三维地震及瞬变电磁综合勘探在煤田构造探测中的应用

刘 毅，曹武庆，薛 江，穆晓强，弓江豪

(陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

山西下合煤矿位于山西省武乡县城东南的韩北乡下合村境内。井田位于太行山西麓，为地形切割较强的中低山黄土地貌。区内黄土陡坎、冲沟发育，黄土塬、梁、峁广泛分布，井田总的地势为东部和西北部梁峁高，中南部的下合沟河床低，最高点位于井田北部的山梁顶，标高为+1 030.25 m，最低点位于井田南部边界下合沟底，标高为+899.00 m，最大相对高差为131.25 m。在井田内大面积出露第四系地层，厚度变化大，第四系地层以角度不整合于下伏不同地层之上。第四系中上更新统一般为10.00～65.00 m，平均厚度为35.00 m，岩性主要为灰黄色、棕色粉质黏土，局部夹砂、砾石层。第四系全新统主要为现代冲积物，分布于下合沟河谷，为砂砾、卵石、泥沙混合物，厚度0～15.00 m，平均厚度为8.00 m。井田总体呈北西倾伏的单斜构造，井田地层总体走向NE-NNE，倾向为NW-NWW，倾角4°～8°，井下巷道揭露断层共3条，陷落柱4个，井田内未发现岩浆岩侵入。

水文地质情况为井田内无常年性河流及地表水体，只发育季节性排洪冲沟或沟河，平时干涸，雨季汇聚洪水，大部向井田中南部的下合沟排泄，局部向井田东南部边界处的另一条主冲沟排泄，2条主冲沟(河)在井田南部边界附近汇合后注入洪水河，向西南汇入浊漳河北源，浊漳河向东南—东流出本省。井田属海河流域漳河水系浊漳河支流。主要含水层为第四系松散层孔隙砂砾石含水层、基岩风化带裂隙含水层、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层、石炭系上统太原组砂岩及石灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层。主要隔水层为二叠系砂岩含水层层间隔水层、上石炭统的太原组底部泥岩隔水层、中石炭本溪组隔水层组。

探测的目的煤层主要为石炭系上统太原组的15号煤层。为了查明15号煤层的断层、陷落柱、采空区等构造及采空积水的具体分布范围，需对该矿新增区进行三维地震及瞬变电磁综合勘探工作。

1.1 仪器设备与参数

三维地震勘探试验所用仪器为英国BP公司研制的Stryde节点仪器，检波器类型为1c压电式加速度检波器，该仪器轻巧便携，性能稳定，动态范围大，频带宽度为1～125 Hz。在保证数据质量的前提下，可以大大提高地形复杂的黄土塬地段施工效率。

瞬变电磁勘探试验所用仪器为美国ZONGE公司研发的GDP-32Ⅱ电法工作站，信号发射采用配套的GGT-10发射机。该仪器对异常体反应灵敏，体效应小，分辨率高，施工高效快捷，特别是采用大定源内回线装置探测分辨率更高。为提高信噪比，加大勘探深度，可通过加大发射功率来增强二次场[1 -3]。同时可通过多次脉冲激发场的叠加和空间域多次覆盖技术来提高信噪比，可应用于各种噪声干扰大、工作复杂的施工环境[4 -7]。

1.2 试验工作

1.2.1 三维地震勘探试验工作

为确保勘探任务的完成，获取高品质的原始资料，为资料采集及处理提供可靠的施工参数和处理参数，通过处理能够获得高信噪比、高分辨率、高保真度的原始数据，真实地呈现勘探区内时间域的地下构造成像，需进行详细的生产前激发和接收参数试验及浅层地质调查工作。激发试验主要根据勘查区内的地形及地震地质条件进行井深6 m、8 m、10 m、12 m(红土层内2 m)、14 m、18 m、20 m等不同井深的对比试验、药量1 kg、2 kg、3 kg的药量对比试验及单井和3井组合的对比试验。通过对试验结果的频率、能量和信噪比分析，最终选择单井、井深12 m或红土层内2 m、药量2 kg的激发参数。图1为单井、井深12 m(红土层内2 m)、药量2 kg的原始单炮地震记录。

图1 原始单炮地震记录Fig.1 Original single gun earthquake record

1.2.2 瞬变电磁勘探试验工作

地面瞬变电磁勘探试验的主要目的是检测仪器的稳定性、一致性、方法有效性以及选择最佳数据采集参数，了解勘探区的地电条件、干扰背景以及勘探区的地球物理特征，采用不同的装置参数组合进行采集，通过对数据进行分析、计算，绘制不同参数条件下的处理图件，再结合34钻孔和511钻孔揭露地层情况，确定适合本次勘探工作的最佳施工参数。由于勘查区内煤层埋深变化较大，北部埋藏较深，最大深度约400 m；
南部埋藏较浅，最浅深度约180 m。为了兼顾深部和浅部煤层的探测，将勘查区分为北部深区和南部浅区。通过对各参数试验结果分析，最终确定对于北部深区采用发射线框320 m×320 m，发射频率16 Hz，电流12 A，采样延时300 μs，叠加次数12次。北部深区试验线成果如图2所示。对于南部浅区采用发射线框240 m×240 m，发射频率为16 Hz，电流为12 A，采样延时270 μs，叠加次数128次。南部浅区试验线成果如图3所示。

1.3 探测效果分析

1.3.1 三维地震探测效果分析

三维地震勘探采用12L×6S×80T×3R×24次线束状观测系统，该观测系统方位角更宽，有利于煤层埋深变化较大区域的探测。图4为该观测系统炮检距及方位角分布。本次野外施工共完成地震测线15束，总计获得地震物理点1 650个：其中生产物理点1 619个，甲级物理点1 001个，甲级率61.83%；
乙级物理点617个，合格率99.94%；
试验物理点有31个，合格率100%。勘探面积2.07 km2，CDP覆盖面积4.12 km2，满覆盖面积2.22 km2，施工面积5.45 km2。各项质量指标均符合“规范”和“设计”要求。区内主要可采煤层15号煤层厚度较稳定，围岩基本上以砂岩为主，煤层与围岩岩性特征差异较明显，可形成稳定的标准反射波。图5为勘查区叠加剖面，明显可见目的层15号煤层。

图2 北部深区试验线成果Fig.2 Results of the northern deep zone test line

图3 南部浅区试验线成果Fig.3 Results of the southern shallow zone test line

图4 炮检距及方位角分布Fig.4 Gun detection distance and azimuth distribution

1.3.2 瞬变电磁探测效果分析

瞬变电磁勘探共完成瞬变电磁物理点2 909个，其中试验点85个(全部合格)，坐标点2 713个，检查点111个(占总物理点数的4.09%)。经评级，甲级点2 218个，甲级率为81.75%，乙级点483个，乙级率为17.80%，丙级点12个，丙级率为0.45%，全区检测点平均均方相对误差6.09%，符合规范要求。不同岩层具有不同的导电性，一般泥岩、粉砂岩、中粗砂岩电阻率值依次增高。煤系地层有层状分布特点，在横向上沿地层走向导电性相对均一，纵向上视电阻率的变化规律基本一致。如果岩层中有充水裂隙、采空积水区等构造存在，或受断层切割，破碎带含水、导水时，由于水体良好的导电性，使其与围岩产生明显的电性差异，也是用电法进行水文地质探测的地球物理前提。区内含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组地层，煤层采空后如若存在积水情况，视电阻率会出现明显降低的特征反映；
图6为勘查区196线(钻孔34附近)典型TEM等视电阻率断面，由图易知，视电阻率值从纵向上呈逐渐升高趋势，与地层情况相吻合；
横向上，煤系地层层位稳定，等值线平滑成层。部分地段(图中蓝色圈闭区域)出现等值线下凹，与围岩产生明显的电性差异，视电阻率降低特征，分析为上覆岩层较富水的特征反映。

图5 勘查区叠加剖面Fig.5 Stacked section of exploration area

2.1 三维地震勘探结果解释

三维地震数据通过CGG软件处理后，形成可供解释的三维地震偏移数据体。利用已知钻孔进行人工合成记录，确定出15号煤层反射波。根据反射波同向性、振幅强、波形相似及连续性，对全区目的层反射波进行追踪，并按照40 m×80 m的网格抽取时间剖面。根据同相轴的错断、终止、扭曲、产状突变、分叉合并、相位转换、断面波、绕射波等标志识别断点[8]，并结合地震属性技术[9 -11]进行断层和陷落柱、采空区等构造的解释。图7为不同构造在不同地震属性上的显示。

图6 196线(钻孔34附近)典型TEM等视电阻率断面Fig.6 196-line(near drilling hole 34)typical TEM isoapparent resistivity section

图7 不同构造在不同地震属性上的显示Fig.7 Display of different structures on different seismic properties

2.2 瞬变电磁勘探结果解释

对已知钻孔孔旁瞬变电磁法单点曲线分析，得到区内各地层与电性层的对应关系，总结出本区总的解释原则，再结合地质、含水层视电阻率值的大小及层厚和埋深等因素，由点到线，由线到面，划分、圈定各含水层富水异常区。一般情况下，地层含水时的电阻率值较不含水时低，含水性越强，电阻率值越低。瞬变电磁勘探所用的参数为视电阻率，该物性参数与电阻率密切相关，基本可以反映地层的电性变化。结果解释主要依据视电阻率断面图和异常平面图进行综合分析。由于瞬变电磁勘探获得的测线有43条，经处理解释后获得的断面图有43幅。现仅以204线作为代表性断面图予以解释。图8为204线瞬变电磁综合解释断面。

地质解释断面图中土黄色填充部分为第四系，黑色实线为15号煤底板。根据测区地质资料，结合资料解释情况，将勘查区内各测线等视电阻率断面自上而下大致划分为3组电性层：第1组电性层为二叠系下统下石盒子组和山西组地层，其视电阻率较低，一般为25～45 Ω·m；
第2组电性层为石炭系太原组和本溪组上统含煤地层，视电阻率较高，为35～55 Ω·m左右；
第3组电性层为奥陶系地层，视电阻率一般大于50 Ω·m，为明显高阻层。

从视电阻率断面图中可以看出视电阻率等值线变化特征为：纵向上，视电阻率随深度的增加呈逐渐升高趋势，浅部低阻层为二叠系地层特征反映，而深部高阻层则为奥陶系地层反映；
横向上视电阻率等值线基本呈水平层状，反映了地层层状分布的特点；
在部分地段如在1960～2040段石炭系上统太原组和二叠系下统山西组附近出现等值线明显下凹陷特征，分析认为该段附近地层含水可能性较大，而在15号煤附近的3040～3680段则出现等值线向下凹陷及低阻圈闭状，电阻率降低的特征反映，结合井下探水孔和已知资料分析认为该段附近为15号煤顶板岩层较富水的特征反映。

2.3 三维地震及瞬变电磁勘探成果综合解释

将三维地震勘探成果及瞬变电磁勘探成果放在一起进行综合分析对比，可以进一步提高解释精度。可以发现，地震时间剖面Inline 396线的Cdp 490至610段波组紊乱，同相轴变形；
瞬变电磁196测线的3 120～3 700段呈低阻反应，如图9所示。经换算后发现2种方法解释的异常位置基本吻合，初步判断为采空积水。

图8 204线瞬变电磁综合解释断面Fig.8 Comprehensive interpretation section of line 204 transient electromagnetic

图9 采空积水在地震时间剖面和TEM等视电阻率断面Fig.9 Seismic time profile and TEM isoapparent resistivity profile of water in goaf

(1)通过三维地震及瞬变电磁勘探技术，解释5条落差大于5 m的断层，8个长轴直径大于30 m的陷落柱，圈定1处面积约0.132 km2采空积水范围，基本完成地质任务要求。

(2)通过后期钻孔验证，施工所得结论正确，为矿方下一步施工提供参考。同时证明三维地震及瞬变电磁综合勘探在构造解释中的适用性和准确性。