《煤、泥炭地质勘查规范》实施后对物探规范的思考

地震勘探已进入高分辨采区勘探中，对一些构造规律尚不清晰的地区进行地震普查勘探，以增加煤炭资源储备是十分必要的。目前，地震勘探区一般为构造复杂地区，对于解决此类复杂构造问题，地震勘探方法是行之有效的。

1 复杂的地质构造

南坪普查区包括双堆小区和骑路孙—城南小区两个块段。以往勘探认为该区构造简单，但煤层埋藏较深，煤层较薄，并有岩浆岩侵入主要煤层，无工业开采价值。地震普查后，否定了原构造方案，揭示其为一复杂煤层构造地区。主采煤层为3和8煤层煤，断层发育，勘探区面积约150km2，大于100m的断层有26条。复杂之处在于本区逆掩断层发育，并伴有两个块段的双重叠置构造（即飞来峰），见图1。

图1 构造纲要图

图2 井深.药量试验频谱分析图

2 地震勘探的方法研究

在普查之前的概查阶段，已发现本区的特殊地质构造现象。在普查阶段针对本区特殊构造特征，采用地震方法进行了充分的试验，深入研究地震资料，从而推断出了符合实际的地质构造。

2.1 野外数据的采集

（1）激发条件试验。全区设计两个试验点，药量2.5kg分别放在6.0m、8.0m、10.0m、12.0m的井中激发，通过分析监视记录面貌，3煤层和8煤层的反射波突出，信噪比高，通过观测打孔打出的泥土砂石等，找到粘土层，并对单炮作频谱分析，确定井深10m为最佳层位（图2）；采用炸药1.0kg、2.0kg、3.0kg、4.0kg、5.0kg分别在10m的井中激发，经比较分析监视记录，确定药量3.0kg。

（2）接收条件试验。通过检波器不同电路组合效应、菱形锥形等不同形状对面波的压制、不同频率、挖坑埋置试验，分析监视记录及其对应的频谱图，选定最佳接收方式为两串两并线形组合，100Hz检波器，挖坑30cm接收。

（3）排列方式（覆盖次数）的选择。选择南坪普查区10线的一段，采用加大排列增加接收道数96道接收施工。处理时抽取不同接收道，获得4种采集参数的时间剖面，即96道接收24次叠加剖面；96道接收12次叠加剖面；小排列48道接收12次叠加剖面；大偏移距48道接收12次叠加剖面。通过比较，从4组剖面中选择48道小偏移距12次叠加，此排列叠出的时间剖面同相轴光滑，中浅层干扰小。这种方法施工一条线，可以获得4种不同的时间剖面，以选择最佳接收排列方式。

（4）施工措施及质量。南坪地震普查勘探中，除野外数据采集严格执行《煤炭煤层气地震勘探规范》外，施工中加强质量管理，坚持量孔，即炸药下去后测量孔深，这样既能保证井深，又有利于安全生产。检波器挖坑30cm。同时，由于普查区范围广，激发条件不断发生变化；在靠近城区附近，地下水位下降，施工中，发现监视记录质量变差时，打双孔作对比试验，加大井深以获得良好的第一手资料。由于严格施工，本区原始记录成品率达99.95%，甲级率为71.50%。

2.2 资料处理

资料处理坚持提高信噪比的原则，抓住以下环节，获得了较高品质的时间剖面，处理时间剖面长度157.58km，Ⅰ类剖面长度104.04km，占66.02%，无Ⅲ类时间剖面。

（1）编辑工作。编辑工作是资料处理工作的基础。去伪存真是编辑工作的原则，为保证参与多次叠加资料的可靠与真实，必须去掉一些不正常的炮或道，从而保证有效信息的拾取，以获得优质可靠的地质资料。南坪普查区的监视记录总体上面貌清晰，目的层反射波突出，但仍有一些不正常道存在，在编辑时认真剔道或删去某一道中的一段，做到对原始记录、叠前滤波及反褶积后单炮进行编辑，保证CDP道集的信噪比。

（2）速度分析。多次叠加的基础是抽取CDP道集能否有效地参与叠加，抑制多次波、噪音等干扰波，提高时间剖面的信噪比，而速度选择的正确与否直接影响到多次叠加效果。一般每隔50个CDP作一个速度谱，进行速度分析，产状变化及构造复杂地段加密速度谱点。在南坪普查区，有效波除T0、T3和T8波外，全区还有奥陶系内部的反射波组波全区较为稳定，距T8波时差400～500ms。在速度分析时有意突出该组反射波，以便于解释时的辅助波组参考使用，有利于判断层位。

（3）反褶积测试。选择两条线作子波脉冲、预测、地表一致性反褶积，通过对比时间剖面，采用子波反褶积处理的时间剖面T3波、T8波波形特征明显，信噪比高，对判层及识别构造有利。

（4）滤波测试。由于南坪普查区目的层深浅差距较大，深度为-90～-2000m，T8波时间为100～1400ms不等，采样长度2s。所以叠前滤波频带要宽，滤波档选择15，20Hz～180，200Hz。叠后滤波选择变时窗滤波的方式，即0～600ms滤波档选（25，30Hz～120，140Hz），600～2000ms滤波档选（20，25Hz～80，100Hz）。这样处理的时间剖面层次清晰，目的层突出，剖面信噪比高。

（5）特殊处理。在地震时间剖面上，对于地层倾角过大及构造复杂地段，主测线选做Fx偏移处理，达到对特殊波的收敛和有效波的归位，有利于对特殊波的识别和有效目的层的正确认识。全区出一套偏移剖面供分析资料使用。

2.3 资料的分析解释

2.3.1 波组特征及波的对比

分别选择两条线上的两个已知钻孔，利用声速测井数据作人工合成记录。以取得时间剖面上反射波组对应地质层位的认识。

选取余弦指数作为子波函数 B（t）=e-ktcos（2πft

地质层位的反射系数计算公式为：R=（v2ρ2-v1p1）/（v2ρ2+v1ρ1）

人工合成地震波计算公式：S（t）=B（t）*R（*为褶积符号）

即合成记录S（t）为子波B（t）与煤层反射系数R之间的褶积。

通过合成记录与时间剖面的对比，确定主要反射波对应的地质层位（图3）。T0为第四系底界；T3为3煤层反射波；T8为8煤层反射波；T13为奥陶系顶界；为奥陶系内部某一界面。

从波组特征图上可以看出，T0与下伏二叠系不整合接触，T3波两个强相位，T8波2～3个相位，T3波距T8波140ms左右；T13波距T8波120ms左右；波距T8波约500ms。

图3 反射波波组特征及其对应地质层位

利用各组波的动力学特征，对时间剖面上的波组进行标定。确定煤层对应的有效波。根据目的层波组（T0、T3、T8）的特点及波组关系，在时间剖面上进行连续追踪对比，并利用联络线进行闭合，从而控制全区煤系地层的起伏形态及构造。

对比解释时间剖面上的T3和T8波，利用钻孔深度及解释的主要煤层对应的时间，标定出全区的速度，勾绘出等速度平面图。理论上速度值应随目的深度的增加而加大，如果钻孔标定出的速度出现异常，可返回检查层位对比的正确与否。

2.3.2 构造解释

断点的确定：在时间剖面追踪对比过程中，反射波发生错断、同相轴产状突变，波组突然消失或出现断面波、绕射波等现象，表明有大的断点存在，反射波中断点以及断棱绕射波的极小点为断点位置。

南坪普查区逆掩断层发育，这时要认准T3和T8波组特征，判准层位，推断解释断层，同时根据产状的变化，判断断层的倾向。

在该区由于对F24及F25的正确认识，发现了一块煤系变浅的含煤构造块段，8煤即为800m以浅面积约8km 2。否定了老钻孔见灰岩即为基底的结论，认为灰岩下仍有二叠系煤层存在，这种构造已由后期施工的孔27-1证实。

落差恰好为3煤和8煤的层间距，这时只有认真分析辅助波的波组关系及主要目的层反射波的波形特征，才能确定断层的存在。在30线上就有这样的断层，由孔30-3验证。

图4 F24、F25断层时间剖面

根据断点两盘升降关系及产状变化的一致性，分析相邻断点落差变化规律，参考等时线的搭配，结合钻孔资料及区域构造规律，利用相邻测线上断点的落差和测网的闭合情况来确定断层的走向及延伸长度。

分析南坪地震普查区的区域构造规律，认为该区主要受SE-N W方向的挤压作用，断层走向以北东向为主。全区组合解释断层29条，断层分布具有规律性（图4）。

2.3.3 双重叠置构造（即飞来峰）的分析解释

对全区反射波的追踪对比，根据反射波的波组特征，认为L30线上有两组T3波两组T8波，且两组波的时差很大（500～800ms）。如果解释为逆掩断层，而这样的逆掩断层又无出露。并且骑路孙—城南小区的构18孔（20世纪60年代施工）揭露侏罗系之上有二叠系覆盖，故认为L 30线的骑路孙区段上部的煤系反射波为外来系统，并且外来煤系的反射波特征发生了变化，T3波频率变低，T8波能量较弱，见图5。

图5 双重构造现象时间剖面

利用普查的50线、60线、L30线、L33线联合解释，控制了骑路孙上部及下部的煤系构造形态，新发现可采煤约25km2。这种双重叠置构造现象（即飞来峰）已由新施工的孔50～3得到验证。

3 勘探成果及验证情况

全区施工物理点8728个，测长164.49km。原始记录成品率为99.95%，Ⅰ类剖面占66.02%。控制了大于100m的断层，控制了勘探区内煤系的起伏形态及构造，取得了明显的经济效益。新发现具有工业价值的煤炭资源约140km2，使之成为国家近期规划中的工业开发区。

由于野外严格施工，处理精细，认真分析解释，地震勘探获得了良好的地质效果。在地震普查勘探之后，利用地震勘探成果，设计钻探工程。在综合地质普查勘探中，施工钻孔7个，验证效果良好，见表1。

表1 钻探验证情况表

对于解决复杂地层构造，地震勘探有着无可比拟的优势。抓好地震勘探的每一个环节，获得较好的第一手资料，仔细分析，总结分析构造规律，地震方法完全可以控制复杂地质构造，发现具有工业开采价值的含煤区，为煤炭矿井建设提供后备基地。

（本文发表于2001年《山东科技大学学报》增刊）

煤炭地质勘查是对煤矿床进行调查研究以获取地质信息的过程，是查明煤炭矿产资源、煤炭储量以及生产所需的其他基础地质信息的过程。这个过程不可能一次完成，需要分阶段并依次进行。它包括从煤矿床的预查直至开采完毕整个过程中的地质勘查工作，是由勘查对象的性质、特点和勘查生产实践需要决定的，也是由煤炭勘查的认识规律和经济规律决定的。勘查阶段划分的合理与否，将影响到煤炭勘查与矿山设计、矿山建设的效果。因此，它不仅是煤炭勘查实践中的实际问题，也是煤炭勘查中的一个重要理论问题和技术经济政策性问题。

根据煤炭地质勘查工作的特点和与煤矿设计、建设与开采的关系，一般可分为资源勘查、开发勘探和矿山闭坑治理三大阶段。在煤矿设计、建设前的地质勘查工作属于资源勘查阶段；而在煤矿设计、建设与开采过程中的地质勘探工作，属于安全生产保障勘探阶段，属于矿井地质工作的范畴，涉及闭坑阶段的地质勘查工作更注重环境建设与恢复治理。因此，煤炭勘探学实际上是煤炭经济地质学。

（一）综合勘查方法的形成

综合勘查的概念和方法体系是在新中国煤田地质勘查实践过程中逐渐形成并不断充实和完善的。

早在20世纪50年代初期，新中国煤炭地质勘查队伍创建之初，学习苏联煤田地质工作方法，在老煤矿区向外围新区发展中，裸露和半裸露地区多采用山地工程、地质填图、钻探和采样化验等手段进行煤炭地质勘查工作。为验证钻探质量并发挥钻孔一孔多用的作用，亦逐步开展电测井工作。

20世纪50年代末，中国东部地区在分析地质规律基础上，采用电法扫面、钻探验证的综合普查找煤方法，总结出一套地质－地球物理综合勘查经验，在皖北、鲁西、豫东、冀东、辽南等地找到了一系列大型隐伏煤田。

20世纪60～70年代，在全国范围内因地制宜的采用山地工程、地质填图、物探、钻探和采样化验相结合的综合地质勘查方法并逐渐开展和应用航片地质填图、遥感解译、数学地质等新技术和方法。

20世纪80年代，在安徽刘庄和山东唐口精查中采用高分辨率地震勘探和钻探相结合的综合勘查，提高了勘查精度并减少了2/3钻探工程量，大大节省了勘查投资，缩短了勘查周期。高分辨率地震勘探能查明落差大于10m的断层，在地震、地质条件好的地区甚至连落差为5～10m的断层亦有明显显示，在探测煤层厚度变化、分叉和尖灭方面亦取得了初步成果。

20世纪90年代以来，三维地震勘探技术得到推广运用，1995年煤矿采区三维地震技术取得了突破性进展，在探明井田内小型地质构造和煤层厚度等方面取得显著进展，大大提高了勘查精度。1996年以后，彭苏萍（1996）等利用三维地震勘探技术成功解决了影响煤矿安全生产的小断层、小陷落柱等地质问题，在中国东部能查清1000m深度内3m断层，精释精度大大提高。提高了地质勘查对煤矿安全生产的保障程度。目前，以高精度三维地震和快速精准钻探技术为核心，遥感、物探、钻探、测试技术相结合的煤炭资源综合勘查技术方法体系不断完善并趋于成熟。

我国煤炭资源赋存条件的复杂性和多样性，决定了煤炭地质工作中综合勘查的重要性。综合勘查又称为综合勘探（generalized exploration），有广义和狭义之分。

广义的综合勘查，是指在地质勘查中以煤为主，同时做好勘查区内各种与含煤岩系伴生或共生矿产资源的综合评价和勘查。《煤、泥炭地质勘查规范》（DZ/T0215—2002）明确指出，煤炭地质勘查必须坚持“以煤为主、综合勘查、综合评价”的原则，做到充分利用、合理保护矿产资源，做好与煤共伴生的其他矿产的勘查评价工作，尤其要做好煤层气和地下水（热水）资源的勘查研究工作。同时，综合勘查也是指在煤田地质勘查各阶段，针对具体地质和地球物理条件，因地制宜地综合运用各种勘查手段所进行的勘查研究工作。

狭义的综合勘查，是指各种勘查手段的综合运用，又称为综合勘查方法或综合勘查技术。煤炭地质综合勘探技术是集地质填图、钻探、物探、测试、测绘、遥感和计算机于一体的综合勘探技术体系，即根据勘查区地形、地质和物性条件，合理选择高分辨率地震、钻探和数字测井等相结合的综合勘查手段，合理布置各项工程，强调各种手段密切配合和各种地质信息综合研究的现代煤炭地质综合勘查技术，它主要包括以下几个方面：

1.地理、地质和地球物理条件分析

我国煤炭资源地域分布广泛、煤系赋存状况差异显著。晚古生代海陆交互相煤系形成于巨型聚煤坳陷，煤层稳定但后期改造显著，原型煤盆地破坏殆尽。中生代煤系形成于大、中型内陆盆地，煤质优良、后期构造变形相对较弱。新生代煤系多形成于小型山间盆地或断陷盆地，煤层厚度大但不稳定。西北地区气候干旱、煤系裸露或半裸露；西南地区地形起伏大、植被高度覆盖、交通极为不便；华北东北平原区为巨厚新生界覆盖。各勘查区地理、地质和地球物理条件的显著差异，构成综合勘查方法选择的基础依据。

2.合理选择勘查手段

物探、钻探等各种勘查技术手段各有其不同的原理、特点、适用条件和应用效果，在运用各种勘查技术手段时要取长补短、合理配置、综合运用。综合勘查方法体系的主要内容，是根据勘查区具体的地理、地质和地球物理条件选择适当的勘查技术手段组合，以取得最佳勘查效果。

我国黄淮海等地震地质条件比较好的地区一般采用地震、钻探、测井和化验测试等勘查手段。在地层出露较好的地区则应充分利用地质填图和遥感技术，开展大比例尺填图，如在贵州等地区效果非常好。

3.注意各种手段的密切配合和施工顺序

20世纪90年代完成的唐口和刘庄勘探（精查）等中日合作项目，均成立了由地质、物探等专业人员组成的项目组，组织协调地质勘查工作，并制定了严格的施工顺序：先施工地震、测井参数孔、开展地震试验，获得最佳的地震参数，在此基础上开展地震工作，根据地震资料调整钻孔位置，施工钻探基本工程；根据钻探、地震取得的地质成果综合分析研究，确定勘查区的煤岩层对比、构造方案；初步编制资源/储量估算图，分析地质任务的完成情况，根据分析结果确定、施工构造验证孔和其他加密工程。

4.强化各种地质资料的综合分析研究

一个勘查项目应用多种勘查手段所获得地质资料十分丰富，要取得真正意义上的综合勘查，强化各种手段获得的地质资料的综合研究十分必要。如唐口等项目，除综合钻探、地震等手段取得的地质资料进行构造分析研究以外，还运用地震资料研究煤层厚度和结构变化趋势、河流冲刷带、圈定煤层可采边界、上覆松散层含水层分布等，同时，深入分析煤质资料，研究煤质特征和分布规律，从而大大提高了研究程度。

（二）综合勘查方法的运用

《煤、泥炭地质勘查规范》（DZ/T0215—2002）规定了综合勘查方法运用的基本原则：煤炭地质勘查工作应根据地质目的、经济效果和地形、地质条件、物性条件的不同以及各种勘查手段的特长，因地制宜地配合、组合选用。

在中国西部地质工作研究程度较低的地区，宜先用遥感方法进行矿产资源综合调查，选择有利含煤区块进行地质填图、施工物探工程和钻探工程。在中国南方和西南暴露煤田和半隐伏煤田宜先开展地表地质工作，进行地质填图、施工坑探工程和钻探工程。在中国北方隐伏煤田以物探为主、钻探验证。

1）暴露煤田和半隐伏煤田应在充分利用地质填图（有条件时还应开展航天、航空遥感地质填图）辅以槽探、井探、浅钻和地面电法做好地面地质工作的基础上，再采用钻探、测井和其他手段完成各项地质任务。

2）凡地形、地质和物性条件适宜的地区，应以地面物探（主要是地震，也包括其他有效的地面物探方法）结合钻探为主要手段，配合地质填图、测井、采样测试及其他手段进行各阶段的地质工作。地震主测线的间距：预查阶段一般为2～4km；普查阶段一般为1～2km；详查阶段一般为0.5～1km；勘探阶段一般为250～500m，其中初期采区范围内为125～250m或实施三维地震勘查。

3）凡不适于使用地震勘查的地区和裸露、半裸露地区，应在槽探、井探、浅钻、地面物探和地质填图的基础上开展钻探工作。

崔若飞 陈同俊 钱进 赵虎 李仁海 毛欣荣

（中国矿业大学 徐州 221008）

作者简介：崔若飞，1954年生，男，河南洛阳人，中国矿业大学教授，博士生导师，长期从事应用地球物理的教学和科研工作。电子信箱：rfcui@cumt.edu.cn，通信地址：江苏省徐州市中国矿业大学资源与地球科学学院，邮编：221008。

摘要 三维P波地震勘探是煤层气勘探开发的关键技术之一，属于岩性地震勘探的范畴。利用国内外油气勘探的成功经验并结合煤层气勘探的特点，提出利用“两个理论、六项技术”来指导煤层气地震勘探。两个理论是双相介质理论和各向异性介质理论，六项技术是地震属性技术、地震反演技术、方位AVO技术、方位各向异性技术、煤层厚度非线性反演技术和基于MAPGIS的多源信息预测技术。利用煤层气地震勘探技术，并配合其他地质手段，建立煤层气（瓦斯）富集带预测模型，为煤层气的开发提供科学的地质依据。

关键词 煤层气勘探 岩性地震勘探 地震反演 方位AVO 方位各向异性

CBM Seismic Survey Technology

Cui Ruofei，Chen Tongjun，Qian Jin，Zhao Hu，Li Renhai，Mao Xinrong

（China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008）

Abstract：3D P-wave seismic survey is the lithological seismic method which is one of the key techniques for CBM survey.Based on domestic and overseas successful oil/gas survey experiences and the features of CBM survey，the paper pointed out that CBM seismic survey should be directed by the two theories and six techniques.The two theories mean both two-phase and anisotropic medium theories.Six techniques include seismic attribute，seismic inversion，azimuth AVO，azimuth anisotropy，non-linear inversion of coalbed thickness and multi-source information prediction based on MAPGIS.Using CBM seismic survey combined with other geological methods，the paper established the prediction model of CBM accumulation area which would provide scientific geological basis for CBM exploitation.

Keywords：CBM exploration；lithological seismic survey；seismic inversion；azimuth AVO；azimuth anisotropy

1 煤层气勘探的意义

煤层气（瓦斯）是由煤化作用形成的赋存在煤层中的以甲烷为主的混合气体。我国是一个能源消费大国，加速煤层气的勘探与开发具有重要意义。

首先，煤层气作为一种新型洁净能源，其开发利用可弥补我国常规能源的不足。我国是煤层气资源大国，居世界第二位。近年来，对煤层气的成因、储层特性、赋存状态、成藏理论进行系统研究，取得了一大批成果。但是，相应的勘探与开发技术相对滞后。今天，地质学家和地球物理学家已经把研究重点放在勘探与开发技术领域。

其次，瓦斯突出问题是长期以来困扰煤矿安全生产的一个灾害性问题。据国家安监总局统计，2005年全国煤矿瓦斯事故死亡2157人，占全部煤矿事故死亡人数的36%。在一次死亡10人以上的特大煤矿事故中，瓦斯事故起数占69%。事实上瓦斯已成为我国煤矿安全生产的“第一杀手”。造成这种局面的原因是多方面的，既有管理上的原因，也有技术上的原因。关键在于煤矿在开采前和开采过程中，对地下瓦斯富集的情况一无所知。这样就使煤矿在生产和开采过程中，无法根据瓦斯分布情况制定有针对性的措施。

目前，晋城矿区为了抽排瓦斯，只能以一定的密度均匀布置钻孔，希望通过这种方式将瓦斯在开采前抽放掉。但是这样做又会面临两难的选择，如果要将瓦斯尽可能地排放干净，就必须将钻孔布置得相当密集，成本就会增加；如果要控制成本，就要降低钻孔密度，可能无法保证瓦斯浓度在安全指标以下，即可能会导致瓦斯事故的发生。因此，只有依靠科技进步，采用新技术、新方法才能为煤矿查明煤层瓦斯富集区域，是当前煤矿生产中亟待解决的重要课题。

最后，利用煤层气可以有效保护生态环境。甲烷对红外线的吸收能力是二氧化碳的25～30倍，是造成温室效应的元凶之一。煤矿开采过程中的甲烷排放量占全球总排放量的一半，可见煤层气的开发利用可以有效降低温室效应。

总之，煤层气的勘探、开发与利用可以改善我国能源结构、促进煤矿安全生产、有效保护生态环境，是一举多得、利国利民的大事。

2 煤层气勘探开发的关键技术

今天，三维地震勘探技术已经成为煤矿生产中必不可少的手段，在很大程度上替代了传统的地质勘探方法。

现行的煤田地震勘探技术主要是利用反射波的运动学特征来解决构造问题，而煤层气（瓦斯）地震勘探属于岩性地震勘探。在影响煤层气成藏的5个主要因素中，利用地震资料和其他地质资料可以查明煤层厚度、断层及其他构造分布、煤层埋藏深度、煤层的倾角与露头位置。但是，不能对煤层和围岩的透气性做出评价，即无法确定含裂隙裂缝介质（构造煤的分布与厚度）的性质。

瓦斯作为气体，如果要在煤层中储存和运移，那么煤层及其顶底板中就必须要有相互联通的裂隙裂缝。总之，裂隙裂缝的存在是瓦斯存在的必要条件，也是搞清煤层瓦斯富集带的关键。因此，对于煤矿开采而言，研究煤层及其顶底板裂隙裂缝的分布和连通情况极其重要。瓦斯突出及爆炸的罪魁祸首就是煤层及其顶底板中的裂隙裂缝。由于裂隙裂缝是瓦斯富集、存储、运移的场所，因此查明采区内断层、裂隙裂缝的分布便能够对煤层及其顶底板（围岩）的透气性做出正确评价。于是，煤层气（瓦斯）地震勘探的核心是查明煤层及顶板中裂隙裂缝发育的方向和密度。

早在20世纪90年代，利用地震资料研究裂隙裂缝发育的方向和密度便受到地球物理学家的高度重视。主要原因是碳酸盐岩是一个有利的高产油气层，世界上约有60%左右的油气来自碳酸盐岩储层，而碳酸盐岩储层与裂隙裂缝的关系极为密切。大量的研究工作和观测数据表明，含裂隙裂缝介质的性质可以用双相介质理论和各向异性介质理论进行解释。因此，国内外学者把重点放在利用地震资料研究双相介质的各向异性和检测裂隙裂缝方面，其主要方法有三类：①多波多分量裂隙裂缝检测技术；②S波裂隙裂缝检测技术；③P波裂隙裂缝检测技术。由于P波地震勘探成本低，从20世纪90年代起，地球物理学家把目光转向P波勘探，用P波代替S波/转换波检测裂隙裂缝已成为一个重要研究课题。

煤田地震勘探的情况也是如此，1993年P 波三维地震勘探技术开始得到应用，1998年三维三分量地震勘探技术引入煤田，并陆续在10余个煤矿进行试验工作，希望综合利用P波和转换波解决煤矿生产中的开采技术条件问题。但是，事与愿违，时至今日没有取得突破性成果。今天，回过头来分析煤田转换波地震勘探的得失时，不能忽略煤层埋藏浅、P波的信噪比高和分辨率高这一鲜明特点，而转换波的信噪比较P 波相差1～2个数量级。因此，煤层气勘探开发应该以三维P波地震技术为主，同时配合其他地质手段。

3 煤层气地震勘探技术的特点

利用P波进行煤层气地震勘探，目的是利用地震波运动学和动力学特征来研究小型压性与压扭性构造、煤岩层岩性，特别是查明煤层及顶板中裂隙裂缝发育的方向和密度（煤体结构破坏程度）、构造煤的厚度。

利用国内外油气勘探的成功经验并结合煤层气勘探的特点，提出利用“两个理论、六项技术”来指导煤层气地震勘探。

两个理论是双相介质理论和各向异性介质理论，六项技术是地震属性技术、地震反演技术、方位AVO技术、方位各向异性技术、煤层厚度非线性反演技术和基于MAPGIS的多源信息预测技术。

3.1 地震属性技术

地震属性指的是由叠前或叠后的地震数据，经过数学变换而导出的有关地震波的几何形态、运动学特征、动力学特征和统计学特征。地震属性技术是指提取、显示、分析和评价地震属性的技术，在煤层气地震勘探中包括地震属性的提取、地震属性的分析、利用地震属性区分构造、岩性并进行目的层预测。

煤层气储层是典型的双相介质，与单相介质相比，地震波在双相介质中传播后，各个频率成分的能量分布发生了变化，主要表现为地震波能量向低频方向移动。这种地震波场动力学特征的变化为预测瓦斯富集带提供了理论基础。杨双安博士利用数值模拟方法对该理论进行了验证。图1为六层介质模型，其中第四层中部为双相介质，代表瓦斯富集区。合成记录见图2。

图1 模型示意图

图2 合成地震记录

从图2 中看到有两组反射波，在100ms 附近的反射波是界面1 形成的反射波，在200ms附近的反射波是界面2、界面3、界面4和界面5形成的复合波。对200ms附近的复合反射波进行分频处理，得到不同频率成分的能量。在图3中，中间的双相介质区域表现出：①时间发生延迟、反射波连续性较好的运动学特征；②低频能量增强、高频能量衰减的频率特性；③与正常反射波相位相反的相位特征。总之，具有双相介质特征的瓦斯富集区与单相介质区域有明显的差异。

图3（a）标准低频成分（1～10Hz）的能量；（b）高频成分（35～45Hz）的能量（据杨双安）

图4 淮南张集煤矿西三采区13-1煤层的主频带能量百分比

图4是淮南张集煤矿西三采区13-1煤层的主频带能量百分比，可以发现主频带能量的变化规律。

3.2 地震反演技术

波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件，对井旁地震资料进行约束反演，并在此基础上对孔间地震资料进行反演，推断煤系地层岩性在平面上的变化情况，这样就把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来，实行优势互补，大大提高三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度。

通过波阻抗反演，可以预测煤层及顶底板的岩性特征。图5显示的是某区13-1煤常规地震剖面与波阻抗反演剖面的对比。通过对比，发现图5（b）不但能清楚地显示煤层，而且对煤层顶底板的岩性也有较清楚的显示。因此，可以对方位地震数据体进行反演，从方位反演数据体中提取有关剖面属性并进行各向异性分析。

图5 某区13-1煤常规地震剖面与波阻抗反演剖面的对比

3.3 方位AVO 技术

AVO（Amplitude Versus Offset）技术是利用反射系数随入射角变化的原理，在叠前道集上分析振幅随炮检距变化的规律，估求岩石的弹性参数并检测油气的重要技术。而方位AVO分析则是将宏面元按多方位等分，再在不同的方位上做AVO分析的一种技术。

影响反射振幅随炮检距变化的最主要因素是介质的泊松比，其次是速度。因此，AVO响应实际是地层泊松比异常的反映。通常，煤的泊松比值为0.37～0.45，含气砂岩的泊松比值可降到0.1。因此，可以根据CDP道集记录中的振幅随偏移距的变化关系来勘探气层。图6是方位AVO分析示意图，图6（a）是宏面元方位划分方法，图6（b）是宏面元方位AVO曲线。

图6 方位AVO分析示意图

由于AVO曲线可以下式进行近似：

AP（θ）=P+G*sin（θ）

因此，对每个宏面元的每个方位AVO曲线用上式进行拟合，即可以得到每个方位的 P 属性值和G属性值。同样，可将每个宏面元内每个方位的 P 值和G值进行椭圆拟合，计算出方位各向异性（图7）。

图7 P波属性的方位各向异性

3.4 方位各向异性技术

含裂隙裂缝介质的性质可以用各向异性介质理论进行解释，而传统的地震理论仅研究各向同性介质。

目前，国内外学者通过大量的正演计算证明了反射P波在裂隙性地层中表现为方向各项异性。主要表现在叠前P波数据的振幅、速度和旅行时差随炮检距或方位角的变化。研究结果表明，反射P波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征很敏感，所有的P波属性分布函数均为椭圆，如图7所示。图8中显示的是某区4号宏面元的方位CDP道集。图8中将宏面元按等方位地划分为18个区，每个方位的道集依次排列，红色箭头的位置为目的层。从图8中可以发现宏面元的每个方位道集的振幅强弱是不同的，将它们提取并做椭圆拟合，将椭圆的长轴方向作为裂隙的主方向。这样就可以得到裂隙裂缝分布示意图，如图9所示。在图9中箭头方向表示裂隙裂缝的方向，箭头长度表示裂缝的密度，箭头越长表示裂隙裂缝越发育。另外，也可以通过对宏面元的各方位CDP道集做速度分析，得到层速度随方位的变化关系，同样也可以拟合出裂隙裂缝分布示意图。

图8 某区4号宏面元的方位CDP道集

图9 利用P波属性得到的裂隙裂缝分布示意图

把上述观点进行延伸，研究多个地震属性随入射角变化的规律，利用地震属性参数随方位角变化的特征提取裂隙属性，从而确定岩溶裂隙带的空间分布，这种技术称方位各向异性技术。

3.5 煤层厚度非线性反演技术

传统的煤层厚度计算是利用钻孔资料的对比、内插获得的。然而在任何勘探区内，钻孔的数目是有限的，所以其计算的煤厚值可信度很低。因此，国内外许多学者试图从连续观测的地震资料，特别是从数据密度很大的三维地震资料中获取煤层厚度信息。

人们提出了多种煤层厚度的定量解释方法，从理论上讨论了煤层反射波的形成机制，研究了它的地震特征（包括波形、振幅与频率）随煤层厚度的变化规律，为利用煤层反射波的地震属性参数进行煤层厚度预测提供了理论依据。但是，这些方法基本上只利用了一类地震属性参数，具有一定的局限性，它们都要求煤层厚度在一定范围内与煤层反射波属性参数呈线性变化关系，即它们都属于煤层厚度线性反演方法。然而，煤层反射波属性参数与煤层厚度是一种非线性关系。因此，迫切需要建立煤层厚度的非线性反演方法。

煤层厚度非线性反演技术属于统计分析方法，即利用某些地震属性参数与薄层厚度的统计关系来预测构造煤层的厚度变化。首先利用谱分解技术对地震剖面进行分解得到窄带频率剖面，然后从低频剖面中提取有关地震属性参数，最后利用人工神经网络对地震属性参数进行煤层厚度反演。

3.6 基于MAPGIS的多源信息预测技术

由于瓦斯富集与裂隙发育程度、煤层厚度、断层及其他构造分布、煤层埋藏深度、煤层的倾角与露头位置、煤化程度等因素有关。因此，要对煤层瓦斯富集带进行准确预测就必须将上述因素都要充分考虑。可以发现，提取了上述几种因素的有关属性后，上述因素的属性数据量将相当大，相互关系将相当复杂。为了有效、合理地利用上述因素的各种属性，选择了GI S作为平台，将各种属性和空间数据相融合，生成各种专题图件，最终确立合理的多源信息融合方法。在此基础上，建立服务于煤矿生产的瓦斯富集带预测模型。图10显示的是多源信息融合方法和综合分析过程。

图10 多源信息融合方法和综合分析

4 结论

煤层气地震勘探的总体目标是：将地球物理技术、基础地质勘探手段、数学地质分析手段与地理信息系统技术进行有机结合，应用于煤层气（瓦斯）富集带的预测与评价。

煤层气地震勘探的技术特点是：

（1）将双相介质理论和各向异性介质中弹性波传播理论与煤田地震资料的特点相结合；

（2）利用地震属性技术、地震反演技术、方位AVO技术、方位各向异性技术，提取地震P波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征，并从地震属性参数随方位角变化的特征中提取煤层和围岩的裂隙属性；

（3）利用煤层厚度非线性反演技术获取构造煤的厚度信息；

（4）利用GIS作为平台，把煤层和围岩的裂隙属性、煤层厚度、断层及其他构造分布、煤层埋藏深度、煤层的倾角与露头位置等多源信息进行融合和综合分析后，建立煤层气（瓦斯）富集带预测模型，为煤层气的开发提供科学的地质依据。

参考文献

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时作舟　唐建益　方正

（中国煤田地质总局，河北涿州　072750）

摘要　地震技术在中国煤炭工业中的应用已有40年历史。以往，用这一技术在中国发现了几十个新煤田和煤产地，并与钻探配合，对200个以上地区的煤田、井田进行了普查、详查、精查勘探。形成了一套适合于中国地质情况的独特的综合勘探技术。近年，为适应各大型、特大型煤矿区淮南、淮北、平顶山、兖州、神木、潞安、开滦等综合机械化采煤的需要，发展了一种专门为采区设计服务的地震技术，在为煤炭工业生产和建设提供更高精度的地质成果方面取得了重大进展。本文以实例，简要论述了近年来中国煤炭工业地震勘探技术的新进展，包括高分辨率地震、煤矿采区地震、高分辨率三维地震、煤层横向预测、VSP以及岩溶地震勘探技术。

关键词　煤炭地震　新进展　地震勘探　中国

1　引言

中国是世界上以煤炭为主要能源的少数国家之一，煤炭在一次能源生产和消耗结构中约占76%。中国的煤炭主要产自石炭二叠系、侏罗系，少部分产自第三系。煤矿的地质构造比较复杂，煤层的稳定性也较差，给开发开采带来了困难。中国东部、中部大型综合机械化采煤工作面，常因地质构造影响正常生产或使采掘接替失调。一些基建矿井对设计作重大修改或重新调整采区设计或增加井巷工程量，使巷道报废，造成重大经济损失。用钻井加密的方法更细微了解地质构造周期太长、成本太高，经济上很不合算，有时甚至是不可能的。

近年，中国东、中部地区的大型矿井，因依靠深入的地震工作及其进步技术，进行了成功勘探，在100多个煤矿采区取得了突出的地质效果和经济效益。使这100多对矿井在一定程度上扭转了煤矿建设和生产上由于地质构造问题引起的被动局面，促进了中国煤炭工业的发展。

现今的地震技术，在煤炭工业中已可成功地完成以下地质任务。

（1）查明落差大于10m以上的断层（二维地震）；查明落差大于5m以上断层、查出落差大于3m的断点（三维地震）；

（2）查明主要可采煤层中幅度大于10m（二维地震）和5m（三维地震）以上的褶曲，主要可采煤层底顶板深度误差小于2%（二维地震）和1%（三维地震）；

（3）确定和预测主要可采煤层分叉合并带、冲刷带、天然焦化带；

（4）确定废弃巷道位置；

（5）探测陷落柱；

（6）探测煤层隐伏露头位置、平面位置误差＜50m。

2　高分辨率地震技术

煤矿高分辨率地震技术是一项系统工程，它包括野外工作方法、仪器和资料处理技术的全面改进。提高分辨率能力的关键是增强信号的高频成分，当然仅提高频率是不够的，还必须加宽频带和兼顾改善高频讯号的信噪比，以及对环境高频噪声的抑制。这就带来了以下问题：

（1）如何激发频率较高、频带宽的地震信号；

（2）如何接收和尽量避免接收过程中的高频信号的损失；

（3）在记录时如何将反射波中的高频信息记录下来；

（4）如何提高信噪比，还要尽可能保留反射波中的高频信息；

（5）如何补偿地震波传播中高频的衰减；

（6）如何在处理中提高分辨率。

在中国东部、中部特大型煤矿，通过野外试验确定的方法是：

2.1　激发

在兼顾信噪比的基础上，采用高速成型炸药，小炸药量一般为0.5～1kg，按各地区潜水位和地层条件选择激发高频成分、高信噪比的最佳地层来激发地震波，井深8～15m或30m，砾石区采用可控震源（10～125Hz,8～10次扫描）。

2.2　接收

（1）采用60Hz检波器或100Hz检波器或水听器或涡流检波器，安置在深0.3m或2m的浅坑或8m浅井中，以防止地表高频噪声和避免低速带对高频反射信号的吸收；

（2）时间采样率0.5ms、1ms；空间采样率2.5m、5m、10m

（3）采用24位A/D转换，超低噪声超低畸变的地震资料采集系统；

（4）野外地震仪器前置放大器用30Hz或60Hz或90Hz的低通滤波器；

（5）12次、24次或48次叠加；

（6）单点多检波器接收。

2.3　资料处理

野外采集的原始地震记录，主要煤层反射波的频率一般仅在60Hz左右。不能达到要求的分辨率，事实上不大可能在采集阶段完全解决分辨率问题，而且也是不经济的。精细处理可以使分辨率得到很大提高。众所周知，处理中除有提高分辨率的有力手段之外，也有很多环节包括叠加在内降低了分辨率。因此，在处理中各地区十分注重以下问题：

（1）精细静校正，应用初至折射资料估算静校正量；

（2）高精度动校正，以减小拉伸畸变，减小高频校正误差；

（3）噪声衰减；

（4）压缩和缓和子波作用；

多道最小平方统计反褶积、Q补偿、子波处理、串联反褶积、反Q滤波；

（5）连并约束反演；小波变换。

采用以上方法，使1000m以上主要可采煤层反射波主频达到100Hz左右，优势信噪比频率达到10～200Hz，在地震剖面上能分辨落差大于5～10m的断点，厚约0.7m的煤层。

2.4　实例

（1）图1是淮南矿区一张典型的高分辨率地震剖面，图中左下角的断层和中部的褶曲构造清晰可见。

图1　典型的高分辨率地震剖面

图2　连井约束反演地震剖面

a—约束反演前地震剖面；b—约束反演后地震剖面

（2）图2连井约束反演地震剖面，经连井约束反演处理后，主要反射频率由60Hz提高到约100Hz。

3　三维高分辨率地震勘探技术

3.1　三维地震勘探技术特点

前已叙及，由于开采煤炭的深度较浅（垂深1000m以内），对地质构造查明的程度要求又很高。因此，中国煤炭工业中的三维地震勘探技术与石油工业中的三维地震勘探技术有着以下不同的特点：

（1）排列长度较短，一般约500～700m，非纵距不超过600m

（2）CDP网格很密，一般为（5～10）m×（10～20）m

（3）采用高频检波器接收，其自然频率在60Hz、100Hz，埋置在深0.2～0.3m的浅坑中；

（4）通常以4线6炮或8线3炮制获取12次覆盖共深度点反射地震数据；

（5）在资料处理中通常用每平方公里5～10个钻井数据对反射层位进行标定；

（6）采用钻孔标定速度，使主要解释精度达到1%

（7）对地震成果数据进行动态管理，即使用采掘过程中的新获得数据对，地震解释成果进行实际修正，重新解释。

近年，在中国的淮南、淮北、济宁、开滦、永夏、大屯等矿区已完成15块三维地震勘探，每块面积2～7km2。

其主要效果：

（1）查明了采区内落差大于5m的断层，落差3m的断点在地震剖面上显示明显；

（2）主要可采煤层底板埋藏深度误差，经巷道验证＜1%

（3）查出运输大巷的位置。

3.2　典型实例

（1）图3是淮南矿区LB矿3.4采区三维地震数据盒。

图3　淮南矿区LB矿3、4采区三维地震数据盒

（2）图4是淮南矿区PS矿A采区三维地震水平切片的一部分。小断层断距5m，在图中黑框内清晰可见。

图4　淮南矿区PS矿三维地震水平切片小断层断距5m

4　煤层横向预测的地震技术

4.1　煤层预测

煤层横向预测的地震技术是以地震信息为主结合钻井地质成果和测井成果，研究煤层横向变化。煤层横向预测采用以下几项技术：

（1）煤层层位精细标定技术；

（2）煤层底板空间几何形态描述技术；

（3）主要可采煤层厚度变化预测技术；

（4）煤层分叉、合并带、冲刷带描述技术；

（5）主要可采煤层露头预测技术。

横向预测煤层的依据是地震反射波的振幅变化、相位变化、频率变化和速度变化。

通常预测煤层是利用人工合成记录，VSP资料对地震剖面上反射波的层位进行精确标定后用下述方法实现：

（1）波形分析法；

（2）特征参数法；

（3）稳健迭代法反演；

（4）积分地震道技术和波阻抗反演；

（5）子波振幅谱总能量法；

（6）道振幅谱比法。

4.2　典型实例

（1）图5是一段典型的处于煤层分叉、合并地段的地震剖面、图中T3波为3号煤层反射波，T3L波为三号石灰岩反射波。

图5　典型的煤层分叉、合并地段的地震剖面（引自刘天仁）

（2）图6是用地震资料解释的3号煤层分叉、合并成果平面图。该成果经三批38个钻井验证成功率达84%。图中地震解释与钻探不一致的钻孔为T17-9、T8-3、T14-2、T15-3、T23-1、T10-3。

5　煤矿采区地震技术

5.1　采区地震技术特点

矿井初步设计前后，或煤矿投入生产后为合理布置采区、预备采区或工作面，而应用的地震技术称之为采区地震技术。它是90年代发展起来的为煤矿生产服务的技术，主要特点是：

图6　用地震解释的3号煤层分叉、合并成果平面图（引自朱华荣、杨奎）

该成果经三批38个钻井验证成功率达84%，图中●为地震解释成果经钻探验证不一致钻孔

（1）普遍采用二维、三维高分辨率地震技术。

（2）二维勘探测网较密一般175m×250m，构造复杂区125m×200m；三维测线网（20～40）m×（40～60）m。

（3）采区地震技术要完成以下主要地质任务：

①二维勘探查明落差10m以上的断层，查出落差5m的断点；三维勘探则查明落差5m以上的断层，查出落差3m以上的断点；②主要煤层底板的深度误差＜1%（三维）、2%（二维）；③查明主要可采煤层冲刷带范围；④查明陷落柱的范围。

（4）具有一整套适应各地区不同地质情况二维地震数据时深转换，三维偏移归位技术。

5.2　实例

（1）淮南LB矿井

该矿井设计年产300万t，在即将建成前进行采区高分辨率地震勘探。原矿井设计区内只有一条原F39断层，设计两个采面。地震勘探后煤系地层起伏形态与精查地质报告基本一致，但断层变动较大如图7。可见两个采区均为采区地震勘探查出的延伸很长的F39断层切剖，为此对设计采面进行改动，新工作面可推进2000m。1993年投产至今已产原煤200万t以上。

图7　淮南LB矿井高分辨率地震勘探前后断层构造对比图

图中原F39为精查勘探查出的断层，F39、Fs为采区地震勘探查出的断层，巷-541/震-537分别为巷道对13-1煤层底板标高验证结果和地震解释结果

（2）河南LE矿井

该矿井设计年产240万t，原设计采区内无断层采区，采区地震勘探后查明断层17条。原设计三个采面中的两个采面被断层切断，见图8。后只好修改设计，避免了经济损失。

图9是一张典型的煤矿采区地震时间剖面，图中T3为3号煤层反射波，由F12和八里铺断层切割，而形成的地质构造清晰可见。

6　垂直地震剖面（VSP）

VSP主要用于确定反射波的地质层位；提高地震资料处理分辨率和了解钻井周围及井底以下的地质构造。

7　奥灰岩溶地震勘探技术

奥灰岩溶水一直是中国邢台、峰峰、焦作、鹤壁、邯郸等煤矿生产防治水和开采太原组煤层的主要障碍。据估算至少有5亿t煤受水的威胁无法开采。以往，靠钻井的方法予以探测成本高、周期长、成功率低。奥灰岩溶地震勘探技术主要借助于中、低频勘探，高覆盖次数的地震数据的特殊处理，来完成对奥陶灰岩内幕、岩溶发育带和奥灰顶界的埋深，断层的导水性的勘查。

图8　LE矿井高分辨率地震勘探前后断层构造对比图

1—地质精查查出的断层；2—高分辨地震查出的断层；3—二1煤层底板等高线

图9　典型的采区地震时间剖面

图中TQ为新生界底界面反射波，T3为3号煤层反射波

8　结论

本文简要论述了中国煤炭工业地震勘探技术的新进展，可以看到它在煤炭工业中的应用已取得了丰硕的成果。高分辨率二维、三维地震；地震道反演；VSP等等技术，特别是高分辨率三维地震，由于技术成果精度高，勘探周期短，因此把它作为煤矿设计和开采中高度现代化的工具，正在成为中国东部地区一些煤矿的标准作法。

今后，中国东部、中部地区仍将是中国的主要产煤基地，开采深度将更深（1000～1200m）。为煤炭工业服务的地震技术将向勘探细小构造3m或更小断层的，高分辨率、高精度三维地震勘探和煤层勘探的目标发展。在综合利用各种资料和技术时，煤层横向描述，煤层顶底板岩性变化描述，地压预测，瓦斯富集带预测，断层导水性预测技术也将在矿井中起着重要作用。

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