宋利虎 金學(xué)良

（1.中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750；2.淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000；3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

三維地震勘探技術(shù)在我國煤礦安全高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，為礦井采區(qū)設(shè)計、綜采工作面布置、安全煤柱預(yù)留以及巷道支護(hù)方式選擇等提供了堅實的技術(shù)支撐[1]。但傳統(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)過程脫節(jié)。專家學(xué)者和煤礦地質(zhì)工作者對地震動態(tài)解釋技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的探索，崔若飛等[2]將三維地震動態(tài)解釋應(yīng)用于防治煤礦突水中，為防治水提供了決策依據(jù)；謝紹穎、李文鈞、冼偉東等[3-5]將地震動態(tài)解釋應(yīng)用于斷層、陷落柱等構(gòu)造探查和煤層沖刷帶、火成巖侵入?yún)^(qū)等異常區(qū)的探查中；鄒云超、李忠、吳曉春等[6-9]將地震動態(tài)解釋技術(shù)用于指導(dǎo)工作面的合理布置、指導(dǎo)采掘工程掘進(jìn)，且動態(tài)修正地震解釋成果；煤礦智能化開采對高精度智能探測技術(shù)的需求，“倒逼”煤礦地質(zhì)保障技術(shù)必須朝著從靜態(tài)探測到動態(tài)探測方向轉(zhuǎn)變[10]；朱書階等[11]提出利用煤礦地震數(shù)據(jù)動態(tài)解釋來提高煤田地震勘探精度的研究思路；劉文明等將采掘工程得到的巷道測點(diǎn)、探煤厚點(diǎn)與三維地震解釋成果融合，提高了工作面內(nèi)煤層底板標(biāo)高和煤層厚度的精度，為智能開采提供預(yù)想煤層模型。

該文針對淮北礦區(qū)斷層發(fā)育的實際，將三維地震動態(tài)解釋技術(shù)應(yīng)用于煤礦工作面設(shè)計、巷道掘進(jìn)和工作面貫通等多個生產(chǎn)階段，同時針對大巷掘進(jìn)過程中地質(zhì)保障的實際需求開展了地震動態(tài)解釋工作，總結(jié)出了一套適用于淮北礦區(qū)的地震動態(tài)解釋技術(shù)流程。地震動態(tài)解釋技術(shù)能夠為煤礦工作面生產(chǎn)過程中提供較為準(zhǔn)確的指導(dǎo)，助力煤礦安全高效開采。

1 淮北礦區(qū)地震動態(tài)解釋技術(shù)

1.1 淮北礦區(qū)地質(zhì)概況

淮北礦區(qū)地處華東腹地，安徽省北部，地跨亳州、宿州、淮北三市，蒙城、渦陽、濉溪等縣?；幢钡V區(qū)地層類型屬華北地層，為其中淮河地層分區(qū)中之淮北地層小區(qū)（安徽省地層志1985）。鉆探資料揭露地層從老至新：奧陶系（O1+2）、石炭系（C2+3）、二疊系（P）、新近系（N）和第四系（Q）。含煤地層為石炭-二疊系，二疊系的山西組、石盒子組為主要含煤地層，共含煤1-11 層（組）。其中，二疊系的上石盒子組的32煤層、下石盒子組的72煤層、82煤層及山西組的10 煤層為主要可采煤層，平均可采總厚度達(dá)15 m。

淮北礦區(qū)斷層密集、可采煤層多、煤層埋藏深且間距小、厚度不穩(wěn)定、地層傾角大、覆蓋層巨厚、巖漿巖侵蝕嚴(yán)重、灰?guī)r反射波品質(zhì)差等諸多不利因素，地震地質(zhì)條件深層復(fù)雜，為構(gòu)造復(fù)雜煤礦。

淮北礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，斷層密度大，下屬各礦的斷層密度統(tǒng)計如圖1 所示，平均斷層密度達(dá)30 條/km2，斷層發(fā)育已成為嚴(yán)重制約淮北礦區(qū)采區(qū)接替和增儲保供的主要因素。三維地震在查明斷層、褶曲、陷落柱、采空區(qū)、沖刷帶和煤厚變化等構(gòu)造解釋中起到了積極的指導(dǎo)作用，為煤礦地質(zhì)保障工作提供了有力的技術(shù)支撐。

圖1 淮北礦區(qū)各礦斷層密度分布圖

1.2 地震動態(tài)解釋技術(shù)

地震地質(zhì)成果在煤礦地質(zhì)保障中有較好的指導(dǎo)作用，但提交的勘探成果圖件與煤礦安全生產(chǎn)過程脫節(jié)，造成地震資料與工作面生產(chǎn)過程不能有機(jī)結(jié)合，成果利用率低，不能有效指導(dǎo)采掘工程。同時地震勘探作為地球物理勘探的一種方法，其勘探成果具有多解性，斷層、褶曲、陷落柱等地質(zhì)異常在地震剖面上都表現(xiàn)為反射波同相軸的扭曲、錯斷等異常。隨著工作面掘進(jìn)的進(jìn)行，實際揭露資料越多，利用實際揭露資料作為約束，開展地震解釋工作，能夠使得地震地質(zhì)解釋成果更接近于地下實際，更好地指導(dǎo)煤礦安全高效生產(chǎn)。

三維地震數(shù)據(jù)體中包含著豐富的地質(zhì)信息，地震動態(tài)解釋技術(shù)能夠有效地把煤礦三維地震勘探獲得的靜態(tài)成果與煤礦生產(chǎn)過程中所獲得的各類礦井地質(zhì)信息相互融合，即利用“動態(tài)”的解釋方法對地震勘探成果進(jìn)行實時更新，服務(wù)于煤礦生產(chǎn)階段，實現(xiàn)地震資料動態(tài)解釋，促進(jìn)礦井地震、地質(zhì)資料綜合利用，提高地質(zhì)探測精度，為煤礦安全高效開采提供精準(zhǔn)地質(zhì)保障。在構(gòu)造復(fù)雜礦井開展三維地震動態(tài)解釋工作具有重要意義。

根據(jù)淮北礦區(qū)多年的地震地質(zhì)解釋工作實際，總結(jié)出一套基于聚焦煤礦工作面生產(chǎn)的動態(tài)地震地質(zhì)服務(wù)工作流程，如圖2 所示，即在工作面設(shè)計、巷道掘進(jìn)和工作面貫通等不同的生產(chǎn)階段，開展地震動態(tài)解釋，為煤礦的增儲保供和生產(chǎn)接替提供實時動態(tài)的地震地質(zhì)服務(wù)。

圖2 地震動態(tài)解釋在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用流程

1）工作面設(shè)計前和設(shè)計階段。利用地面補(bǔ)勘鉆孔來驗證前期地震解釋成果的可靠性，在優(yōu)選地震數(shù)據(jù)體上進(jìn)行層位追蹤，構(gòu)造精細(xì)解釋、地震地質(zhì)解釋成果。

2）工作面巷道掘進(jìn)階段。該階段為地震動態(tài)解釋的主要階段，利用巷道掘進(jìn)和井下定向鉆探的實際揭露資料，在驗證前期地震解釋成果準(zhǔn)確性的同時，將實際揭露地質(zhì)資料融入地震動態(tài)解釋成果中，進(jìn)一步提高解釋精度。

3）工作面貫通階段。工作面貫通后，開展槽波、坑透等礦井物探工作，將不同物探方法得到的地質(zhì)解釋成果進(jìn)行對比分析，綜合研判后修正解釋成果。

4）工作面回采階段。根據(jù)回采過程中的驗證情況，積累地震動態(tài)解釋經(jīng)驗，并指導(dǎo)后續(xù)相鄰工作面的掘進(jìn)和開采工作。

三維地震動態(tài)解釋技術(shù)通過逐級、逐次的地震地質(zhì)解釋工作，充分挖掘三維地震數(shù)據(jù)體中的地質(zhì)信息，使得解釋成果逐步趨于地下實際，便于礦方在巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中對前方可能存在的構(gòu)造或異常體進(jìn)行預(yù)判。

2 應(yīng)用實例

2.1 工作面設(shè)計階段

在煤礦工作面設(shè)計前與設(shè)計階段，地震動態(tài)解釋工作主要為利用地面補(bǔ)勘鉆孔制作聯(lián)井線，在聯(lián)井線地震剖面上對地震解釋工區(qū)中鉆孔處的層位、斷層等解釋成果進(jìn)行逐一核對，發(fā)現(xiàn)原解釋的層位、斷層等成果與鉆孔揭露矛盾，鉆孔的埋深與目的層反射波同相軸的雙程旅行時不匹配，需利用補(bǔ)勘鉆孔測井曲線對解釋的層位進(jìn)行重新標(biāo)定，然后再精細(xì)解釋構(gòu)造，使得地震地質(zhì)成果與鉆探成果吻合。

10113 工作面回采10 煤，工作面設(shè)計階段補(bǔ)勘了多個地面鉆孔，其中2021-15、2021-16 孔為DF1斷層上下盤布設(shè)，目的為探查DF1 斷層的具體位置和斷層落差。2021-15 孔10 煤頂板上17.67 m 見5.04 m厚的破碎帶，10煤底板標(biāo)高為-534.37 m，煤厚3.14 m；2021-16 孔10 煤底板下7.42 m 見3.51 m 厚的斷層破碎帶，10 煤底板標(biāo)高為-581.93 m，煤厚5.06 m，兩個孔的10 煤底板標(biāo)高差為47.56 m，即估算斷層落差為40 m。

圖3 為過2021-15 與2021-16 鉆孔的聯(lián)井線地震剖面，圖中T7、T8 和T10 分別為下石盒子組72煤層、82煤層和山西組10 煤層的反射波。左圖為動態(tài)解釋前對地震成果的認(rèn)識，認(rèn)為DF1 斷層為落差20 m 左右，斷層落差與補(bǔ)勘鉆孔實際揭露不符；右圖為根據(jù)補(bǔ)勘資料進(jìn)行地震動態(tài)解釋后的地震成果剖面，將DF1 斷層解釋為一組地塹式斷層，剖面上新解釋的DF1-1 斷層（最大落差H=35 m）上下盤時差為25 ms，推算出的10 煤層間速度約為3750 m/s，同時解釋了落差15 m 的DF1-2 斷層。正是由于DF1-2 分支斷層的解釋，礦方提前對工作面進(jìn)行了改造，避免了在巷道掘進(jìn)過程中揭露落差H≥10 m 的斷點(diǎn)，保障了礦方安全生產(chǎn)。

圖3 動態(tài)解釋前后聯(lián)井線地震剖面對比

2.2 工作面掘進(jìn)過程中的動態(tài)解釋

10113 工作面在掘進(jìn)到外切眼附近時（圖4），比較關(guān)注分支斷層DF1-2是否會在掘進(jìn)中實際揭露，落差多大。為了更好地指導(dǎo)礦方外切眼段巷道的掘進(jìn)工作，開展了動態(tài)的地震解釋工作。外切眼段地震時間剖面如圖4 所示，外切眼段為q1與q2之間，圖中T10 為山西組10 煤層的反射波，巷道從左向右掘進(jìn)。結(jié)合巷道掘進(jìn)資料，對地震資料進(jìn)行分析，預(yù)計DF1-2 斷層會在外切眼段實際揭露，落差3 m，在圖4（b）變密度顯示的地震時間剖面上斷點(diǎn)反映清晰；同時10 煤反射波T10 在外切眼段整體表現(xiàn)為一個小背斜的形態(tài)。后經(jīng)礦方反饋，外切眼段實際揭露斷點(diǎn)落差為2 m，且揭露斷層后煤層表現(xiàn)為上坡的形態(tài)（背斜的左翼），地震動態(tài)解釋成果與實際揭露吻合度較高。

圖4 地震動態(tài)解釋在巷道掘進(jìn)過程中的應(yīng)用

在工作面掘進(jìn)過程中開展地震動態(tài)解釋，很好地指導(dǎo)了礦方煤巷掘進(jìn)工作，在保障安全生產(chǎn)的同時，提高了掘進(jìn)的工作效率，保障了采面的正常接替。

2.3 工作面貫通后綜合分析

工作面貫通后，開展槽波、坑透等礦井物探工作，將不同物探方法得到的地質(zhì)解釋成果進(jìn)行對比分析，綜合研判后修正解釋成果。1033 工作面貫通后，開展了槽波地震勘探工作，槽波勘探在1033工作面內(nèi)解釋了3 處異常區(qū)，如圖5 中虛線圈注。結(jié)合掘進(jìn)資料認(rèn)為，1#異常為火成巖影響，2#、3#異常為斷層影響。地震動態(tài)解釋中將槽波解釋的異常區(qū)加載到三維地震工區(qū)中，對異常區(qū)段進(jìn)行了精細(xì)辨識和解釋工作，將2#異常區(qū)的范圍進(jìn)行了進(jìn)一步的縮小，解釋為延伸長度95 m、斷面寬5 m、落差3 m 的斷層XF1，為礦方后續(xù)的回采工作提供精準(zhǔn)的地質(zhì)保障服務(wù)。

圖5 槽波、地震動態(tài)解釋綜合解釋成果

2.4 大巷掘進(jìn)過程中的動態(tài)解釋

針對煤礦在大巷設(shè)計和掘進(jìn)過程中對斷層的精準(zhǔn)定位、揭露異常反饋等實際需求，尤其是目前盾構(gòu)掘進(jìn)對層位和斷層解釋精度要求較高的現(xiàn)狀，對設(shè)計和掘進(jìn)大巷開展了地震動態(tài)解釋服務(wù)工作。

淮北3 采區(qū)設(shè)計大巷預(yù)想剖面如圖6 所示。大巷從左向右掘進(jìn)，DF10 為落差60 m 的大斷層，設(shè)計巖巷過斷層DF10 前在7 煤層上部層位掘進(jìn)，過斷層后在8 煤層下部層位掘進(jìn)，精準(zhǔn)過斷層，避免在掘進(jìn)過程中揭露煤層，防止瓦斯突出風(fēng)險，為大巷掘進(jìn)提供動態(tài)地震解釋指導(dǎo)。

圖6 3 采區(qū)運(yùn)輸大巷預(yù)想地質(zhì)剖面圖

巖巷的掘進(jìn)工作對DF10 斷層平面位置的準(zhǔn)確性要求較高，在進(jìn)行地面鉆孔工作的同時，開展了地震動態(tài)解釋工作。2022-27、2022-28 地面鉆孔的鉆探成果出來后，利用井斜數(shù)據(jù)和聲波測井曲線將井軌跡加載到地震工區(qū)中。根據(jù)探查成果，2022-27與2022-28 孔均見10 煤層，標(biāo)高分別為-745.30 m和-720.90 m，兩個鉆孔所見10 煤均為DF10 斷層上盤10 煤層。新解釋的DF10 斷層在地震剖面和平面位置如圖7 所示，與原解釋相比斷煤交線向東擺動了27 m，避免了巖巷掘進(jìn)過程中誤揭煤層的風(fēng)險。

圖7 動態(tài)解釋DF10 斷層在平面上與剖面上的特征顯示（虛線為原解釋，實線為新解釋）

3 結(jié)論

1）該文針對淮北礦區(qū)斷層較為發(fā)育的實際，將地震動態(tài)解釋技術(shù)應(yīng)用于淮北礦區(qū)煤礦工作面設(shè)計、巷道掘進(jìn)、工作面貫通等煤礦生產(chǎn)全周期中，充分挖掘三維地震數(shù)據(jù)中的地質(zhì)信息，使得地震地質(zhì)成果更趨近于地下實際。

2）煤礦工作面生產(chǎn)過程中的地震動態(tài)解釋工作將分析對象限定為一個工作面、一條巷道甚至一條斷層，研究對象更聚焦、更精準(zhǔn)，且時效性強(qiáng)，能夠在煤礦生產(chǎn)中為地質(zhì)保障工作提供地震地質(zhì)解決方案。

3）地震動態(tài)解釋技術(shù)服務(wù)于煤礦生產(chǎn)階段，將三維地震常規(guī)解釋成果與煤礦生產(chǎn)過程中的礦井地質(zhì)信息相互結(jié)合，極大提高了三維地震信息利用水平，能夠為構(gòu)造復(fù)雜礦井解決更多的地質(zhì)問題，助力礦井安全高效生產(chǎn)。