煤矿地球物理勘探技术XXXX0712

0煤矿地球物理勘探技术(讲义)刘树才、崔若飞、刘盛东中国矿业大学地球物理所2012.7.811.4地球物理勘探技术1.4.1概述地球物理勘探方法利用物理方法来解决地质问题，即通过观察与观测各种地球物理现象，分析它们随地质构造或岩性变化的基本规律，从而到达解决地质问题的目的。所有的地球物理勘探方法简称“物探”方法，由于所研究的物理性质不同，物探方法种类多样，主要的方法包括：(1)地震勘探：地震勘探是研究人工激发的弹性波在不同地层中的传播规律，如波的速度、波的衰减和波的形状，以及在界面的反射、折射来研究地层埋深、构造形态和岩性等的一种物探方法。(2)电法勘探：电法勘探是以介质的电性差异为基础，通过观测和分析天然及人工电磁场的空间和时间分布传播来研究地质构造和寻找矿床的一种物探方法。(3)重力勘探：重力勘探是以地壳中岩(矿)石间的密度差异为基础，通过观测与分析重力场的变化来寻找和勘探矿床，研究地质构造的一种物探方法。(4)磁法勘探：磁法勘探是以岩(矿)石间的磁性差异为基础，通过观测和分析地磁场的变化规律，来寻找和勘探矿床，研究地质构造的一种物探方法。(5)地球物理测井：地球物理测井是利用钻井内岩石、矿层具有不同物性的特点来划分钻井地质剖面及解决其它地质问题的多种方法总称，也称为钻井地球物理，或简称测井。它主要包括电测井、核测井、声测井等方法。近几十年来，地球物理勘探方法得到飞速发展，方法和技术日臻完善，应用领域不断扩大，解决的问题日益增多，已成为煤炭地质勘探中一个不可缺少的组成部分。在煤炭资源勘探工作中，已由钻探为主物探为辅，发展为物探为主，钻探验证为辅。使得煤炭资源勘查工作在精度、效率及经济性等各方面都有很大提高。目前，地球物理勘探方法更多地应用于煤矿生产阶段，在矿井和采区设计优化、综采工作面的合理布置、避免和减少地质风险、优选采煤方法、提高资源回收率、降低万吨掘进率、生产安全等方面起到了重大作用。主要地质任务为：查明小断层小褶曲；查清陷落柱、老窑及采空区的空间分布形态；解决煤层分叉与合并、煤层厚度变化、火成岩侵入、煤层顶底板水文地质条件及力学性质等一系列地质问题。地球物理勘探通过观测由于地下探测对象与周围介质物理性质的差异所引起的物理场变化，来研究探测对象的形态和性质。从本质上讲都是间接方法，都是通2过少数观测点(在地面、空中或井下)获得的数据去推测探测对象的状况，又称为反问题。由地球物理场的本质和观测误差的决定了地球物理反问题存在非唯一性，或称多解性。加之每种物探方法一般只能反映地质体某个方面的物理性质，而且每种物探方法的数据观测采集受到地形、地质条件等因素的影响，这些都使得物探多解性更加严重。为了减少物探结果非唯一性(多解性)的影响，除了提高观测精度、资料精细处理等技术手段外，更需要综合采用多种物探方法。由于地质体是一个统一的整体，密度、电性、弹性、磁性等物理性质均是这一整体在不同方面的反映，各种物性参数间均有一定联系，利用这种联系进行综合解释，能大大缩小单一物探方法的多解性。同时，不同物探方法解决地质问题的能力和探测范围也是不同的，这往往需要采用不同物探方法组合应用，提高解决某个地质问题的能力。因此，对于物探结果有时还需要采用钻探、巷探等基础地质手段进行验证和标定。1.4.2地震勘探的基本原理1.4.2.1地震波的传播特征地震波是在岩层中传播的弹性波。当用炸药作为震源激发时，震源附近的岩石受到巨大激发力的作用产生破裂和塑性形变，而远离震源的岩石受到瞬间微小外力的作用可以近似看成完全弹性体。弹性体在外力作用下发生形变并产生一个反抗形变的弹力。当外力取消时，弹力使弹性体恢复原状。这个过程使质点产生随时间变化的弹性位移(振动)，由于质点间存在着弹性联系，每个质点把振动传递到周围质点。于是，激发力引起的质点弹性振动由震源向周围介质传播，逐渐形成地震波。地震波分为体波和面波，体波在弹性介质的内部传播，面波沿着弹性介质的某些界面传播，见图2-1-19。纵波(P波)——质点振动方向和波传播方向相同。横波(S波)——质点振动方向和波传播方向相垂直。质点振动在水平平面中的横波分量称为水平横波(SH波)，质点振动在垂直平面中的横波分量称为垂直横波(SV波)。瑞雷面波(R波)——质点在通过传播方向的铅垂面内沿椭圆轨迹逆转运动。3图2-1-19地震波的传播示意图a—纵波；b—水平横波；c—垂直横波；d—瑞雷面波煤田地震勘探主要采用纵波勘探。地震波在传播过程中遇到两种地层分界面时，就会产生反射波。在地面上用仪器把各个地层分界面的反射波到达时间t记录下来，利用地震波传播速度v，便可以计算出地层分界面的埋藏深度2/vth。图2-1-20是地震勘探示意图。图2-1-20地震勘探示意图1.4.2.2地震勘探的地震地质条件决定一个地区能否开展及如何进行地震勘探工作的客观条件，统称为地震地质条件，它分为表层条件和深部条件两部分。表层地震地质条件是指地表附近的地质和地貌的特点，它主要影响地震勘探的施工效率、激发与接收条件。深部地震地质4条件是指地震界面与地质界面的对应关系，以及地质构造的复杂程度。1.4.2.3地震数据的采集1．震源用于地震勘探的震源基本上分为两大类：炸药震源和非炸药震源。1）炸药震源炸药是一种特殊的化合物或混合物，它能在外界的影响(如用电雷管起爆)下放出气体和高热，形成高压气团而急剧膨胀，在很短的瞬间将压缩作用施用于周围物体，即所谓的冲击波。在爆炸中心，物体将被粉碎和破坏，形成破坏带。在破坏带以外，物体只产生弹性形变，形成岩石的震动带，此时冲击波变成弹性波。在陆地地震勘探时，多数情况下在注满水的浅井中爆炸激发地震波，无法钻井或钻井困难的地区多采用坑中爆炸。在水面地震勘探时，采用水中爆炸。井中爆炸是地震勘探中最常用的一种激发方式，它的主要优点有两条：一是减小面波的强度，基本不产生声波；二是反射波能量强、频率高，可以减少药量。要确保这些优点的实现，需要选择良好的激发条件。首先要考虑的就是爆炸介质的岩性，若在松软的干燥沙层或淤泥中激发，地震波频率很低，且爆炸能量大部分被吸收；若在坚硬的岩石中激发，地震波频率很高，但是随着地震波在岩石中的传播，高频振动很快地被吸收。因此，激发最好选在潮湿的可塑性岩层，如胶泥、粘土等。其次要考虑的是激发井深，通常选择在潜水面以下2~3m。为了使能量集中向下传播及减小声波干扰，井中要注满水、泥浆或用土填塞。虽然目前我国在陆上大部分地区仍主要采用炸药井中爆炸的激发方式，但是随着勘探规模的扩大和技术的发展，炸药震源逐渐暴露出以下问题：(1)钻井和使用炸药的费用较大、时间较长，在需要钻深井才能获得良好激发条件的地区，耗费更大。(2)缺水地区，地形复杂的山区，流沙沼泽等钻井困难地区，施工不便。(3)工业矿区、人口稠密区和鱼塘不宜使用炸药。此外，炸药的运输、保管和使用中容易发生危险。为了解决上述问题，出现了非炸药震源。2）非炸药震源非炸药震源有很多种，煤田地震勘探中主要使用可控震源。5可控震源是一种机械震源，由安装在汽车上的振动器冲击地面产生频率可以控制的波列作为地震震源。可控震源已从早期的小吨位震源发展到目前的28吨(6万磅)级的大吨位震源，从而大大提高了激发能，见图2-1-21。多台组合同步控制精度达到微秒级水平，平均相位误差不到1度，从而提高了组合激发的效果。图2-1-21可控震源2.地震数据采集系统地震数据采集系统是由地震检波器和地震记录仪器组成。1）地震检波器地震勘探获取原始数据的方法，是由采用人工激发方式引起地面振动，由地震检波器接收此振动，并把机械振动转换为电信号，传输到地震记录仪器上记录。地震检波器是一种机电转换装置，能把地震波引起的地面微弱的机械振动转换为电流强弱变化的电信号。不同的检波器对地震波有频率选择作用，即检波器的频率特性各不相同。通常按照检波器的固有频率进行划分，固有频率为10Hz的称低频检波器，固有频率为40~60Hz的称中频检波器，固有频率为100Hz的称高频检波器。2）地震仪器根据地震勘探的需要，对地震记录仪器有三点基本要求：(1)具有对弱信号的放大性能；(2)具有记录能量相差悬殊信号的动态范围；(3)具有合适的通频带。随着机械制造业和计算机技术的发展，地震仪从20世纪50年代前最早的光点记录方式、50年代的磁带模拟记录方式发展到70年代的数字记录方式；从70年代的24道地震记录仪、90年代的千道地震记录仪发展到今天的万道地震记录仪，地6震记录仪的每一步发展都推动了地震勘探技术的进步和发展。为了满足高精度地震勘探的要求，地震仪器向着超多道、遥测、高位模数转换(从24位到32位)、完善的质量控制系统方向发展。主要的地震仪器生产厂家有SERCEL、I/O、GEOX、FAIRFIELD等，主要产品包括SN388、SN408UL、SYSTEM2、SYSTEM2000、IMAGE、ARAM24、ARAMARIES、TELSEISBOX等。1.4.2.4地震数据的处理地震数据处理技术是对野外采集的地震资料进行各种处理，最终利用一次反射信号对地下反射界面进行成像，处理结果为地震剖面(二维)或偏移数据体(三维)。利用处理后的成果，可以解释地下岩层的构造形态和岩性特征。地震数据处理包括观测系统定义、预处理、能量关系恢复校正、叠前去噪、反褶积、静校正、速度分析、动校正、DMO校正、叠加、偏移、叠后修饰等主要步骤。今天的地震数据处理一般是以大型地震处理软件平台为依托，在高性能的计算机上实现的。随着技术的不断发展和进步，地震数据处理系统的功能也在不断完善，使用也越来越方便，同时也变得越来越庞大和复杂，对处理人员的素质要求也越来越高。目前国内使用的代表性地震资料处理系统见表2-1-18。表2-1-18地震资料处理系统国家和公司软件名称法国CGG公司GEOVECTEURPLUS美国LANDMARK公司PROMAX美国WesternGeophysical公司OMEGA以色列ParadigmGeophysical公司FOCUS中国东方地球物理公司GRISYS1.4.2.5二维地震勘探二维地震勘探是一套以数字方式记录地震信号，经数字处理获得地震时间剖面，查明小型煤田构造和异常的技术方法。1．解释内容和方法构造解释是地震资料解释最基本的内容，以水平叠加时间剖面、偏移时间剖面7为主要资料，分析时间剖面上的各种波动特征，确定主要目的层层位，进行波的对比和追踪；解释时间剖面上反映出来的各种地质构造现象，确定断层、褶曲位置；将时间剖面变为深度剖面，绘制标准层位构造平面图和其它地质构造图件。构造解释主要是运用地震波的运动学特征来解决岩层的空间分布问题。2.地震时间剖面的解释地震时间剖面是构造解释的基础资料。通常，一条地震测线可得到一张时间剖面(图2-1-22)。图2-1-22中，横坐标为共中心点(CDP)，纵坐标为双程旅行时间，以秒(s)为单位。时间剖面不同于深度剖面，但能直观地反映地下构造形态。在时间剖面上，利用反射波的各种特征，识别和追踪同一界面反射波的过程，称为时间剖面的对比。来自同一界面的反射波，虽受界面埋藏深度、岩性、产状及覆盖层等因素的影响，但在一定范围内具有相对的稳定性，使得同一层位反射波在相邻接收点上反映出类似的特征。反射波的主要特征有三个，即相位相同、振幅增强和波形相似。利用这些反射波特征，可以确定和连续追踪反射标准层，识别各种波的类型，搞清波组之间的关系，解释时间剖面所反映的地质现象。图2-1-22地震时间剖面3.解决的主要地质问题二维地震勘探从初期主要解决断层和煤层赋存情况，在地震地质条件较好的地区，目前可以解决的主要地质问题是：(1)查明落差大于等于10m的断层，提供落差小于10m的断点，平面摆动误差小于50m；(2)查明幅度大于等于10m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于2%；(3)查明新生界(第四系)厚度；8(4)探明直径大于30m的陷落柱、无煤带、煤层分叉合并，为回采工作面布置提供可靠的地质资料。1.4.2.6三维地震勘探1.三维地震勘探的特点由于地下的地质构造本身是三维的，而二维地震勘探技