物探新方法新技术之十一煤矿三维地震数据动态解释技术.doc

煤矿三维地震数据动态解释技术11 煤矿三维地震数据动态解释技术11.1 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111。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112。图111 三维地震数据体图112 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)。11.2 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113。图113 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114为系统的主界面。图114 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115为工区底图中显示的速度场资料。图115 工区平面底图(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116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116 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117为沿层彩色切片显示。图117 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118显示的是某采区部分采掘工程图。图118 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、地震平面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119是某采区的交叉剖面立体显示，图1110是某采区的沿层切片立体显示，图1111是三维数据体中的部分数据体的显示。图119 交叉剖面显示图1110 沿层切片立体显示图1111 三维数据体中部分数据体的显示11.3 煤矿三维地震数据动态解释技术目前，煤田三维地震勘探技术已经成为详细查明小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带等重要地质资料的主要手段。但是，其整体水平仍处于构造解释阶段，尚不能解决煤矿安全生产中的所有地质问题。煤田三维地震勘探能否更上一层楼，满足煤矿安全生产的需要是煤田地球物理勘探领域亟待解决的重大课题。油气勘探中的四维地震勘探给人们带来启示。在同一地区不同时间重复做三维地震勘探，称之为四维地震勘探，也称时移地震勘探。四维地震勘探利用相隔一定时间三维地震数据的属性差异，分析和监测油藏内流体变化，作为油藏动态监测的一种工具，已经有效地应用于油藏管理中。煤矿三维地震勘探的主要目标层是煤层，而煤层是固体，四维地震勘探是否必要，这个问题目前尚未形成定论。煤矿三维地震勘探有以下三个特点：(1) 提供的信息量大而利用率低，三维地震数据体中包括煤层及煤系地层的构造、地层和岩性的海量信息，但是目前仅应用了与煤层有关的有限信息进行构造解释；(2) 解释成果精度依赖已知矿井地质信息，时深转换取决于钻孔数目(利用钻孔中的煤层底板深度反算平均速度)，地震反演取决于测井信息；(3) 目前的煤田地震三维勘探是一种“静态”技术，即时间轴静止于提交地震勘探报告的时间，无法利用此时间以后的矿井地质信息。把煤田地震勘探与油气地震勘探做一个比较，前者的勘探成果服务于煤矿的勘探阶段，而后者的勘探成果即服务于油气田的勘探阶段也服务于油气田的开发阶段。煤矿生产包括勘探、建井和开采三个阶段，它是一个“动态”过程，通常跨越几十年时间。在这个漫长过程中，不断地获得大量的各类矿井地质信息，包括矿井地质资料和水文地质资料。能否把煤矿三维地震勘探获得的“静态”勘探成果与煤矿生产过程中所获得的各类矿井地质信息相互融合，即利用“动态”的解释方法对地震勘探成果进行实时更新，使的煤矿三维地震勘探方法变成类似于油气勘探中的四维地震勘探方法。中国矿业大学提出了煤矿三维地震数据动态解释的观点，即对三维地震数据进行四维解释。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方法以常规构造解释技术为主，以岩性解释技术(包括地震属性技术、相关/方差体技术、谱分解技术、地震相分析技术和地震反演技术)为辅，把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。煤矿三维地震动态解释方法将彻底改变传统的煤矿三维地震解释模式，提高了三维地震成果的利用水平，把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(四维解释)，解决更多的与煤矿安全生产相关的地质问题，实现煤田地震勘探从构造解释阶段向岩性解释阶段的跨越。煤矿三维地震数据动态解释技术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。11.4 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1112，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。陷落柱图1112 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1113)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。陷落柱陷落柱图1113 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200m300m处发现一个古溶洞(陷落柱)，见图1114，长轴长度大概200m左右，短轴长度大概150m左右。古溶洞出水点图1114 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1115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1116为古溶洞(陷落柱)在波沿层方差切片上的反映。古溶洞图1115 Crossline852线地震剖面古溶洞图1116 古溶洞(陷落柱)在波沿层方差切片上的反映3.3 探查挠曲构造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1117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1118中的“”标记)生成了新的速度场，然后对新的