稳定的薄煤层对应的反射波，由于受其上部强反射层的屏蔽作用，加之深层高频信息相对衰减较快，使其信噪比偏低，连续性变差，故而总以时隐时现的弱反射波呈现在记录和时间剖面上。

对三维地震勘探技术，主要利用主采煤层之下的极不稳定的薄煤层对应的弱反射波，分析研究薄煤层的细微构造变化形态，重点则突出来自下部薄层对应的弱反射波的信噪比和分辨率。

在数据采集中，从激发机理上加大药量，激发产生穿透能力较强的中、低频信息为主的地震波，使入射波有足够的能量穿透上部强反射层，继而采用中频检波器接收，再运用高覆盖次数提高其弱反射波的信噪比和分辨率，则完全有可能获得能量较强的薄煤层反射波。在处理中，其流程、参数选择尽可能有利于突出深层弱发射波对应的中频地震信息，资料解释中认真细致地分析研究薄煤层反射波的振幅、相位变化特征，对主采煤层下部薄煤层的细微构造形态作出精细解释，提供先期释放层开采急需的可靠地质资料是可行的。

研究内容及地点

主要研究内容

（1）查明11-2煤层的构造形态，查出大于8～10rn的褶曲；

（2）查明落差大于5m的断层，平面摆动小于20m；

（3）查找出3～5m的断点，并尽可能组合；

（4）查明11-2煤层的起伏形态，深度误差小于2%；

（5）预测分析11-2煤层的厚度变化趋势。

地点

淮南矿区潘三矿东四采区17151（1）11-2煤综采工作面，有效控制面积约 2。

测区概况

构造与地层

淮南煤田位于华北板块的南缘，整个煤田为一走向近东西的对冲构造盆地。盆地南北两侧均为推覆构造形成的叠瓦扇，其内部为一较简单的复式向斜——淮南复向斜（图1）。

图1 淮南煤田构造示意图

潘三煤矿“属南型北相”的石炭系二叠系全隐蔽煤区。矿区内地层由老至新有：古生界奥陶系（），石炭系（C），二叠系（P），为本区的主要含煤地层；含可采和局部可采煤层13层，可采煤层总厚度。其中13-1、11-2、8煤层为本井田主采煤层。中生界三叠系（T），新生界古近系、新近系和第四系。

地震地质条件

本区为淮河冲积平原，地势平坦，一般标高+～+之间。潜水面一般在地表以下2～4m，且较稳定，表层多为粘土和砂质粘土，有利于地震波的激发。

区内11-2煤层厚度薄而且极不稳定，小构造十分发育，加之受上部13-1煤层强反射的屏蔽作用，11-2煤层对应的反射波信噪比很低，连续性差，故深层地震地质条件较为困难。

2 成果研究

数据采集

数据采集必须严格坚持深井、大药量激发，使用中频检波器及仪器宽档接收，即从原始资料上就采集到丰富的中频信息。

数据处理

为了提高深部薄煤层（11-2煤）对应的T 4弱反射波的信噪比和分辨率，数据处理从流程到诸参数的选择必须坚持突出深层弱反射波对应的中频信息。在取得高信噪比强连续性的资料基础上，再利用适当的叠后增频，来提高垂向分辨率。即信噪比是分辨率的基础，连续性则是分辨率的关键（图2、图3）。

图2 典型记录

图3 典型时间剖面

构造解释

11-2煤层的构造形态

本次三维地震成果资料表明，潘三矿东四采区17151（1）11-2煤工作面，地层赋存形态为一走向北西、南东的单斜，倾向南西，地层倾角5°～7°，11-2煤层起伏形态变化不大。断裂构造较为发育，略大一些的断层主要以北东走向的正断层为主，而落差较小的断层则以近东西向的走向正断层为主，规律性较强（图4）。

图4 潘三矿东四采区17151（1）工作面11-2煤底板等高线图

断层

由于本次研究探区极小（仅一个综采面），根据附近巷道资料揭露，在时间域能够使煤层反射波形成明显的时间差错动的断层（H≥4m）很少，而以波形发生畸变反映的小断层（H≤3m）较为发育。因此，本次构造研究主要利用以常规时差对比为辅，认真细致地分析对比煤层反射波的振幅、相位等波形异常变化为主的细微构造解释原则。

全区共解释组合断层13条，其中正断层13条；落差≥5m的2条，可靠的2条；落差0～3m的7条，可靠的4条，较可靠的3条；落差0～2m的4条，较可靠的2条，参考断层2条。

构造解释分析

对地层直接进行测量而获得的地震记录，应包含沉积地层各方面的综合信息，地质构造上的微小变化都可能引起地震记录的波形特征（振幅、相位、频率）发生变化。如果充分利用这些与地下构造及岩性有关的动力学信息，分析研究煤层反射波的细微构造形态变化，进一步提高煤田地震勘探细微构造解释精度是可行的。

煤层厚度预测

煤厚预测条件

在地震勘探中，根据薄层的理论研究，一般认为，当薄层厚度等于λ/4时，反射波振幅为最大，称λ/4为薄层调谐厚度；当夹层厚度大于λ/4时，顶、底反射可以分辨，夹层厚度与顶、底反射时差成正比；当夹层厚度小于λ/4时，顶、底反射不能分辨，成为一个复合波形，其夹层厚度与反射波振幅近似正比。

煤田地震勘探中，一般可采煤厚约1～8m，多数为2～5m，因此煤层应是一个典型的低速薄层。同时煤层反射波也是由煤层顶、底板反射波和层内多次波、转换波及围岩中各反射波形成的一个复合反射波。由于煤田地震勘探偏移距一般不太大，致使转换波及多次波十分微弱，因此煤层反射波则主要是顶、底板反射波的矢量叠加。

11-2煤层厚度预测分析

从三维地震资料数据中提取煤厚信息，解释煤层厚度变化是行之有效的途径。本区11-2煤厚在0～2m区间增厚，尤其合乎振幅增强的区间，其振幅增强与煤厚变化基本呈线性关系，故此时换算煤厚精度也最高，预测条件具备。

预测结果

本区11-2煤层结构变化较为显著，稳定性较差，在工作面西端有一东西长约350m、南北宽约80m的厚煤带，煤厚约为～左右；在工作面东端有约100m宽的煤层冲刷带，煤厚约为～左右；工作面剩余部分及其以北地段为较厚带，煤厚约为～。而且断裂也不太发育，是一个较好的开采块段（图5）。

图5 潘三矿东四采区17151（1）工作面11-2煤厚度变化趋势图

本次预测结果仅为11-2煤层厚度变化趋势，目前预测水平仅为定性和半定量阶段，估计预测误差在以内。

3 成果验证分析

成果验证

潘三矿东四采区11-2煤层首采区17151（1）综采工作面，经巷道施工揭露的地质资料，给检验本次三维地震勘探研究成果提供了得天独厚的验证条件。

断层断点验证

东四采区11-2煤层巷道开拓在本次三维地震勘探控制范围内发现断点5处，其落差均小于。三维地震解释与其吻合的有4处，占80%。其中一处巷道揭露断点，地震未解释（表1）。

表1 断层断点验证—览表

见煤点深度验证

东四采区巷道开拓在本次三维地震勘探控制范围内共揭露见煤点7处，地震解释11-2煤底板埋深与其吻合一致，相对误差最小，最大，即在埋深-670～-700m时，相对误差均小于1%（表2）。

表2 11-2煤层底板标高验证—览表

见煤点厚度验证

东四采区巷道开拓在本次三维地震勘探控制范围内共揭露见煤点7处，11-2煤层煤厚最小、最大，地震预测分析均在～厚范围内，绝对误差小于的6处、的一处（表3）。

表3 11-2煤层厚度验证—览表

成果分析

本采区位于叶集次一级背斜南翼，F39断层上盘，受其综合影响，工作面内隐伏性伴生小构造十分发育。仅东四采区11-2煤上山就揭露小断层10条，落差均小于。且均为走向正断层，倾角较缓，个别为层间滑动断层，规律性较强。受其影响，区内11-2煤层在小断层上盘煤厚明显变薄或急剧变薄达。

同时，区内11-2煤层小构造（＜5m）非常发育，煤层结构变化较大，其具体表现为11-2煤层对应的反射波振幅强弱变化显著，同相轴复合、分叉、扭曲消失等现象变化剧烈。充分说明本次三维地震勘探研究成果资料的反映与其本区井巷揭露的实际地质现象是吻合一致的。

4 结论及经济效益评估

结论

本次三维地震勘探严密控制了区内11-2煤层的起伏形态，查明了11-2煤工作面落差≥5m的断层2条，查找出2～5m的断层11条，严密控制了断层的延展长度和展布趋势。较好地预测分析了11-2煤层厚度变化趋势。完成了研究内容，实现了预期的目的。

对三维地震勘探研究成果资料的验证分析，充分说明在淮南矿区对薄（0～2m）煤（11-2）层开展高精度三维地震勘探，只要使用大药量激发、中频检波器接收、高密度采样、高覆盖次数的野外采集方法；重点提高下部薄煤层对应的中频、弱反射波的信噪比、连续性；再运用分频叠加和叠后增频进一步提高垂向分辨率的特殊处理技术；配合以时差对比为辅，认真细致地分析反射波的振幅、相位、波形等异常变化为主的细微构造原则，能够完成强反射层屏蔽下的薄而且极不稳定煤层的细微构造形态的地质解释任务，直接服务于矿井生产。

综上所述，只要有针对性地做好数据采集、处理和解释工作，对深部薄煤层查明落差大于5m的断层和波幅大于8～10m的褶曲，查找3～5m的断点是可行的。在煤层反射波信噪比高、连续性强的情况下，对于落差小于3m的小断层或断点也是有望实现的。

经济效益评估

薄煤层研究主要以解决矿井当前及今后延续开拓生产中的实际问题而展开工作的，其研究成果已经直接服务于矿井生产。它对淮南矿区急需解决的先期释放层开采和今后下部薄煤层的延续开拓生产，具有现实的和长远的推广应用价值，并且在矿井生产中已经取得显著的决策性效益。

（本文发表于2002年第1期《山东科技大学学报》）