地震勘探技术在煤田勘探中的应用

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地震勘探技术在煤田勘探中的应用:叠前时间偏移技术在煤田高精度三维地震勘探中的应用

摘 要：本文从叠前时间偏移技术原理入手，分析了叠前时间偏移技术自身的技术优势，指出叠前时间偏移技术已成为提高大倾角地层、构造复杂、横向非均匀介质地区的三维地震数据空间归位效果的一种有效手段。叠前时间偏移处理应作好以下三方面的工作：叠前偏移的数据准备，偏移速度场的建立，合理选取偏移参数。通过分析叠前时间偏移技术在三个不同地区的三维地震勘探中的应用情况得，叠前时间偏移剖面比叠后时间偏移剖面断层清晰，断点可靠，分辨率明显提高；无煤区边界波形特征明显；逆断层断点归位准确，断层小断块清楚，能够较准确地识别边界。

关键词：高精度；三维地震勘探；复杂地质条件；叠前时间偏移；叠后时间偏移

煤炭作为我国目前的主要能源，在经济建设中发挥了重要的作用；而且在将来的较长时间里，煤炭仍将是不可替代的主要能源。与此同时，煤炭资源的开采也正由浅部上组煤转向深部下组煤，由简单地质条件区转向复杂地质条件地区，这就给作为煤炭地质勘探工作重要手段的三维地震勘探提出了更高的要求，势必走高精度勘探之路。随着计算机软硬件技术的发展，叠前时间偏移技术正以其固有的技术优势作为解决这类复杂地质条件地区数据成像较理想的偏移成像处理手段得到推广应用。

1.叠前时间偏移技术原理

叠后时间偏移基于共中心点的叠加技术是建立在水平层状、横向均匀介质的简单假设基础上的，共中心点叠加的结果等价于自激自收的零炮检距剖面。而当地下构造复杂、横向速度变化剧烈时，共中心点道集中的反射波旅行时已不再是双曲线形式，共中心点叠加的结果也不完全等价于自激自收的零炮检距剖面，叠后偏移已不能使地下构造正确成像，相反会由于NMO的倾角滤波作用破坏有效信号，即使采用倾角时差校正（DMO，也称叠前部分时间偏移）也难以得到真正零炮检距剖面。

叠前偏移不受水平层状介质、自激自收的零炮检距剖面等假设限制，比叠后偏移技术更适应实际资料的复杂情况，更好地适应复杂构造成像，得到地下构造正确的空间形态及位置，诸如：大倾角、逆掩断层、复杂断块、特殊地质体（岩浆岩体）等。叠前时间偏移处理技术利用叠前道集，使用均方根速度场将各个地震数据道偏移到真实的反射点位置，形成共反射点道集并进行叠加，提高了偏移成像精度。叠前时间偏移方法自身迭代过程也使最终得到的速度场精度比叠后时间偏移方法高，从而有利于提高构造解释成图精度。

叠前时间偏移算法可基本分为三大类即：Kirchhoff积分法、有限差分法和Fourier变换方法。目前的商用成像软件中，叠前时间偏移算法基本上都是采用的Kirchhoff积分法。它的优点是运行速度快，具备非常灵活的、可以将任意一组采样偏移归位的特点，能够适应野外不规则的观测系统。Kirchhoff积分法叠前时间偏移是建立在点绕射的非零炮检距方程基础上，并沿非零炮检距的绕射旅行时间轨迹对振幅求和。Kirchhoff积分法叠前时间偏移在实现时包含两部分：走时计算和积分求和。图1为叠前时间偏移流程图。

影响叠前时间偏移效果的几个关键参数包括：走时计算方法、偏移孔径、抗假频方法等。①走时计算方法（如：双曲线近似计算法、4阶近似计算法、射线追踪近似的弯曲射线计算法等。）的选择对运算时间和偏移结果的精度有很大的影响。双曲线近似计算方法基于层状介质，较小炮检距假设，4阶近似走时计算方法考虑到各向异性参数，而弯曲射线的走时计算方法采用层速度面，非均方根速度计算走时。②偏移孔径的选择直接影响偏移结果和运算时间，偏移孔径的大小与地下反射的倾角有关。偏移孔径过小时，由于不能涵盖相带范围，大倾角的反射波同相轴难以准确成像；而偏移孔径过大时，反射波的同相轴可能出现连续性变差、信噪比降低的现象。③为保证在偏移成像过程中不出现假频现象，偏移过程中最大频率成份必须满足空间采样定理，进行反假频处理。

2.叠前时间偏移处理的数据准备和速度场建立

高质量的叠前数据是叠前时间偏移处理的基础，准确合理的叠前时间偏移速度场是叠前时间偏移成功的关键。为此需要做好以下工作：

2.1叠前偏移的数据准备

（1） 进行叠前去噪与异常振幅处理，提高偏移速度分析精度以及在成像道集或偏移后的叠加中压噪效果，提高成像精度。

（2）数据规则化处理。采用地表一致性振幅处理技术、叠前道内插技术、炮检距均化技术等，消除由地表条件、激发或接收因素造成的输入地震数据空间能量不均衡、空间采样不均匀问题，造成的叠前时间偏移剖面上的画弧现象，或偏移叠加不成像，信噪比降低。

（3）静校正。在做精做细野外表层调查的基础上，进行近地表的处理和成像，包括：①做地表浮动基准面校正和处理；②在浮动基准面校正基础上做cmp面速度分析和自动剩余静校 正等提高资料品质；③以射线替代垂线，做动态校正，或做波动方程基准面校正，完成浮动面到偏移基准面的校正。

2.2 叠前时间偏移速度场的建立

利用初始RMS速度模型进行目标线的叠前时间偏移之后，除产生了偏移叠加数据外还产生了时间偏移后的CRP道集数据体。根据偏移后的CRP道集修改RMS速度，并最终建立叠前时间体偏移用速度场有两种方法：基于层位的RMS速度修改和基于垂向延迟的RMS速度修改。在偏移后的CRP道集上，如果偏移速度大于正确值，则出现欠偏移现象，表现为同相轴下拉；如偏移速度小于正确值，则出现过偏移现象，同相轴上翘；而速度正确时，同相轴是平的。

3.叠前时间偏移应用实例及效果分析

2005年10月，我队在煤田地质系统首次将叠前时间偏移技应用于三维地震资料处理，并获得了成功。以后又在多个矿区开展了该项技术的推广应用实践，在技术进步和应用效果两方面取得明显进展。这些项目处理过程中的每一环节，包括功能模块和使用参数，都经过反复试验，对发现的问题给予修正，保证了测区内地震资料处理的质量和精度。

3.1 青海省鱼卡煤田东部三维地震勘探叠前时间偏移处理及效果

青海省鱼卡煤田位于青海省海西州大柴旦行委鱼卡乡境内，三维地震工作区的标高3200m以上，最大高差50m，属高原丘陵区，其表浅层及深层地震地质条件非常复杂。

地震勘探技术在煤田勘探中的应用:高分辨地震技术在煤田勘探中的应用

摘要：我国聚煤盆地类型多样、构造十分复杂，煤田地质工作的难度很大，而对地质报告精度的要求却日益提高。三维地震勘探是一项非常复杂的系统工程，任何一个环节出现一点问题，都可能导致地质认识上的误差甚至错误。要提高勘探成果的准确性，最主要也是最基本的是保证原始资料的质量，然后在保证真实性的前提下，使用各种处理解释方法来提高地质认识的精度和准度。

关键词：三维地震勘探；煤田勘探；地质现象

高分辨勘探无论从地质效果，还是仪器设备、方法技术都已取得很大的进展，人工激发的弹性波在地下不同介质中的传播，野外采集可以获得更高分辨率和保真度的地震资料，能反映出不同波速和密度界面的地下构造，及与围岩有差异的异常体的分布位置。

1煤田勘探现状与问题

经过十几年的大力发展，中国煤炭地震勘探从无到有，从二维到三维，地震采集、处理和解释技术有了大幅度提高，成为煤炭资源综合勘探不可或缺的重要手段，特别是三维地震勘探技术的推广应用，地震勘探的精度和分辨率大大提高，三维地震取得的地质成果得到了广大煤炭企业和社会的一致认可，成为我国煤炭生产、建设、安全所必须的重要手段。但是受地质报告精度的影响，一些矿井工作面布置不合理、个别矿井遇地质构造后，巷道、矿井突水被淹，安全效益差。因此提高新建矿井及生产矿井地质勘探的精度，成为煤田地质勘探迫在眉睫的课题。

1.1常用勘探方法

地震勘探主要应用于细小构造、采空区、老窑巷道、陷落柱；地面电磁法主要用于工作面及相邻区域水文地质条件探查、老窑勘察、采空区探查、煤矿水文地质补充勘察、含水陷落柱勘察、火烧区勘察；矿井全方位电磁法用于掘进工作面超前探测、巷道顶底板含水层深度及富水范围探测、回采工作面顶底板富水区域探测。但在实际应用过程中仍有许多问题没有解决，不能很好地满足煤矿生产安全及高产高效的要求，同时煤炭生产企业对这项技术又提出了更高的要求。这就需要我们继续进行深入研究。为此提出了精细地震勘探技术，以满足煤炭资源勘探和煤矿建设、生产、安全日益增长的需求和地震勘探技术发展的需要。

1.2煤田勘探的技术需求

（1）预测煤层埋深、厚度及厚度变化趋势。

（2）分辨褶皱、向斜、背斜及煤层的分叉、合并区域形态。

（3）识别和描述小断层，小断块及其构造形态。

（4）探测地下老窑、废弃巷道位置。

（5）识别采空区、岩溶塌陷区、陷落柱。

1.3煤田勘探存在的问题

（1）观测系统设计问题。观测系统设计依据不充分，套用或延用固定的观测系统现象较多，野外变观随意性强，炮检距分布不均匀。

（2）测量资料的准确性问题。施工炮检点位移较多，后续成孔激发、接收工作跟不上，最终测量资料的准确性值得思考。

（3）激发点布设及成孔问题。很多勘探区工农业较发达，工农矛盾突出，各种障碍物影响激发点合理布设和实施。

（4）纵、横向分辨率问题。纵、横向分辨率低，小断层、小陷落柱等构造存在遗漏现象。

（5）偏移成像问题。有些地区构造、煤层复杂多变，煤层倾角大，共中心点道集反射点散射问题严重。

我国聚煤盆地类型多样、构造十分复杂，煤田地质工作的难度很大，而对地质报告精度的要求却日益提高。

2高分辨地震技术在煤田勘探的应用

根据地震勘探原理，地震数据的频率决定了纵向和横向分辨率。菲涅耳带的直径决定了偏移前的横向分辨率，而菲涅耳带厚度决定了偏移前的纵向分辨率。

地震勘探数据的频率对分辨率起着决定性作用。频率越高分辨率越高，反之则越低。频率的高低也决定着地震采集观测系统的选择、接收方式及处理时的技术运用。所以，地震勘探数据的频率是一项基础性、决定性指标。

3室内模型模拟煤田勘探能力

3.1 横向模型分析

（1）设计高度2.5米的巷道在地震模拟记录上是可以识别的。

（2）从射线追踪的模拟记录看，2.5米道距模拟结果比5米道距明显。

（3）对于巷道中充填水或空气，对模拟结果没有明显影响。

（4）在波动方程正演结果中，10次覆盖与15次覆盖的模拟结果基本相当。

3.2纵向模型分析

（1）设计长度100米的斜巷道在射线追踪的模拟记录上识别比较困难的。

（1）从射线追踪的模拟记录看，2.5米道距模拟结果比5米道距相当。

（2）对于巷道中充填水或空气，对模拟结果没有明显影响。

结语

目前的地震勘探技术可以较有效地识别、解释断距大于2米的断层，可以识别长轴长度20m以上陷落柱，对各种形态的采空区有较准确的认识。采用单个数字检波器采集，可以尽可能接收地震波场全部有效信号，以获取更丰富的原始资料信息。使用点源小药量高速层激发，保证低噪声环境接收，对保证原始资料品质有较大的益处。采用高密度、宽方位、正交、对称采样观测系统，满足室内各种噪音压制处理技术的使用。精细的预处理、高精度动静校正、提高分辨率处理等技术对地震资料细节的体现起到至关重要的作用。地震多属性分析是地识别煤层各种地质现象的有效手段。

地震勘探技术在煤田勘探中的应用:RTK技术在煤田地震勘探中的应用

摘要：本文在介绍RTK(载波相位动态实时差分)的组成及技术原理的基础上，论述了利用 RTK技术进行煤田地震勘探测量的方法，对其转换参数的求取和精度等方面作了初步探讨。

关键词：RTK测量；地震勘探；放样

1．引言:本文通过在C区煤详查的应用实践，对RTK技术在坐标转换参数的求解、放样测量及测量的精度等方面进行了探讨。

2．RTK的组成及技术原理

2.1 RTK的组成

RTK(Real Time Kinematics)实时动态差分技术是一项以载波相位观测为基础的实时差分GPS测量技术，它是利用2台或2台以上的GPS接收机同时接收卫星信号，其中1台安置在已知坐标点上(也可在未知点上)作为基准站，其它作为移动站。RTK 测量系统一般由以下三部分组成：(1) GPS 接收设备。(2) 数据传输设备： 即数据链，是实现实时动态测量的关键性设备。(3) 软件解算系统：对于保障实时动态测量结果的精确性与可靠性，具有决定性作用。

2.2 RTK的技术原理

GPS RTK 技术采用差分 GPS 三类( 位置差分、伪距差分和相位差分) 中的相位差分。GPS RTK 的工作原理是将一台接收机置于基准站上, 另一台或几台接收机置于流动站上, 基准站和流动站同时接收同一时间相同 GPS 卫星发射的信号, 基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较, 得到GPS差分改正值。然后将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传递给流动站以精化其 GPS 观测值, 得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。利用相对定位原理，将这些观测值进行差分，削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等的影响，使实时定位精度大大提高。由此可知，RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。与其它差分不同的是，基准台传送的数据是伪距和相位的原始观测值，用户移动接收机利用相对测量方法对基线求解、解算载波相位差分改正值，然后解算出待测点的坐标。

3．在煤田地震勘探中的应用

3.1测区概况

测区属丘陵－平原区，地形稍有起伏，地势北高南低，西高东低，较为平坦，海拔标高80～130m。区内以农作物种植为主，地表基本无高大植被，为RTK作业有利条件；另外，区内村庄等地物变化较大，为RTK作业不利条件。

由于RTK具有可进行全天候， 全方位作业；放样精度可达到厘米级；实时提供测点三维坐标，并能及时对观测质量进行检查；放样误差不累积；改变了常规测量要求站站之间通视要求等优点，因此决定使用美国产Trimble5800 GPS定位仪2台（1+1），来完成测区测量任务，其标称精度为：静态载波相位差分定位5mm+1ppm，实时载波相位差分定位10mm+2ppm。

3.2 控制测量

使用Trimble GPS静态定位仪在测区内布设24个GPS控制点。GPS控制点布设在视野开阔的地方，距离高压线不小于100m，采用三台GPS定位仪组成同步环，同步观测卫星，各组观测时间为0.45～1小时，用专用钢卷尺量仪器高至毫米。

使用专用平差软件进行计算，基线质量合格，环闭合差全部通过检验后在WGS-84坐标系下进行平差，平差后将坐标转换到北京54坐标系下进行约束平差。平面误差最小0.001m，最大0.008m，高程误差0.379m。平差结果满足E级精度要求，可以作为本区施工的平面和高程的起算依据。

3.3 测线布设

参考站设在测区中部视野开阔的GPS控制点上，实时差分流动站距参考站的距离不超过10公里。根据求定的本工区的地方坐标和WGS-84坐标的转换参数。在每日施工前和搬至新的参考站前，使用求定的坐标转换参数对该工区的控制点进行了RTK差分放样检核，最大X=0.132m，最大Y=0.111m，最大Z=0.069m。其精度完全满足规范要求。

在流动站手簿（控制器）中输入设计好的测线的两端端点坐标，仪器自动计算出线上需放样桩号的坐标，并实时显示出当前位置与放样点的间距和方位，当到达放样点位置后，在设定限差范围内自动记录该点的坐标和高程(设定的限差范围是最大X=0.30m，最大Y=0.3m，最大H=0.50m)。依次完成整条线上的测点布设，实测每个桩号的坐标和高程。

3.4 求取测区坐标转换参数

本区利用GPS控制网求取WGS-84至北京54坐标转换三参数，使用该工区的GPS3、白沙塔、GPS5、GPS15、GPS17、GPS24等6个GPS控制网点求取三参数。使用Trimble5800 GPS定位仪在3个GPS控制点组成同步环同步观测卫星，观测时间为一小时，用专用钢卷尺量仪器高至毫米。

使用GTO专用平差软件进行计算，基线质量合格，环闭合差全部通过检验后在WGS-84坐标进行平差，获得控制点相应的WGS-84坐标。本区求取的坐标转换三参数值为：X =14.344 ，Y=132.030，Z=59.712，高程异常值在高程异常图上量取为41.8。

3.5 基准站的设置

由于RTK数据链采用超高频(UHF) 电磁波，其频率约为450～470MHz，它的传输属于准光学传输，其传输距离取决于接收机天线的高度、地球曲率半径、大气折射等因素。因此

基准站的选择应在地势较高、四周开阔，有利于卫星信号的接收和电台的发射，最好在交通便利，附近没有强电磁波干扰的高等级已知控制点上；将基准站接收机安置在基准点上，并正确连接电台与接收机及电源线。开机并进行必要的系统设置：已求得的转换参数、基准站的地方坐标、无线电设置及天线高等；然后进行流动站的设置和初始化工作。通常先选取已知点进行检测，与其当地坐标进行比较，若检测高等控制点点位互差一般应 ≤5cm，若检测同高等控制点点位互差一般应 ≤7cm，差值在误差范围内方可进行测量。

3.6 RTK放样测量

在流动站手簿（控制器）中输入设计好的测线两端点坐标，仪器自动计算出线上需放样桩号的坐标，并实时显示出当前位置与放样点的间距和方位，当到达放样点位置后，在设定限差范围内自动记录该点的坐标和高程(设定的限差范围是X=0.30m，Y=0.30m，H=0.50m)。依次完成整条线上的测点布设，实测每个桩号的坐标和高程。其效率可比拟手持GPS机，而其精度是手持GPS机远远达不到的。

3.7 RTK测量精度检验及质量控制

目前地震勘探工程测量的精度要求是1m，放样坐标和理论设计坐标差值限定一般为0.3m，静校正对高程的要求为0.5m，这对RTK测量来说是很容易达到的。但RTK作业中缺乏检核条件，个别点可能出现粗差。因此，作业过程中进行了成果的复核，在每日施工前和搬至新的参考站前，使用求定的坐标转换参数对该工区的控制点进行了RTK差分放样检核，最大限差X=0.132m，Y=0.111m，H=0.069m，其精度完全满足规范要求。本测区施工复测检核点占总点数的1.25%。采集的坐标和高程数据利用Excel 2000检查，输入的数据经100%核对后，进行点距检查、点位检查，高程数据生成高程剖面曲线与实地对比，发现错误及时纠正，从而保证了成果的准确性。

根据测区重复观测的坐标，计算的点位中误差为MX=±0.083m，MY=±0.071m，MH=±0.125m，满足规范对中误差的要求。

4．结束语

与传统的光学测量方法相比，RTK作业观测速度较快，能够提供精度为厘米级测量成果，可以满足勘探测量的技术要求，非常适合于煤田地质勘探工程中的测量，可以减少大量的工作强度，大幅提高工作效率，更能使我们工作的成果可信性及测量成果的及时性都得到了大量的提高，从而带来更大的经济效益。

地震勘探技术在煤田勘探中的应用:三维地震勘探技术在黄土塬区煤田勘探上的应用

【摘 要】针对黄土塬地区地震勘探工作面临着许多特殊问题：松散的黄土严重地影响了地震勘探的激发与接收，复杂的地表条件严重地影响了地震资料的正确成像，厚煤层条件下小断层难以识别。如何解决以上问题，是西部勘探是否成功的重点。

【关键词】三维地震勘探；小断层；应用

0 引言

煤田三维地震勘探经过近二十年的发展，在我国东部平原取得了显著的地质效果，但目前东部地区的煤炭资源越来越少，而我国中西部地区的煤炭资源占全国煤炭资源总量的2/3，资源勘探的重点已转向西部地区[1]。但是，由于中西部地区所特有的戈壁、沙漠、黄土塬、山区等复杂的地表地貌条件以及经济发展相对滞后、新技术开发投入不足等原因，此前开展的地震勘探工作较少，其精度远远不能满足综采地质工作的要求。目前，三维地震勘探技术已成为煤矿采区构造探查的主要手段。

由于西部地质条件的多变，地形复杂，第四系黄土对地震波的吸收衰减比较强烈，是地震勘探的禁区，给地震勘探造成一定困难。三维地震勘探技术在西部黄土塬区的应用，对于从根本改变目前西部地区矿区煤炭资源的地质保证程度不足的不利局面，促进煤矿高产高效和安全生产，以及保障我国能源工业可持续发展战略的顺利实施具有十分重要的意义。

1 项目概况

陕西某煤矿位于陕西省长武县，是一座大型现代化矿井。由于原有勘探程度远远不能满足采区设计和工作面划分的要求，另外矿井设计的首采区范围内，T4钻孔主采8煤层厚度2.34m，而周围钻孔主采8煤层厚度4.69～18.75m，煤厚变化较大。为了查明该区煤层的赋存条件及T4钻孔煤厚变化的原因，煤矿决定对采区进行了三维地震勘探工程。

2 主要技术难点与对策

黄土塬复杂的表层条件对地震勘探造成的影响在采集方面主要有以下几点：第一，黄土复杂区缺乏良好的激发和接收条件；第二，相干干扰、次生干扰、黄土谐振干扰极其严重；第三，复杂地形影响的空炮、空道造成的反射空白段，以及激发能量在悬崖、陡坎侧面逸散，造成的不良反射段破坏了共反射点（反射面元）的属性；第四，短波长静校正的存在使记录在未校正前，反射同相轴的识别难度大，不利现场质量的监控。另外，由厚黄土层内的虚反射界面可能产生的多次波对地震成果解释精度的影响也不容忽视。

技术对策：

（1）增加覆盖次数：首先高覆盖次数的炮检点纵横向分布相对离散，面元道集内传播路径差异的增加破坏了干扰的相干性，从而大大的提高了对干扰的压制能力。其次不同的接收方向，悬崖、陡坎造成的反射“不良”的影响是不同的，相邻道迭加时，大大消除了“不良反射段”的影响。

（2）确保良好的接收条件：把检波器插稳，埋在坚实的原生黄土之上，确保有良好的耦合效果。

（3）优化观测系统，确保良好的激发条件：在规程允许的纵横向偏移的范围内，在不影响覆盖次数相对均衡的前提条件下，精选炮点位置，以提高激发效果。选择炮点的原则有四点：一是，避高就低；二是，“喜旧厌新”――多次利用能取得好资料的炮点；三是，避开悬崖、陡坎、孤峰等不利地形，减少能量侧面逸散造成的不利影响；四是，增大激发药量和井深，确保一次波能量。

（4）合理的接收频带：在仪器录制参数选择上应采用宽频带接收，最大限度地保留地震反射信号中的高频成分。

3 地质成果

通过三维地震勘探发现了区内落差大于5m的断层6条，小于5m的断层10条，查明了区内8煤起伏幅度大于10m的褶曲，控制了主采煤层8煤的赋存深度和构造形态，地震、地质结合圈定了8煤层变薄不可采区的范围，并对煤厚趋势进行了预测。

4 验证情况

三维地震勘探成果提交后，煤矿对勘探的地震成果进行了钻探验证，分别布置和施工了A1和A2钻孔。A1、A2钻孔的三维地震勘探成果与实际验证结果对比如下表1：

表1 三维地震勘探成果与钻探验证结果对比表

由此可见，三维地震勘探成果无论在煤层赋存形态上，还是煤层厚度变化趋势上，总体验证结果良好。

5 结束语

通过对黄土塬区三维地震资料采集、处理与解释中一系列关键技术进行系统研究，总结出一套适合黄土塬地区三维地震资料数据的采集、处理和解释方法。通过地面钻孔资料验证，三维地震资料所取得的地质成果吻合率很高，能够为矿井的安全高效开采提供有效的地质保障。