三维地震断层闭合方法研究论文

20世纪90年代，在我国大型和特大型煤矿基建和生产中，开展了大规模的煤矿采区三维地震勘探，该技术在勘探精度和可靠性方面均处于世界领先水平。根据淮南煤田特殊矿井地质开采技术条件的变化及需要，提出利用三维地震勘探技术，开展对上部厚而稳定的主采煤层之下很不稳定的薄煤层细微构造的分析研究工作，目的是解决上部主采煤层瓦斯超标的先期释放层开采技术难题。本文主要阐述该技术在解决矿井生产中实际问题的应用效果，以及井巷实际开采对三维地震成果的验证情况。

1 概述

目的与可行性分析

目的

在淮南矿区存在上部厚而稳定的主采煤层（13-1煤层），因瓦斯超标对矿井安全构成严重威胁而无法正常开采。如果能够先期开采主采煤层（13-1煤层）之下的薄煤层（11-2煤层），使13-1煤与11-2煤之间的岩层因下沉而松裂，则可使主采煤层（13-1煤层）内的瓦斯得到有效释放。为此，在淮南矿区利用三维地震勘探技术对深部薄煤层研究，对当前生产矿井解决瓦斯超标释放层开采及今后下部煤层的延续开拓生产，具有现实的指导作用和重要的实用价值。

可行性分析

前期的淮南矿区三维地震勘探技术，主要利用上部厚而稳定的主采煤层对应的高信噪比、强连续性煤层反射波，分析研究厚煤层的细微构造形态变化。其重点是提高分辨率，所以从采集到处理的主要参数一直侧重于采集高频成分的地震信息。然而，主采煤层下部很不稳定的薄煤层对应的反射波，由于受其上部强反射层的屏蔽作用，加之深层高频信息相对衰减较快，使其信噪比偏低，连续性变差，故而总以时隐时现的弱反射波呈现在记录和时间剖面上。

对三维地震勘探技术，主要利用主采煤层之下的极不稳定的薄煤层对应的弱反射波，分析研究薄煤层的细微构造变化形态，重点则突出来自下部薄层对应的弱反射波的信噪比和分辨率。

在数据采集中，从激发机理上加大药量，激发产生穿透能力较强的中、低频信息为主的地震波，使入射波有足够的能量穿透上部强反射层，继而采用中频检波器接收，再运用高覆盖次数提高其弱反射波的信噪比和分辨率，则完全有可能获得能量较强的薄煤层反射波。在处理中，其流程、参数选择尽可能有利于突出深层弱发射波对应的中频地震信息，资料解释中认真细致地分析研究薄煤层反射波的振幅、相位变化特征，对主采煤层下部薄煤层的细微构造形态作出精细解释，提供先期释放层开采急需的可靠地质资料是可行的。

研究内容及地点

主要研究内容

（1）查明11-2煤层的构造形态，查出大于8～10rn的褶曲；

（2）查明落差大于5m的断层，平面摆动小于20m；

（3）查找出3～5m的断点，并尽可能组合；

（4）查明11-2煤层的起伏形态，深度误差小于2%；

（5）预测分析11-2煤层的厚度变化趋势。

地点

淮南矿区潘三矿东四采区17151（1）11-2煤综采工作面，有效控制面积约 2。

测区概况

构造与地层

淮南煤田位于华北板块的南缘，整个煤田为一走向近东西的对冲构造盆地。盆地南北两侧均为推覆构造形成的叠瓦扇，其内部为一较简单的复式向斜——淮南复向斜（图1）。

图1 淮南煤田构造示意图

潘三煤矿“属南型北相”的石炭系二叠系全隐蔽煤区。矿区内地层由老至新有：古生界奥陶系（），石炭系（C），二叠系（P），为本区的主要含煤地层；含可采和局部可采煤层13层，可采煤层总厚度。其中13-1、11-2、8煤层为本井田主采煤层。中生界三叠系（T），新生界古近系、新近系和第四系。

地震地质条件

本区为淮河冲积平原，地势平坦，一般标高+～+之间。潜水面一般在地表以下2～4m，且较稳定，表层多为粘土和砂质粘土，有利于地震波的激发。

区内11-2煤层厚度薄而且极不稳定，小构造十分发育，加之受上部13-1煤层强反射的屏蔽作用，11-2煤层对应的反射波信噪比很低，连续性差，故深层地震地质条件较为困难。

2 成果研究

数据采集

数据采集必须严格坚持深井、大药量激发，使用中频检波器及仪器宽档接收，即从原始资料上就采集到丰富的中频信息。

数据处理

为了提高深部薄煤层（11-2煤）对应的T 4弱反射波的信噪比和分辨率，数据处理从流程到诸参数的选择必须坚持突出深层弱反射波对应的中频信息。在取得高信噪比强连续性的资料基础上，再利用适当的叠后增频，来提高垂向分辨率。即信噪比是分辨率的基础，连续性则是分辨率的关键（图2、图3）。

图2 典型记录

图3 典型时间剖面

构造解释

11-2煤层的构造形态

本次三维地震成果资料表明，潘三矿东四采区17151（1）11-2煤工作面，地层赋存形态为一走向北西、南东的单斜，倾向南西，地层倾角5°～7°，11-2煤层起伏形态变化不大。断裂构造较为发育，略大一些的断层主要以北东走向的正断层为主，而落差较小的断层则以近东西向的走向正断层为主，规律性较强（图4）。

图4 潘三矿东四采区17151（1）工作面11-2煤底板等高线图

断层

由于本次研究探区极小（仅一个综采面），根据附近巷道资料揭露，在时间域能够使煤层反射波形成明显的时间差错动的断层（H≥4m）很少，而以波形发生畸变反映的小断层（H≤3m）较为发育。因此，本次构造研究主要利用以常规时差对比为辅，认真细致地分析对比煤层反射波的振幅、相位等波形异常变化为主的细微构造解释原则。

全区共解释组合断层13条，其中正断层13条；落差≥5m的2条，可靠的2条；落差0～3m的7条，可靠的4条，较可靠的3条；落差0～2m的4条，较可靠的2条，参考断层2条。

构造解释分析

对地层直接进行测量而获得的地震记录，应包含沉积地层各方面的综合信息，地质构造上的微小变化都可能引起地震记录的波形特征（振幅、相位、频率）发生变化。如果充分利用这些与地下构造及岩性有关的动力学信息，分析研究煤层反射波的细微构造形态变化，进一步提高煤田地震勘探细微构造解释精度是可行的。

煤层厚度预测

煤厚预测条件

在地震勘探中，根据薄层的理论研究，一般认为，当薄层厚度等于λ/4时，反射波振幅为最大，称λ/4为薄层调谐厚度；当夹层厚度大于λ/4时，顶、底反射可以分辨，夹层厚度与顶、底反射时差成正比；当夹层厚度小于λ/4时，顶、底反射不能分辨，成为一个复合波形，其夹层厚度与反射波振幅近似正比。

煤田地震勘探中，一般可采煤厚约1～8m，多数为2～5m，因此煤层应是一个典型的低速薄层。同时煤层反射波也是由煤层顶、底板反射波和层内多次波、转换波及围岩中各反射波形成的一个复合反射波。由于煤田地震勘探偏移距一般不太大，致使转换波及多次波十分微弱，因此煤层反射波则主要是顶、底板反射波的矢量叠加。

11-2煤层厚度预测分析

从三维地震资料数据中提取煤厚信息，解释煤层厚度变化是行之有效的途径。本区11-2煤厚在0～2m区间增厚，尤其合乎振幅增强的区间，其振幅增强与煤厚变化基本呈线性关系，故此时换算煤厚精度也最高，预测条件具备。

预测结果

本区11-2煤层结构变化较为显著，稳定性较差，在工作面西端有一东西长约350m、南北宽约80m的厚煤带，煤厚约为～左右；在工作面东端有约100m宽的煤层冲刷带，煤厚约为～左右；工作面剩余部分及其以北地段为较厚带，煤厚约为～。而且断裂也不太发育，是一个较好的开采块段（图5）。

图5 潘三矿东四采区17151（1）工作面11-2煤厚度变化趋势图

本次预测结果仅为11-2煤层厚度变化趋势，目前预测水平仅为定性和半定量阶段，估计预测误差在以内。

3 成果验证分析

成果验证

潘三矿东四采区11-2煤层首采区17151（1）综采工作面，经巷道施工揭露的地质资料，给检验本次三维地震勘探研究成果提供了得天独厚的验证条件。

断层断点验证

东四采区11-2煤层巷道开拓在本次三维地震勘探控制范围内发现断点5处，其落差均小于。三维地震解释与其吻合的有4处，占80%。其中一处巷道揭露断点，地震未解释（表1）。

表1 断层断点验证—览表

见煤点深度验证

东四采区巷道开拓在本次三维地震勘探控制范围内共揭露见煤点7处，地震解释11-2煤底板埋深与其吻合一致，相对误差最小，最大，即在埋深-670～-700m时，相对误差均小于1%（表2）。

表2 11-2煤层底板标高验证—览表

见煤点厚度验证

东四采区巷道开拓在本次三维地震勘探控制范围内共揭露见煤点7处，11-2煤层煤厚最小、最大，地震预测分析均在～厚范围内，绝对误差小于的6处、的一处（表3）。

表3 11-2煤层厚度验证—览表

成果分析

本采区位于叶集次一级背斜南翼，F39断层上盘，受其综合影响，工作面内隐伏性伴生小构造十分发育。仅东四采区11-2煤上山就揭露小断层10条，落差均小于。且均为走向正断层，倾角较缓，个别为层间滑动断层，规律性较强。受其影响，区内11-2煤层在小断层上盘煤厚明显变薄或急剧变薄达。

同时，区内11-2煤层小构造（＜5m）非常发育，煤层结构变化较大，其具体表现为11-2煤层对应的反射波振幅强弱变化显著，同相轴复合、分叉、扭曲消失等现象变化剧烈。充分说明本次三维地震勘探研究成果资料的反映与其本区井巷揭露的实际地质现象是吻合一致的。

4 结论及经济效益评估

结论

本次三维地震勘探严密控制了区内11-2煤层的起伏形态，查明了11-2煤工作面落差≥5m的断层2条，查找出2～5m的断层11条，严密控制了断层的延展长度和展布趋势。较好地预测分析了11-2煤层厚度变化趋势。完成了研究内容，实现了预期的目的。

对三维地震勘探研究成果资料的验证分析，充分说明在淮南矿区对薄（0～2m）煤（11-2）层开展高精度三维地震勘探，只要使用大药量激发、中频检波器接收、高密度采样、高覆盖次数的野外采集方法；重点提高下部薄煤层对应的中频、弱反射波的信噪比、连续性；再运用分频叠加和叠后增频进一步提高垂向分辨率的特殊处理技术；配合以时差对比为辅，认真细致地分析反射波的振幅、相位、波形等异常变化为主的细微构造原则，能够完成强反射层屏蔽下的薄而且极不稳定煤层的细微构造形态的地质解释任务，直接服务于矿井生产。

综上所述，只要有针对性地做好数据采集、处理和解释工作，对深部薄煤层查明落差大于5m的断层和波幅大于8～10m的褶曲，查找3～5m的断点是可行的。在煤层反射波信噪比高、连续性强的情况下，对于落差小于3m的小断层或断点也是有望实现的。

经济效益评估

薄煤层研究主要以解决矿井当前及今后延续开拓生产中的实际问题而展开工作的，其研究成果已经直接服务于矿井生产。它对淮南矿区急需解决的先期释放层开采和今后下部薄煤层的延续开拓生产，具有现实的和长远的推广应用价值，并且在矿井生产中已经取得显著的决策性效益。

（本文发表于2002年第1期《山东科技大学学报》）

由三角剖分曲面构成的复杂层位的模拟的第一步是根据其边界生成初始三角形。这些边界是三维多边形线，并且可以是非常复杂的，代表各种地质现象（褶皱、断裂等等）。由于Delaunay算法仅能从二维多边形生成三角剖分曲面，因此基于Delaunay算法的方法是不能胜任这一问题的。本节介绍一种可用于三维多边形曲线的算法，该算法可分为两步，第一步由子平面凸形多边形生成规则三角形。第二步，借鉴人工智能技术的启发式方法，将复杂三维闭合线内部分解为一系列基本凸形部分，这些凸形元素由第一步给出的方法进行三角剖分。最终结果将是这些基本曲面的一个组合。在本节的结尾，可以看到用这种算法，如何从三维地震数据构造一个复杂的、被断层切割、分离的层位。

在地震数据处理领域一个重要的目标就是复杂三维表面的建模。在最近几年，发表了许多基于经典Bezier样条和Nurbs函数的方法的文章。在GOCAD项目的框架中，发展了一种基于离散光滑插值的新方法，简称DSI，允许用三角剖分曲面拟合数据。这种方法已经成功地用于实现在射线追踪和深度偏移领域的离散算法。在实际工作中，DSI方法需要输入一个与被模拟曲面具有相同拓扑结构的已存在的曲面，已经发展了几种方法来生成这些用于拟合数据的“初始”曲面。本节介绍一种“面片算法”用于构造由它的边界定义的三维三角剖分曲面。

面片算法步骤1：

设C为一闭合曲线，由一具有n个顶点的多边形线定义。目的在于创造一个三角形部分曲面S，有如下表示：

●S看起来就像一个盘子，由尽可能规则的三角形组成。

●曲面S边界上的节点数精确的等于定义多边形线C的节点数。

思想是这样的，构造一个围绕曲线C的中心由三角形组成的k层的集合。如图所示：

图拼凑算法第一步（等，1993）

（1）第1层由围绕中心的六个三角形组成。

（2）层数k是n的函数，它的选取要使三角形化最优。在每个系列环上，节点数将规则的增加，最后等于n,k取 的整数部分（加1）。

（3）在每个环Cij上，要产生ki个节点。

（4）用三角形填充两个连续的环Ci和Ci+1之间的空间。

（5）最后，通过将边界结点移动到给定的多边形C的顶点来延展新的三角剖分曲面，并且在曲面上应用DSI。

面片算法步骤2：

问题定义。在实际工作中，地质层位或断裂对应的界面可能存在很复杂的边界，在此情况下上文提到的算法将肯定失败。本算法第二步的目标在于跨越这一障碍。步骤2的基本思想是用一系列闭合曲线｛Γ1，Γ2，…，Γn｝来代替复杂的闭合曲线Γ，组成覆盖被构造曲面的拼合面片的边界。接着对每条曲线Ti应用面片算法的步骤1，这样被构造曲面就由现在生成的相连的一系列基本面片组成了。在这种方法中，本节把三维复杂闭合线的内部部分看成是许多基本凸形子平面连线内部部分的一个集合。这样，对原始三维线内部的定义就要依赖于所采用的分解方法，而这一问题的解并没有固定的形式。在本节中介绍一种用于求解此问题的方法。

方法。这种方法使用了人工智能技术，在某种意义上也就是模仿人类解决问题的方法。为了尽可能加快分解初始三维闭合线的速度，在进程的每一步上加入了一些启发性过程。

我们来考虑一个三维闭合线r，方法的第一步是计算闭合线的重点g和主分量｛u,v,w｝，然后我们将它投影到由（g,w）定义的它的主平面上，这里w对应于最小变差方向。现在我们得到二维投影P，计算其顶点壳C，可能出现两种情况：

●P与C相同，我们可用面片算法步骤1来生成三角形填充。

●P与C不相同，我们将P与C之间的不同点存贮于一集合中，现在的目标是从这个集合中抽取两个点产生一个“分离段”。为了优化分解，我们取的两个点距C尽可能远。

在第二种情况中，上节提到的进程将用于我们已获得的两条线，就像图表示的那样。算法的重复率在某种意义上说是非常重要的，它确保最终产生的三角形有效的代表Γ作为其边界。进程的最后，我们将得到三维闭合线｛Γ1，Γ2，…，Γn｝的凸形集合，对于这些闭合线我们可以用先前提到的第一算法进行三角剖分。最后一步是将这些基本部分联在一起，以便得到边界确切为r的最终曲面。

图拼凑算法第二步（等，1993）

实例。实例显示于图和图中，对应一个被断裂分割的离散层位。初始的有效数据为：

图从上面看模型（等，1993）

图从侧面看模型（等，1993）

●每个面片边界在（Ox,Oy）水平面上的投影。

●定位于一些被模拟曲面的等值线上的一系列点。

曲面构造被分两步实现：

（1）每个初始面片由本节的面片算法生成。

（2）DSI算法用于将这些曲面拟合到数据点。本节介绍的算法对应于GOCAD软件中曲面建模过程的第一步。这些初始曲面随后将通过DSI算法将其与数据点、地震线、插值地质界线等拟合……

曲面三角剖分的应用（即离散描述的应用），对于实现模型的高效射线追踪或解决由断裂分割层位引起的问题，是非常重要的途径。

1 采区概况

济宁二号煤矿是大型生产矿井，为查明矿井九采区地质构造及煤层赋存情况，矿方要求对九采区进行三维地震勘探。勘探范围南北长1450m，东西宽2720m，控制面积为。

勘探区内地层有第四系，上侏罗统蒙阴组，上二叠统，下二叠统山西组，上石炭统太原组，中石炭统本溪组，奥陶系中、下统。本区含煤地层为太原组和山西组，共含煤27层，其中太原组含煤23层，山西组含煤4层。可采和局部可采煤层7层，其主要可采煤层为3上、3下及16上。

区内岩浆岩十分发育，采区内岩浆岩厚度为～，在勘探区内呈岩床状覆盖在煤系地层之上，位于侏罗系中上部，岩浆岩底界到主要可采煤层3上煤顶界距离一般大于300m。

2 复杂的地震地质条件

浅层地震地质条件

测区潜水位一般在2～6m，由于古河床的存在，局部有流沙层分布，激发条件受影响。地层主要岩性为棕黄色、浅灰绿色粘土、砂质粘土及砂层组成。第四系厚为190～206m，其底界面和下伏地层呈角度不整合接触，界面波阻抗差异明显，反射系数大，能形成一组强的TQ反射波，而且形成较强的二次反射波，即为本区的多次干扰波。

中深层地震地质条件

上侏罗统岩性比较单一，以砂岩为主，夹少量泥岩或砾岩，无明显的波阻抗分界面，再加上与下伏顶界物性差异不太明显，因此，在侏罗系内部及其底界面均不能获得较强的反射波。尤其是在侏罗系中，有燕山期侵入的岩浆岩，而且是以岩床形式侵入到上侏罗统中部，岩浆岩主要为橄榄辉长岩、角闪辉长岩及辉石正长斑岩等。形成对反射波传播的屏蔽层，使下部煤层反射波受到很大影响，因此中部地震地质条件差是本次地震勘探中存在的主要问题，应采取有效措施，加以解决。岩浆岩与其上、下围岩波阻抗差异大，形成一组强的顶、底界面反射波Tr1、Tr2。3上、3下煤层为本区主要可采煤层，埋深706～819m。3煤层反射波特征较明显、能量较强、连续性较好，是本区主要可采煤层反射波，统称为T 3波。16上、17煤层厚均小于1 m，波阻抗不明显，虽有形成反射波的条件，但反射波能量较弱。

对该区复杂地震地质条件的分析研究

本区浅深层地震地质条件较好，厚层岩浆岩的强屏蔽和第四系底界多次波对主要目的层的影响，是该区三维地震勘探的难点。在资料的采集和处理中，必须采取有效措施，克服多次波和屏蔽层的影响。选择最佳激发层位，大药量激发，减少大地滤波及岩浆岩对地震波的吸收和屏蔽作用，以保证传播能量。反射波接收，由于地层界面多，目的层埋藏深，所以，反射到地面的有效波高频成分损失较多，所以采用了中频检波器接收；采用大排列接收，有利于处理时去除第四系底界多次波的影响。资料处理时，重点采取了多种适当方法减少多次波的影响。

3 野外工作方法

根据对本区浅、深层地震地质条件的分析研究，该区施工前做好试验十分重要。因此设计了点、线试验，来确定最佳采集参数，以选择最佳施工方案。试验遵循先点后线、点线结合，单一因素变化的原则。

点试验确定激发条件。药量试验：在不同深度的井中，进行药量对比试验，确定激发药量。井深试验：采用试验确定的药量分别在不同深度的井中激发，确定激发药量。经分析比较，药量为2～3kg，井深不同块段采用12m和14m。

图1 不同频率检波器接收的试验线时间剖面

线试验，试验线每一接收点用40Hz、60Hz和100Hz检波器同时接收，获得三种不同频率的初叠剖面（图1），从图1中可以看出，选择60Hz中频检波器及组合接收，时间剖面上主要煤层反射波目的层分辨率高，连续性强，断点清晰。排列方式的选择：试验线采用中点发炮，72道接收，资料处理时，通过不同的抽道处理，获得72道、48道、36道中点发炮、36道和24道接收端发炮五种不同排列方式接收的时间剖面，分析这五种初叠剖面，可以看出36道接收中点发炮，对于克服多次波干扰和岩浆岩屏蔽作用效果明显。

根据试验分析、测区的地质情况、地质任务要求，采用以下工作方法：

观测系统类型：束状8线8炮，中间激发；接收道数：288道；

接收线数：8条；接收道距：20m；接收线距：40m。

检波器组合形式：采用6个60Hz检波器串组合。

4 处理方法

根据本区的地震地质条件和地质任务要求，数字处理以确保“高分辨、高保真度、高信噪比”为原则，同时重点分析多次波发育特点，采用多种方法去除多次波的影响，最终获得了较为满意的三维时间数据体。

针对上述处理目标，在数据处理中，主要抓住以下几个环节进行反复测试，选出正确处理流程及最佳处理参数。

（1）建立正确的几何库和一次静校库。

（2）认真细致地做好速度分析是资料处理的重要环节。

（3）合理使用反褶积，使高频信息得以加强，提高纵向分辨率。

（4）采用叠前部分偏移（DMO）及叠后一步法偏移技术提高横向分辨率和空间成像效果。

（5）选择合适的去除多次波的方法，去掉新地层多次波对煤层反射波的影响。

去多次波处理

该区发育的多次波，是由第四系底界生成的，速度较低，与第四系一致，与煤系地层有明显的速度差异，容易衰减。经F-K域、τ-p域的大量试验，选择在CDP道集上，作τ-p变换和F-K滤波，利用速度差异和多次波较目的层反射波斜率大的特点，使多次波得到最大程度地衰减，从而突出有效波，达到去除多次波的目的（图2）。

由于处理流程和参数选择合理，又采用τ-p变换、F-K滤波等方法，消除了多次波等各种干扰波的影响，时间剖面质量得到了提高。

图2 去多次波前与去多次波后的道集对比

时间剖面质量

计算机显示可获得时间剖面1118条，其中东西向剖面469条；南北向剖面649条。按40m×80m网格对时间剖面进行抽查，共114条，总计。按规程要求进行评价，Ⅰ类剖面为，占，Ⅰ+Ⅱ类剖面为，占，时间剖面质量比较优良。剖面质量均高出规程要求，为完成地质任务奠定了可靠的基础。

5 地质成果

在本次三维地震勘探中，查明了煤系地层的起伏形态和次级褶曲的发育情况；对断层的展布状况和分布规律作了深入的研究，结合钻探资料和井巷资料查明了5m以上的断层；并对落差3～5m的断层或断点进行了解释；同时对3下、3上煤厚变化趋势进行了预测和研究，取得了较好的效果。

在构造解释上，保留断层1条：F 60断层；修改断层7条：八里铺断层、八里铺断层支2、F35、F36、F37、F58、F59；新发现断层38条：落差＞10m的2条；5～10m的5条；0～5m的19条，3m左右的小断层12条。严密控制了八里铺断层的产状，如图3。

图3 三维地震勘探前后3煤层构造对比图

本次三维地震勘探经过采集、处理、解释等诸方面的细致工作及合理的技术措施，圆满地完成了协议所规定的各项地质任务。三维地震勘探成果资料为矿井更加合理布置采煤工作面提供了可靠的地质依据，取得了显著的经济技术效益。

（本文发表于2005年《煤田地质与勘探》增刊）