地震勘探在煤田深部勘查中的应用

为了应对煤炭资源后备不足的现状,对于煤炭资源的勘探,我国加大了深部找煤及矿区外围找煤的力度,地震勘探作为地球物理勘探中一种重要的方法,在找煤、石油、天燃气等方面有着广泛的应用。本文用一个实例介绍了地震勘探在深部找煤中的具体方法及取得的地质效果。     

地铁线路采空区微动剖面法探测研究——以广州地铁14号线二期为例

煤层开采留下大范围采空区,可能引发地面沉降和塌陷,危害地面建筑物和地下设施安全,查明采空区的空间位置与结构形态,对矿区环境治理、土地资源开发利用和确保地铁、铁路等大工程建设地质安全具有重要意义.然而,采空区探测一直是公认的行业难题,尤其是当采空区位于城镇等复杂强干扰环境下,传统的采空区物探面临诸多挑战.本文采用微动剖面探测新方法研究广州地铁14号线二期乐嘉路站—岗贝站区间的煤层采空区,介绍在城区交通要道开展地铁线路采空区微动剖面法探测的方法技术.探测查明2#、4#煤层采空区、六处岩巷与二处竖井,与钻孔揭露情况和历史记载的煤矿开采水平巷道吻合,探测结果为地铁设计建设提供了可靠的物探依据和地质安全保障.

     

黄陵矿区2号煤层构造应力场分析

煤层构造应力场与煤与瓦斯突出和煤层裂隙分布带范围密切相关.黄陵矿区煤层中瓦斯含量较高,分布不均是矿井安全生产的重要隐患.基于该区地震、地质和测井数据,本文对三维地震数据体进行精细的构造解释,用反演法建立了地质力学模型,并确定岩石力学参数,运用有限元理论和弹性计算力学对矿区三维构造应力场进行了数值模拟,得到黄陵矿区2号煤层地质构造带应力场分布特征,模拟结果与井田宏观及微观构造信息一致.这对预测该区裂隙分布带,煤与瓦斯突出等具有重要的指导意义.     

裂缝诱导的TTI介质固液解耦反射系数方程及裂缝和流体参数反演方法

利用地震数据进行裂缝预测及流体识别对于裂缝性储层的勘探开发具有重要意义.针对单组旋转对称的倾斜裂缝诱导的TTI介质, 基于各向异性Gassmann方程, 推导了固液解耦纵波反射系数近似公式, 分析了不同条件下近似公式的精度.根据实际研究工区裂缝储层的特征, 选用高裂缝倾角近似公式, 通过奇异值分解从方位弹性阻抗中估算裂缝密度和裂缝方位, 进而分离和消除各向异性项, 建立流体等效体积模量及孔隙度贝叶斯反演预测方法.模型试算表明, 在信噪比大于2时, 流体等效体积模量、孔隙度和裂缝参数的估计较为可靠, 实际应用也验证了反演方法的有效性.

     

地震叠前共成像点道集属性增维分析与解耦合应用

地震叠前共成像点道集比成果资料蕴含更多的信息,分析其特征并有效应用,可提高地质目标的描述精度.本文创新将叠前共成像点道集分频构建三维数据体,多维度系统分析地震属性随偏移距、频率变化的耦合关系,明确了差异变化特征,找到了等效叠加成像后地震属性混叠的原因.理论与连续频率正演合成带限子波,进一步分析地震属性随频率变化特征,发现纯频子波与带限子波的属性差异,认为纯频子波比带限子波更能准确地反映地质目标.针对叠前共成像点道集属性差异,面向地质目标,提出了属性解耦合应用策略.在CD油田,选取叠前共成像点道集属性稳定部分叠加,消除偏移距对地震属性的影响,保真度提高,有效频带变宽,主频提高.分频处理消除不同频率间的干涉影响,面向目标优选出纯频体.纯频体与地质体对应关系稳定,反映微幅构造和储层特征更明显,可有效挖掘出地震资料的潜力,实现地质目标的精细描述.     

背景噪声和密集台阵成像技术在哈尔乌素露天煤矿采空区的应用

未知煤矿采空区是煤矿安全生产的巨大隐患,探测煤矿采空区的位置和形态对于保障煤矿安全生产具有重要意义,因此煤矿采空区探测是煤矿安全生产的关键内容之一。目前采空区探测方法较多,但存在成本高、周期长、效率低等问题。近些年来随着密集台阵观测技术的快速发展,背景噪声成像分析在浅层结构探测方面也得到了广泛应用。本文采用基于节点地震仪密集台阵观测和背景噪声成像技术,在内蒙古哈尔乌素露天煤矿区附近布设的145个台站,台间距为16 m,开展为期10 d的连续观测,利用背景噪声成像技术对煤矿采空区进行成像分析。结果表明：(1)通过背景噪声、ESPAC等方法获得探测区的橫波速度结构,背景噪声探测方法可以较好地圈划出测区内的横波低速异常体;(2)根据横波低速区域分布特征获得采空区潜在位置,与钻孔验证揭示的采空区位置吻合较好,验证该方法勾画采空区的良好效果。相关成果显示,利用地表密集地震台阵观测开展背景噪声成像并结合ESPAC方法进行数据处理是进行露天矿采空区探测的一种经济、有效的手段,具有广泛的应用前景。     

磁异常△T三维相关成像

本文将重力和重力梯度数据三维相关成像方法推广到磁力勘探领域,推导并建立了磁异常△T的三维相关成像方法,同时提出了基于熵滤波分离异常的三维相关成像算法来提高成像分辨率.组合模型磁异常△T数据和实际磁测资料试验分析表明,本文方法能成像出地下地质体的空间赋存状态和等效磁性分布,具有良好的横向和纵向分辨率.     

磁异常ΔT三维相关成像

本文将重力和重力梯度数据三维相关成像方法推广到磁力勘探领域,推导并建立了磁异常ΔT的三维相关成像方法,同时提出了基于熵滤波分离异常的三维相关成像算法来提高成像分辨率.组合模型磁异常ΔT数据和实际磁测资料试验分析表明,本文方法能成像出地下地质体的空间赋存状态和等效磁性分布,具有良好的横向和纵向分辨率.     

汶川地震断裂带东北端浅部结构的人工地震探测

结合汶川地震断裂带动态监测,利用快速响应探测系统,开展了断层带浅部结构人工地震探测.针对地震断裂带动态监测条件下的复杂波场和低信噪比的情况,在f-k波场分离的基础上,分别利用了折射波共中心点成像、面波速度反演、反射波叠加成像方法,进行了浅层断层和构造成像处理,并对处理结果进行了综合解释,给出了断裂带浅部断层分布和速度特征.为汶川地震龙门山断裂带东北端动态监测提供了基础结构信息,所发展的断裂带快速响应探测技术对于地震应急动态监测具有重要意义.     

采空区地震与电法探测数据的联合反演研究及应用

综合地球物理技术在采空区的探测中发挥了重要作用.目前通常采用单方法反演、仅对不同方法反演结果进行对比解释的综合勘探方式,单方法反演的多解性严重降低了其探测精度.如何提高采空区的探测精度,对采空区进行有效探测一直被认为是地球物理技术面临的首要难题.为了提高地震与电法技术的探测精度,基于交叉梯度联合反演理论,设计了地震初至折射走时数据和高密度电法数据的联合反演算法流程,对采空区理论模型和野外实际数据进行了联合反演处理.结果发现通过两者的联合反演,不仅可以提高采空区电阻率反演模型的成像效果,而且能够获得地震单方法反演难以成像的采空区低速异常体,从而提高了地震与电法技术对采空区的探测精度.表明地震与电法探测数据联合反演是一种提高采空区探测精度的有效方法.     

煤层采空区内煤层气储气构造半航空瞬变电磁探测——以沁水煤田为例

煤层气又称瓦斯, 它是一种赋存于煤层孔隙中的可燃气体.当浓度达到工业标准时, 可成为一种可以被开采、利用的气体能源.煤层气不仅存在于完整煤层中, 在采空区中也蕴藏有大量的煤层气资源.通常采用反射地震法勘探完整煤层中的煤层气.采空区中煤层气与周围空气的物性差异的特殊性和多变性, 使用地震勘探对采空区煤层气进行直接勘探受到限制.为此, 本文采用了一种间接的地球物理勘查方法.对于瓦斯含量较高的山西省沁水煤田, 利用半航空瞬变电磁法, 对研究区内的未知采空区进行快速、精确探测.根据"虚拟地震数据"的偏移成像结果, 发现测区采空区不完整, 研究结果间接达到了采空区煤层气储气构造的勘查目的.     

Dispersion features of transmitted channel waves and inversion of coal seam thickness

In-seam seismic survey currently is a hot geophysical exploration technology used for the prediction of coal seam thickness in China. Many studies have investigated the relationship between the group velocity of channel wave at certain frequency and the actual thickness of exposed coal beds. But these results are based on statistics and not universally applicable to predict the thickness of coal seams. In this study, we first theoretically analyzed the relationship between the depth and energy distribution of multi-order Love-type channel waves and found that when the channel wave wavelength is smaller than the thickness of the coal seam, the energy is more concentrated, while when the wavelength is greater than the thickness, the energy reduces linearly. We then utilized the numerical simulation technology to obtain the signal of the simulated Love-type channel wave, analyzed its frequency dispersion, and calculated the theoretical dispersion curves. The results showed that the dispersion characteristics of the channel wave are closely related to the thickness of coal seam, and the shear wave velocity of the coal seam and its surrounding rocks. In addition, we for the first time realized the joint inversion of multi-order Love-type channel waves based on the genetic algorithm and inversely calculated the velocities of shear wave in both coal seam and its surrounding rocks and the thickness of the coal seam. In addition, we found the group velocity dispersion curve of the single-channel transmitted channel wave using the time–frequency analysis and obtained the phase velocity dispersion curve based on the mathematical relationship between the group and phase velocities. Moreover, we employed the phase velocity dispersion curve to complete the inversion of the above method and obtain the predicted coal seam thickness. By comparing the geological sketch of the coal mining face, we found that the predicted coal seam thickness is in good agreement with the actual thickness. Overall, adopting the channel wave inversion method that creatively uses the complete dispersion curve can obtain the shear wave velocities of the coal and its surrounding rocks, and analyzing the depth of the abruptly changed shear wave velocity can accurately obtain the thickness of the coal seam. Therefore, our study proved that this inversion method is feasible to be used in both simulation experiments and actual detection.     

三维地震神经网络反演在探明煤层富水灾害层的应用

在常规测井约束反演的的基础上,开展神经网络特征参数反演,将波阻抗等地震属性转化为与含水性更为密切的孔隙度、视电阻率数据体,使地震反演的地质属性与测井上的地质属性达到最优的相关性,从而实现应用三维地震对煤层顶板富水进行评价的目的。由于煤层顶板富水区的特殊性质,它同样也是地震后的易破坏层,因而对它的探明从抗震角度以及震害预测角度都是有价值的。以淮北某采区为例,通过孔隙度及电阻率的神经网络反演对研究区10#煤层顶板的富水性进行预测。反演结果表明采区北部发育一个强富水陷落柱,与钻孔揭示结果吻合。采区西部10#煤层顶板与第四系含水层呈不整合接触关系,神经网络反演结果预测为强富水区,同样与井下工程揭示富水特征吻合。利用多属性融合的神经网络反演可有效预测煤层顶板的富水特征,为煤矿安全生产以及抗震提供重要保障。     

煤矿井下槽波三维数值模拟及频散分析

采用交错网格高阶有限差分法编制了地震波场三维正演模拟软件,设计了基于镜像法原理处理煤矿井下近水平和起伏巷道特殊空间的算法;模拟了煤矿井下含巷道和不含巷道情况下煤层中传播的地震波场,并分析其频散特征.结果发现:由于巷道的影响,巷道壁上产生很强的巷道振型槽波,煤层中则出现了以Love型为主的槽波,据此分析了实际槽波记录的形成机理,研究结果对今后煤矿井下巷道地震超前探测和工作面弹性波透视等具有重要的理论意义和实际价值.     

综合勘探方法在解决地质问题中的应用

三维地震勘探在解决诸如小断层、小构造、煤矿采区陷落柱等方面的应用日益广泛。然而,由于地质条件的复杂性以及各种物探方法的特点不同,有时三维地震勘探方法需要与其它物探方法相结合才能更好地发挥其作用。本文以济三煤矿十四采区为例,介绍了利用三维地震和瞬变电磁法勘探相结合,探测采区的断层及煤层顶板上100m内的岩层富水体的方法、特点及经验。     

煤层陷落柱散射波数值模拟与成像

煤层陷落柱是煤田勘探开发中常见的一种典型的非均匀地质体.由于来自陷落柱的反射信号少、反射能量弱,使得基于反射波原理的常规地震成像方法难以有效识别陷落柱.本文以散射波理论为基础,采用数值模拟方法,研究了陷落柱的散射波场特征,研究表明地面接收的波场中含有来自陷落柱陡倾角界面的散射波场.通过共散射点道集波场的模拟,可以清晰地识别散射波,获得地下散射点和非均匀地质体的信息,判断散射点的位置,从而勾画出不均匀地质体的形态.采用等效偏移距假设抽取共散射点道集,在此基础上进行叠前偏移,对陷落柱成像;模拟与实际数据成像结果对比表明此方法能够合理地提取散射点的散射波场信息,对陷落柱形态及内部结构准确成像,是一种有效的煤田陷落柱成像方法.     

像域分解特征高斯波包地震数据模拟

分波型或时空局部特征波场的层析成像与叠前深度偏移成像组合是全波形反演成像方法(FWI)实用化的途径之一.其中如何高效稳健地获得具有时空局部特征的地震数据目前仍然是一个挑战.在前人提出的基于高斯束和高斯波包的Gabor框架散射波模拟的基础上, 本文提出了一种基于像域分解的特征高斯波包地震数据模拟方法.新方法利用具有空间局部特征的Gabor函数在成像剖面上实现数据的分解, 不仅可以利用成像剖面地质意义更加直观的特点来拾取特征反射界面, 还能有效地克服传统方法在数据域分解效率和精度不高等问题, 保证了分解后的反射数据具有更加明确的地质意义.此外, 不同于波动方程有限差分模拟, 基于时空局部特征的高斯波包模拟的一次反射波数据包含更多的数据属性, 比如反射波的到达时、空间位置和波场的传播方向, 这在层析反演中用于数据测量和偏移成像等处理时更具优势.数值实验测试表明了本文提出的分解方法的有效性.

     

基于地震属性的煤层厚度预测模型及其应用

地震属性技术在岩性和构造解释等方面得到了越来越广泛的应用,特别是在煤、油气资源勘探中具有重要的作用.基于淮南矿区谢桥1区13-1煤层地震勘探资料,提取了28种地震属性数据;通过地震属性的分析,优选出平均峰值振幅、振幅的峰态、最大绝对振幅、瞬时频率斜率等4种地震属性作为煤层厚度预测模型基本参数,结合已知钻孔资料,利用多元多项式回归以及BP人工神经网络方法,求出了各属性与煤厚之间的多元多项式回归模型及人工神经网络模型,并对模型进行了误差分析和应用结果对比分析,反映出人工神经网络模型在煤厚预测中具有好的应用效果.     

地震槽波的数学-物理模拟初探

针对地震槽波在低速层的传播特性,开展了煤层内地震槽波勘探的数值模拟和物理模拟研究的初探工作.在数值模拟研究方面,采用交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场模拟.基于波场快照和人工合成地震记录研究了不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律.在物理模拟方面,通过选用不同配比的环氧树脂和硅橡胶类材料构建地震槽波物理模型,利用透射法和反射法观测系统获得了清晰的地震槽波记录以研究槽波的地震学特征.研究表明,在煤层内槽波的地震波场中,Love型槽波的能量小于Rayleigh型槽波的SV分量,大于Rayleigh型槽波的SH分量.相对于Love型槽波和Rayleigh型槽波的SH分量,Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露能量较强.在煤层界面附近的围岩中,地震波仍以槽波形式传播,随着距离的增加能量逐渐衰减.随着煤层变薄,煤层槽波主频向高频方向移动,频散现象增强,传播速度增大.