地震構造勘探：近年來(lái)煤炭物探的主要進(jìn)展

  測量系統組成

 

  吊艙式系統

 

  吊艙式直升機頻率域電磁、磁測量系統是我國在從加拿大引進(jìn)的MPUIJSE六頻電磁儀和磁力儀基礎上，自行集成的一套測量系統。該系統由MPULS頻率域電磁系統、CS3磁力儀、DS數據收錄系統、GPS導航定位系統、高度測量系統、模擬記錄儀和電源系統組成，可同時(shí)測量電磁、磁2種參數，其性能指標達到了世界同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

 

  MPIUSE電磁系統為新型的數字化和寬帶系1.1  采區三維地震推廣范圍和應用領(lǐng)域不斷擴大煤礦采區三維地震勘探技術(shù)自1 994年在平原地區獲得成功后，1 995年在山區、1 998年在戈壁地區、2000年在沙漠地區、2001年在黃土塬區、2005年在陡傾角地區等復雜條件下相繼取得技術(shù)突破，直接拓展了高分辨率三維地震勘探技術(shù)應用的廣度和深度，煤礦采區三維地震勘探技術(shù)在全國的應用范圍已拓寬到包括平原、山區、丘陵、戈壁、沙漠、海上、黃土塬等地區，推廣地域橫跨華東、華北、華中與西北地區（西南地區仍處在前期的生產(chǎn)性試驗階段），用戶(hù)群體包括國有煤炭集團、民營(yíng)煤炭企業(yè)以及個(gè)體經(jīng)營(yíng)者，地震成果從傳統的構造地質(zhì)向水文地質(zhì)、開(kāi)采地質(zhì)方向拓展，服務(wù)階段從以往的資源勘查階段，上升到服務(wù)于煤礦安全高效開(kāi)采的生產(chǎn)階段．總之，近十年來(lái)，煤礦三維地震勘探取得了令人矚目的進(jìn)展，其解決煤礦生產(chǎn)地質(zhì)問(wèn)題的精度和能力得到了業(yè)主的普遍認可，成為煤礦采區采前構造勘探的首選技術(shù)手段而得到了大范圍的推廣應用．在2003年和2006年，山東龍礦集團與勝利油田物探公司、中煤科工集團西安研究院以及山東省煤炭地質(zhì)局聯(lián)合，先后兩次在地處渤海灣的黃縣煤田北皂煤礦北海域、梁家煤礦西海域進(jìn)行7海下煤炭資源精細探查，采用煤礦采區高分辨率三維地震技術(shù)，創(chuàng )新性地將三維地震高密度的檢波器接收陣列放置于海底，取得了高分辨率的地震資料，準確查明了該海域內8億t煤炭資源的賦存狀態(tài)，迄今為止，山東龍礦集團已連續5年實(shí)現了海域煤炭資源的安全高效開(kāi)采；2007年10月，我國首次在內蒙古弓溝煤田進(jìn)行了地下煤層氣化點(diǎn)火試驗并獲得成功，開(kāi)創(chuàng )了國內地下煤層化之先河，實(shí)現了低熱值煤氣示范性發(fā)電．為了監測氣化燃燒熱力影響邊界、形態(tài)、方向、氣化區冒落帶的高度及氣化煤層裂隙發(fā)育程度，2009年首次采用高密度三維地震方法準確識別出地下煤層氣化的平面展布形態(tài)，為煤炭地下氣化擴大工程設計提供了重要的地質(zhì)信息；2010年，山東兗礦集團在濟寧二號煤礦開(kāi)展了利用三維地震探測工作面“三帶”發(fā)育高度的有益嘗試，這有可能成為今后煤炭四維地震的萌芽．另外，煤炭地震勘探隊伍也積極開(kāi)展了利用高分辨率地震勘探技術(shù)，對石膏礦、巖鹽、油頁(yè)巖等非煤資源精細探測的實(shí)踐；同時(shí)，煤田地震勘探以其淺層、高分辨率地震勘探的特色，在全國城市活斷層地質(zhì)調查中也發(fā)揮了重要作用．1.2地震資料精細目標處理與地質(zhì)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)地震勘探是一個(gè)系統工程，其技術(shù)的進(jìn)步是地震數據采集、處理、解釋以及后期驗證的綜合產(chǎn)物．與油田地震勘探不同，煤田地震勘探地區不但鉆孔多、而且在后期的井下開(kāi)采過(guò)程中幾乎能夠驗證全部地震解釋結果，但是，煤田地震勘探以往卻很少從驗證過(guò)程中吸取經(jīng)驗，并將其反饋到地震資料的再處理、再解釋過(guò)程中．近年來(lái)，煤礦安全高效開(kāi)采對于地質(zhì)保障的技術(shù)需求愈加強烈，地震資料處理中高精度層析靜校正、疊前偏移、保真處理等新方法與新軟件不斷推出，直接推動(dòng)了煤礦采區三維地震資料處理向精細化處理、目標處理等方向發(fā)展；在借鑒石油天然氣開(kāi)發(fā)地震、油藏監測、儲層描述等先進(jìn)的解釋技術(shù)和新的理念基礎上，充分利用煤礦采掘過(guò)程揭露的寶貴地質(zhì)信息，不斷引入包括地震屬性分析、全三維地震解釋等新的技術(shù)成果，開(kāi)展煤礦采區三維地震資料的地質(zhì)動(dòng)態(tài)解釋?zhuān)〉昧嗣黠@的成效．淮南礦業(yè)集團是全國三維地震開(kāi)展最早、應用最好的礦區，目前完成的常規三維地震勘探累計有48個(gè)采區（區塊），勘探面積達254. 56 km2，占淮南礦區（潘謝）面積的46. 76%.在后期的井下生產(chǎn)中，對以往三維地震成果1030個(gè)斷點(diǎn)進(jìn)行了驗證，分析了小斷層、煤層變薄區在三維地震資料上的顯示特征，在探采對比分析工作的基礎上，完成了9個(gè)塊段、63. 65 km2的三維地震資料重新處理，并對精細處理后的三維地震資料開(kāi)展了地質(zhì)動(dòng)態(tài)解釋?zhuān)瑸樵摷瘓F的快速發(fā)展提供了地質(zhì)保障．地震勘探逐步實(shí)現從構造勘探向巖性勘探的跨越。

 

  地震構造勘探主要利用地震波的運動(dòng)學(xué)特征，而地震巖性勘探除了利用地震波的運動(dòng)學(xué)特征外，還利用地震波的動(dòng)力學(xué)特征來(lái)研究地層的巖性．地震巖性反演技術(shù)是一門(mén)集地震、測井、地質(zhì)、計算機等多學(xué)科為一體的綜合地球物理勘探技術(shù)，它以鉆探、測井資料為約束，對地震疊前道集資料進(jìn)行AVO反演、疊前彈性波阻抗或疊后波阻抗反演．地震反演剖面將鉆孔測井數據具有很高縱向分辨率的特點(diǎn)與地震剖面具有較好的橫向分辨率的優(yōu)勢結合起來(lái)，優(yōu)勢互補，獲得的地震巖性反演剖面具有明確的地質(zhì)意義和物理意義，成為地震勘探由構造解釋邁向巖性解釋的橋梁和紐帶．地震巖性反演剖面具有很高的縱向分辨率，深部薄煤層的連續性和可檢測性得到增強，同時(shí)還獲得煤層頂、底板的巖性信息．山東省煤田地質(zhì)局在新疆某區，成功應用該技術(shù)解決了侏羅紀含煤地層多煤層對比的技術(shù)難題；該技術(shù)有望在圈定導水裂隙帶的分布范圍、圍巖的透氣性、瓦斯富集區等開(kāi)采地質(zhì)問(wèn)題中，發(fā)揮重要作用．地面瞬變電磁法在煤礦水文地質(zhì)條件探查中得到廣泛應用。

 

  我國的煤炭電法勘探工作始于20世紀50年代初，當時(shí)主要引進(jìn)前蘇聯(lián)的方法技術(shù)，以直流電法為主，隨后又發(fā)展了電化學(xué)方法（如激發(fā)極化法），其主要地質(zhì)任務(wù)是在隱伏區找煤；到20世紀60年代，開(kāi)始研究以絕對測量為特點(diǎn)的電磁感應類(lèi)方法，開(kāi)始探索應用電法技術(shù)探測老窯采空區、巖溶、古河床和斷層等問(wèn)題，并在配合地質(zhì)填圖、普查找煤、斷層探測、尋找隱伏煤層露頭、探測巖溶裂隙發(fā)育帶及找水、第四系勘探等方面取得了豐碩成果；至20世紀70年代，研究以相對測量為主的電磁類(lèi)方法，結束了單純依賴(lài)直流電法的歷史，步入了直流和交流電法同時(shí)應用的新階段；進(jìn)入20世紀80年代，隨著(zhù)電子計算機和計算數學(xué)的引入，煤炭電法勘探技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入數字化時(shí)代，可以利用微機進(jìn)行電測深定量解釋?zhuān)岣吡斯ぷ餍?、分層能力和解釋精度，縮小了與國外先進(jìn)水平的差距；到20世紀90年代，隨著(zhù)國外先進(jìn)技術(shù)與裝備的引進(jìn)，煤炭電法勘探逐步形成了集設計、采集、處理解譯、成果提交一體化工作模式，其對工作環(huán)境的適應性、解決地質(zhì)問(wèn)題的可靠性等方面的能力與水平都得到了大幅度的提高；近10年來(lái)，地面瞬變電磁法在煤礦采區水文地質(zhì)條件探查中，逐漸從無(wú)到有，開(kāi)始發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用．圍繞煤礦防治水迫切需要預先查明淺部老空水、頂板離層水和深部奧灰水等礦井水文地質(zhì)條件的現實(shí)需求，地面直流電法因其體積效應大、工作效率低等原因，應用逐漸減少，高密度電法在淺部老窯采空區探測中仍有應用；與此形成鮮明對比的是，交流電法異軍突起，已逐漸成為煤礦采區水文地質(zhì)勘探的主力，包括瞬變電磁法(TEM)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)及混合源電磁法（EH-4電導率成像系統）等．由于瞬變電磁法具有對低阻體敏感、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦防治水領(lǐng)域得到廣泛應用，目前已成為煤礦水文地質(zhì)勘探的主要物探手段．煤礦井下物探技術(shù)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的新階段。

 

  盡管以地面三維地震和瞬變電磁法為代表的物探技術(shù)取得了很大的發(fā)展，已經(jīng)能夠較好地為煤礦開(kāi)采超前提供構造條件和水文地質(zhì)條件的探測成果，但是卻仍然無(wú)法滿(mǎn)足煤礦安全高效開(kāi)采對于地質(zhì)條件查明程度的客觀(guān)要求，這給煤礦井下物探技術(shù)與裝備的超常規發(fā)展提供了契機．相比較而言，我國的礦井物探技術(shù)發(fā)展較晚．鑒于地面物探受地表條件影響較大、距目標體較遠、分辨率難以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求等因素，20世紀80年代中期至90年代初，以開(kāi)灤范各莊礦2171陷落柱特大透水事件為起點(diǎn)，我國開(kāi)始從國外引進(jìn)槽波地震、瑞雷波、無(wú)線(xiàn)電波坑道透視等技術(shù)與裝備，并通過(guò)消化、吸收、改進(jìn)、試制和自主研發(fā)，到世紀之交我國礦井物探技術(shù)與裝備已經(jīng)初步形成了包括井下直流電法、坑透、電透視、瑞利波、地質(zhì)雷達、煤厚探測儀等儀器系列，并開(kāi)展了大量的方法研究和現場(chǎng)試驗工作，取得了一定的地質(zhì)效果．近年來(lái)，瞬變電磁法開(kāi)始引入煤礦井下．該方法以其特有的長(cháng)距離、全方位、對水敏感、定向性好、施工效率高等特點(diǎn)，迅速受到了廣大礦井地質(zhì)工作者的歡迎．同樣，煤礦井下槽波地震探測技術(shù)也開(kāi)始重新得到重視，它以探測距離大、精度高、抗干擾能力強、波形特征較易識別等優(yōu)點(diǎn)，尤其在探測精度和距離上優(yōu)于其他煤礦井下勘探方法，其探測距離可達煤厚的300倍，廣泛應用于探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、充水采空區及廢棄巷道等地質(zhì)異常．該技術(shù)在20世紀80-90年代曾在全國一些煤礦得到應用，之后由于其設備笨重、施工工程量大以及地面高分辨率三維地震勘探技術(shù)的興起等多種原因，限制了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣．如今，不少煤礦的工作面都設計為超大超寬的高產(chǎn)高效工作面，隨著(zhù)槽波地震探測新型儀器設備的出現、施工方法的改進(jìn)以及處理軟件的升級，該技術(shù)又開(kāi)始重新煥發(fā)出勃勃生機．煤礦安全生產(chǎn)地質(zhì)保障的服務(wù)模式出現了可喜創(chuàng )新。

 

  煤礦的安全高效生產(chǎn)需要以超前、可靠地查明影響開(kāi)采的地質(zhì)條件為保障，這些地質(zhì)條件包括煤層賦存條件（如儲量）、構造地質(zhì)條件（如斷層）、水文地質(zhì)條件（如突水通道）、開(kāi)采地質(zhì)條件（如瓦斯）等．在這些地質(zhì)條件中，水文地質(zhì)條件與開(kāi)采地質(zhì)條件是動(dòng)態(tài)變化的，它們與由不同開(kāi)采方式、推進(jìn)速度等引起的圍巖應力變化密切相關(guān)，因此為了確保安全生產(chǎn)，對這些地質(zhì)條件的探測不可能是一勞永逸的，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤探測與及時(shí)的預測預警．近幾年，一些大型國有煤炭企業(yè)與科研院所、大專(zhuān)院校聯(lián)合，共同成立提供區域性日常技術(shù)服務(wù)的水文地質(zhì)研究院／研究中心，或由后者出面組建專(zhuān)門(mén)的駐礦項目部，對所轄礦井部分具有潛在突水隱患的掘進(jìn)頭、工作面，開(kāi)展水文地質(zhì)條件的動(dòng)態(tài)探測與實(shí)時(shí)預測的現場(chǎng)工作，這一新的“產(chǎn)學(xué)研用”工作模式的建立，已經(jīng)在一些地區有效規避了多起井下突水災害，也為科研單位提高技術(shù)能力、改進(jìn)裝備水平等提供了不可多得的機遇和平臺．眾所周知，煤炭開(kāi)采是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、漸進(jìn)的過(guò)程，礦井地質(zhì)工作是一門(mén)實(shí)踐性很強的應用科學(xué)，具有極強的實(shí)用性、現場(chǎng)性和實(shí)時(shí)性，隨著(zhù)勘探開(kāi)發(fā)程度的不斷深入，人們的認識會(huì )不斷升華；另一方面，煤礦生產(chǎn)對地質(zhì)工作的要求，在不同階段的要求精度也是變化的，要以確保生產(chǎn)過(guò)程的時(shí)效性為前提．圍繞煤礦水文地質(zhì)條件與開(kāi)采地質(zhì)條件的探測問(wèn)題，以物探施工單位派駐項目組進(jìn)行長(cháng)期動(dòng)態(tài)跟蹤探測與現場(chǎng)實(shí)時(shí)服務(wù)為特色的“嵌入式”服務(wù)模式，很好地適應了地質(zhì)工作的特點(diǎn)和煤礦生產(chǎn)的要求，發(fā)揮了優(yōu)勢互補、強強聯(lián)合的優(yōu)勢，創(chuàng )新了煤礦地質(zhì)保障技術(shù)的服務(wù)模式．物探方法技術(shù)與裝備的其他進(jìn)展。

 

  除了上述已取得突出進(jìn)展、得到推廣應用的地面及井下物探技術(shù)方法外，近年來(lái)尚有一些令人矚目的新方法、新技術(shù)正在處于試驗或推廣階段，如地面高密度全數字三維三分墨地震勘探技術(shù)、基于被動(dòng)地震震源的微震探測技術(shù)、煤礦井下網(wǎng)絡(luò )電法底板動(dòng)態(tài)監測技術(shù)、高精度地震散射波成像與CRP道集成像技術(shù)、煤礦突水災害治理效果的監測技術(shù)、礦井多波多分量地震勘探超前探測技術(shù)以及煤層氣富集區的地球物理綜合探測技術(shù)等．這些新方法、新技術(shù)與新裝備的研發(fā)或試驗成功，有望成為今后幾年物探技術(shù)的發(fā)展方向．