宋玉龍，牟 義

(1.山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊，山東 濟南 250104；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中占有重大比例，關(guān)系到我國的經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，而煤田勘探是煤炭資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)，勘探技術(shù)的提升可以促進煤炭資源高效開采利用。傳統(tǒng)的煤田勘探多采用三維地震勘探方法，三維地震勘探震源多以傳統(tǒng)炸藥震源為主，近些年，可控震源等非炸藥震源也開始大量試驗。汪恩華等[1]討論了交替掃描激發(fā)、滑動掃描激發(fā)、滑動掃描同步激發(fā)和獨立同步掃描激發(fā)等中國石油勘探的4 種可控震源高效采集技術(shù)方法以及國外應(yīng)用進展，對今后我國陸上不同地表、不同地下地質(zhì)條件區(qū)域如何應(yīng)用高效采集技術(shù)進行了展望；趙殿棟[2]在塔里木盆地沙漠區(qū)油氣資源勘探中開展了以“點、線、束、面”逐步推進、對激發(fā)參數(shù)和觀測系統(tǒng)不斷優(yōu)化為技術(shù)思路的可控震源三維地震采集試驗；Thomas[3]等通過分析炸藥震源和可控震源的不同特點，對深部地殼地震反射剖面應(yīng)用進行了詳細對比，最終得出兩種震源的應(yīng)用效果；朱建剛[4]針對新疆哈密某礦使用可控震源精細三維地震勘探，選取合理采集參數(shù)、處理流程以及精細解釋方法，最終地震成果與采掘?qū)Ρ冉衣稖?zhǔn)確率明顯提高；赫云蘭等[5]在新疆準(zhǔn)南煤田三維地震數(shù)據(jù)采集嘗試采用了可控震源的激發(fā)方式，對驅(qū)動幅度、掃描頻率、掃描長度、震源臺數(shù)、震動次數(shù)等參數(shù)進行試驗優(yōu)選，確定了符合勘探區(qū)地震條件的激發(fā)參數(shù)組合；Andrei[6]等對埋在彈性半空間中的炸藥震源激發(fā)的井孔地震信號進行全面的試驗分析，得出了炸藥震源激發(fā)信號的詳細參數(shù)；陳杰等[7]在城市地質(zhì)調(diào)查三維地震勘探中選用的電火花震源，通過試驗對比優(yōu)選電火花震源激發(fā)參數(shù)(激發(fā)能量，激發(fā)井深)，證實電火花震源在城市淺層地震勘探中具有較好的應(yīng)用前景。從上述研究可以看出，國內(nèi)外對地震震源的研究技術(shù)較為成熟，但在煤炭勘探中研究較少，且對可控震源、炸藥震源、空氣槍、電火花等單一震源研究較多，而對不同震源在煤田三維地震探測效果對比分析較少，隨著震源趨向于多元化、可控化的發(fā)展方向，煤田三維地震迫切需要對不同震源技術(shù)方法進行總結(jié)。本文在分析炸藥震源、可控震源及電火花等震源特點的基礎(chǔ)上，試驗確定適合不同區(qū)域的最佳激發(fā)參數(shù)，并應(yīng)用到現(xiàn)場中。

1 煤田地震勘探原理方法

地震勘探(seismic prospecting method)是用人工的方法(激發(fā)震源)產(chǎn)生地震波[8](如炸藥爆炸、可控震源震動[9]、電火花震源放電產(chǎn)生震動)，地震波經(jīng)地下地層反射返回地面，使用檢波器等裝置以一定的觀測方式接收這些返回的震動(圖1(a))，機械震動轉(zhuǎn)化為電信號后，通過一系列的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換會得到波形和時間的地震記錄，反射信號記錄根據(jù)反射波特點和傳播時間形成不同的記錄信息(圖1(b))，再通過抽道集、速度分析、疊加偏移等數(shù)據(jù)處理手段后得到地震時間剖面，根據(jù)時間剖面與時深轉(zhuǎn)換的最終成果推斷地下地質(zhì)構(gòu)造的特點。

圖1 地震激發(fā)和反射信號記錄

煤田地震勘探主要利用煤層和周圍巖層之間的空間結(jié)構(gòu)和機械性質(zhì)的差異引起的波阻抗不同進行探測的技術(shù)[10]。如果主采煤層頂?shù)装鍨楹駥又?、粗砂巖或其他高阻抗差異的巖性組成，與煤層之間形成明顯波阻抗界面，且煤層較厚的情況下可產(chǎn)生較強反射波。該波在地震時間剖面上會呈現(xiàn)出同相軸能量較強，連續(xù)性好，波形明顯的特征，是構(gòu)造解釋的主要依據(jù)。這就為地震探測煤田位置、埋藏深度和厚度提供了前提條件。

一般地區(qū)煤層埋藏較深，在第四系地層以下。第四系地層結(jié)構(gòu)一般是強風(fēng)化層，會與下伏地層的組成存在明顯波阻抗差異，因此，理論上第四系底界面可形成較強的反射波(圖2(a))，可以區(qū)分這層強反射波組和煤層形成的波組。但有的地區(qū)第四系厚度較薄或者直接被風(fēng)化剝蝕掉，很難獲得第四系底界面的反射波，并且會對反射波形成較強散射作用造成低頻干擾(圖2(b))，影響對埋藏更深的煤層勘探[11]。

圖2 單炮反射記錄

2 震源特性與試驗方法

2.1 震源類型及特點

傳統(tǒng)的地震勘探震源以沖擊震源為主，其中陸上用震源可分為炸藥震源和非炸藥震源，炸藥震源分成型炸藥和爆炸索；非炸藥震源分氣動震源和重錘震源；水上用震源分為空氣槍震源和電火花震源?？杉ぐl(fā)產(chǎn)生連續(xù)掃頻信號的車載可控震源也越來越頻繁地應(yīng)用于煤田地震勘探。水上用的電火花震源經(jīng)過一定改良，也在煤田地震勘探得到應(yīng)用。以后越來越多的震源激發(fā)方式方法會被研發(fā)應(yīng)用，但是各種震源激發(fā)產(chǎn)生的脈沖信號是否滿足勘探開發(fā)的需要，震源使用質(zhì)量、效率、可控性等因素是震源研發(fā)必須要考慮的問題。因此，不同震源的選擇是影響探測效果的重要一環(huán)。

2.1.1 炸藥震源激發(fā)

激發(fā)方式：井中爆炸瞬態(tài)激發(fā)，產(chǎn)生高度集中脈沖信號，激發(fā)頻率不可控，部分頻率在數(shù)據(jù)采集過程中不需要。

適應(yīng)條件：便于打孔放炮就可以使用。

優(yōu)點：受地形影響??；可通過調(diào)整打孔深度，藥量等參數(shù)控制探測深度和分辨率。

缺點：炸藥震源審批手續(xù)繁瑣，審批時間長，需要專門的庫管保存，專業(yè)的爆破人員、庫管員和運輸員運輸車輛等進行炸藥相關(guān)的業(yè)務(wù)操作。而且打孔、放炮會破壞勘探工區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境，不符合綠色勘探的大方向。

2.1.2 車載可控震源激發(fā)

激發(fā)方式：可控掃描頻率機械振動產(chǎn)生低振幅、長信號、相對弱地震信號?？筛鶕?jù)探測深度范圍調(diào)整帶寬，只激發(fā)需要頻帶范圍內(nèi)信號[12]。

適應(yīng)條件：需要車輛能通行，在相對平整、可落振動板處使用。

優(yōu)點：車載可控震源具有靈活的特性，隨震隨走，對震動位置零破壞，是公路上震源施工的理想工具[13]，使垂直地震剖面法勘探技術(shù)的施工變得更為方便快捷，拓展了淺層工程地震勘探的激發(fā)點布置范圍和空間，提高了施工效率，增加地震勘探的覆蓋次數(shù)，提高了分辨率，是高效率高勘探質(zhì)量的新型環(huán)?？碧皆O(shè)備。具有攜帶簡便，施工快捷，信號強，信噪比高，生產(chǎn)效率高，剖面圖像直觀等突出優(yōu)點[14]。

缺點：極易受施工現(xiàn)場的路況影響，造成大范圍缺炮，影響采集的覆蓋次數(shù)和分辨率。

2.1.3 電火花震源激發(fā)

激發(fā)方式：電能震源，利用高壓電極在水中放電產(chǎn)生電火花形成振動地震信號，激發(fā)地震波頻率高，分辨率高，提供能量較低，一般采用組合激發(fā)方式。

適應(yīng)條件：便于打孔放電極就可以使用。

優(yōu)點：受地形影響??；使用方便，安全綠色環(huán)保，對周邊環(huán)境影響相對較??；可通過調(diào)整打孔深度，放電能量等參數(shù)控制探測深度和分辨率。

缺點：需要打孔并灌水才能保證其激發(fā)能量的充分利用，電火花震源的激發(fā)能量與炸藥震源和可控震源相比略顯不足，更適合淺層地震勘探。

2.2 震源試驗方法與參數(shù)

在煤田勘探實際工作中，由于其復(fù)雜的勘探環(huán)境，正式采集數(shù)據(jù)前要進行充分的試驗工作以確保選擇參數(shù)的實用性。試驗工作的另一任務(wù)是了解工區(qū)需要范圍內(nèi)，具體的地震地質(zhì)條件的可利用度，有效波、干擾波發(fā)育情況及特征，根據(jù)試驗結(jié)果選擇適應(yīng)本區(qū)施工的激發(fā)參數(shù)、確定好接收條件、選擇合適的觀測系統(tǒng)，排除儀器因素影響，為確保野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量提供保障。試驗?zāi)康氖橇私夂驼莆諈^(qū)內(nèi)激發(fā)層位的變化情況，通過試驗確定適合本區(qū)的最佳激發(fā)參數(shù)。本節(jié)介紹優(yōu)化的三種震源常用煤田地震勘探試驗參數(shù)。

2.2.1 炸藥震源試驗參數(shù)

井深：可選井深6，8，10，12，14，16，18，20，22m等；激發(fā)能量：可選范圍0.5～3kg；激發(fā)時長：瞬時激發(fā)；激發(fā)頻率：瞬時高頻。

試驗注意事項：炸藥震源試驗工作受地形影響較小，應(yīng)選擇具有代表性的試驗點。試驗?zāi)康闹饕谴_定能夠滿足地質(zhì)任務(wù)要求的激發(fā)因素，包括不同巖性段的井深、藥量的試驗，確定不同表層結(jié)構(gòu)區(qū)的合理井深、藥量，以提高單炮信噪比[15]。

2.2.2 車載可控震源試驗參數(shù)

井深：地面激發(fā)；激發(fā)能量：12，18，28t等震源，可選范圍30%～80%出力；激發(fā)時長：掃描震動可選時長6，8，10，12s等[16]；激發(fā)頻率：可選范圍5～250Hz。

試驗注意事項：車載可控震源試驗首先要選取合適的試驗點，確保車輛可順利通過的同時，也要確保試驗點能代表整個測區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)及地貌條件[17]，如果測區(qū)范圍較大可選取多個試驗點，以保證選取的參數(shù)能適應(yīng)整個測區(qū)范圍的探測工作。其次，車載可控震源試驗工作要選取合適的試驗參數(shù)，激發(fā)參數(shù)如震動出力大小、驅(qū)動幅度、掃描長度、震動次數(shù)進行對比試驗，檢波器接收道數(shù)、道距以及炮點炮距等參數(shù)。在實際工作中，車載可控震源最常見的問題是車輛通行困難。此外，對于淺層地層砂石層較厚地區(qū)激發(fā)受影響也較大[18]。

2.2.3 電火花震源試驗參數(shù)

井深：可選井深6，8，10，12，14，16，18，20，22m等；激發(fā)能量：根據(jù)需要能量可選范圍50000～300000J；激發(fā)時長：瞬時激發(fā)；激發(fā)頻率：瞬時高頻。

試驗注意事項：電火花震源試驗工作受地形影響較小，應(yīng)選擇具有代表性的試驗點。試驗?zāi)康闹饕谴_定能夠滿足地質(zhì)任務(wù)要求的激發(fā)因素，主要是對不同巖性段的井深試驗，確定不同表層結(jié)構(gòu)區(qū)的合理井深以提高單炮信噪比。

3 典型震源參數(shù)試驗

3.1 炸藥震源

某地區(qū)炸藥震源同藥量不同井深試驗結(jié)果如圖3所示。井深6、8、10、12m單炮記錄，由于沒有打透淺層砂石區(qū)，單炮記錄差別不大，干擾較強，單炮效果較差；井深16m存在一層砂石凝結(jié)層導(dǎo)致爆炸效果差，單炮記錄有效波同向軸能量變?nèi)?；井?4m單炮記錄效果要比其他井深效果好。試驗結(jié)果表明，不同激發(fā)層位地質(zhì)成分和構(gòu)造對炸藥震源效果影響很大。

圖3 炸藥震源1.5kg藥量時不同井深激發(fā)單炮記錄

3.2 車載可控震源

某地區(qū)車載可控震源同掃描時長不同震動次數(shù)試驗單炮記錄如圖4所示。1次疊加單炮記錄壓制干擾效果差。有效波不明顯；2次疊加可以有效壓制干擾，有效波明顯增強；3次疊加基本可以壓制干擾，有效波層次明顯；3次疊加以后有效波效果變化不大。試驗結(jié)果表明隨著震動次數(shù)的疊加有效波效果也逐漸變好，疊加到一定程度后優(yōu)化效果就會減弱，需要通過多次試驗確定最佳的震動疊加次數(shù)，以免因為震動次數(shù)過多引起施工效率降低。

圖4 車載可控震源掃描時長12s時不同震動次數(shù)激發(fā)單炮記錄

3.3 電火花震源

某地區(qū)電火花震源同井深不同能量單炮記錄如圖5所示。根據(jù)井深試驗確定14m為最佳激發(fā)層位，在14m井深用四種不同激發(fā)能量，可以看出，不同激發(fā)能量產(chǎn)生的單炮記錄效果明顯有差別。50000J能量壓制干擾能力較弱；100000J壓制干擾能量明顯變強，有效波同向軸清晰；150000J基本可以壓制所有干擾，有效波分層；200000J可以壓制干擾，并且有效波分層明顯。試驗結(jié)果表明，同井深不同激發(fā)能量電火花震源效果影響很大。

圖5 電火花震源14m井深時不同能量激發(fā)單炮記錄

4 應(yīng)用實例

4.1 現(xiàn)場概況

一般煤田地震勘探前期會進行充分的現(xiàn)場踏勘，根據(jù)本次現(xiàn)場踏勘情況，工區(qū)附近田地比較多，地面平整，障礙物較少，潛水面較淺，部分工區(qū)附近有較多建筑物，沒有高壓線、強烈的震動干擾等高干擾源的存在。經(jīng)調(diào)查潛水面一般在地表以下3m左右，受季節(jié)降雨控制明顯。潛水面以下風(fēng)化層較厚，第四系底界面灰?guī)r泥灰?guī)r發(fā)育，激發(fā)條件較好，適合三種震源的使用。

4.2 震源試驗參數(shù)

實例勘探震源采用炸藥震源，經(jīng)過試驗確定藥量為2kg進行單井激發(fā)，井深16m，通過瞬時激發(fā)，獲得的野外原始記錄品質(zhì)較高如圖6(a)所示，單炮初至明顯，有效波組清晰。地面平整處采用BV-300型可控震源車來激發(fā)地震波。該震源激震頻率范圍為6～250Hz，可選線性掃描頻率，也可選非線性掃描頻率，最大出力可達180kN。具體施工過程，通過對多次試驗進行具體分析，最終采用兩臺震源[14]選擇相同參數(shù)同時起震進行疊加，中間放炮系統(tǒng)，驅(qū)動幅度70%的出力，掃描長度10s，掃描頻率8～120Hz，震動次數(shù)3次，通過該參數(shù)激發(fā)，獲得的野外原始記錄品質(zhì)較高如圖6(b)所示，單炮初至不如炸藥震源單炮明顯，有效波組更清晰且能量更強。對于建筑物較多處，采用電火花震源激發(fā)，經(jīng)過試驗確定激發(fā)能量200000J，進行單井激發(fā)，井深16m，通過瞬時激發(fā)，獲得的野外原始記錄壓制干擾能力較弱，如圖6(c)所示，單炮初至不如另外兩種震源明顯，建筑物附近干擾較多，有效波組較差，能量較弱。

圖6 野外原始單炮記錄

4.3 勘探成果分析

不同震源的現(xiàn)場處理的監(jiān)控剖面如圖7所示，針對該區(qū)的地震資料，首先利用地震時間剖面上地震反射波同相軸不同層次的強弱關(guān)系和鉆孔揭露的目的層間距關(guān)系等，從整體宏觀上初步確定反射波的地質(zhì)意義，再進一步利用以往施工三維地震資料和區(qū)內(nèi)已有的鉆探、測井資料，具體標(biāo)定煤層、地層界面反射波對應(yīng)的反射波同相軸。通過對地震時間剖面的反映分析，將時間剖面上反射波能量強、信噪比高、連續(xù)性好的反射波定為標(biāo)準(zhǔn)波。其波形特征與煤層的對應(yīng)關(guān)系較好，能量強、同相軸光滑、由兩個正相位和一個負相位組成，在全區(qū)能夠連續(xù)追蹤，時間剖面上能清晰地反映出構(gòu)造的變化。

圖7 現(xiàn)場處理的監(jiān)控剖面

圖7(a)為炸藥震源在現(xiàn)場的一條監(jiān)控剖面，從剖面看，在較淺位置地質(zhì)信息反應(yīng)不明顯，中間位置有極其明顯的構(gòu)造存在，強能量波組明顯，震源取得良好的激發(fā)效果，為后續(xù)的進一步處理解釋提供了有力支持。圖7(b)為車載可控震源在現(xiàn)場的一條監(jiān)控剖面，從剖面看，靠小號位置有極其明顯的構(gòu)造存在，強能量波組明顯，且淺層地層信息更加豐富，激發(fā)能量足夠達到探測深度要求，震源取得良好的激發(fā)效果。圖7(c)為電火花震源在現(xiàn)場的一條監(jiān)控剖面，從剖面看，較淺位置地質(zhì)信息較少，在中間位置強能量波組明顯，深部位置能量明顯變?nèi)?，能量穿透力不足，小號位置干擾明顯壓制較弱，可以提供一部分相對較深地層的地質(zhì)信息。

通過在應(yīng)用實例中的效果對比可知，三種震源各具特點，在同一工區(qū)通過試驗選擇震源各自的參數(shù)，可以達到煤田地震勘探的要求。炸藥震源對淺部地層信息不敏感，對深部地層探測效果好；車載可控震源對淺部地層和深部地層都有很好的勘探效果，綜合效果好；與劉戀等[13]在可控震源與炸藥震源聯(lián)合采集在煤炭勘探上的應(yīng)用中的研究結(jié)果一致。電火花震源對淺部地層信息反應(yīng)較少，相對較深地層敏感度高；與劉沛然等[17]的研究結(jié)果相對應(yīng)。

5 結(jié) 語

1)炸藥震源由于其激發(fā)頻率高，通過使用試驗優(yōu)化后的井深(16m)和藥量(2kg)可以達到要求的探測深度；但是同等條件下對于淺部地層信息反應(yīng)較少，對深部地層敏感度更高；同樣應(yīng)用條件也受限制，使用過程中造成的污染和破壞也是不可逆的，使用過程中需要注意各方面問題。

2)車載可控震源由于其掃描頻率由低到高的激發(fā)特性，通過試驗選擇優(yōu)化后的掃描頻率8～120Hz、掃描時間10s、震動3次疊加和震動出力70%，對于淺部地層和深部地層都有很好的勘探效果，綜合效果好，是一種有更高效的效率、更簡單的操作、更安全的保存、更綠色環(huán)保的勘探震源，但有時會受制于淺層低速層散射影響，不利于地震波向下傳播導(dǎo)致勘探效果不理想，在山地和交通情況差的地方也難以進行作業(yè)。

3)電火花震的源瞬時激發(fā)頻率高，可以調(diào)節(jié)不同的激發(fā)能量和井深進行不同深度勘探，對于淺部地層信息反應(yīng)較少，相對較深地層敏感度更高，但是受其激發(fā)能量限制，對于深部地層勘探效果相對較差。

4)本文研究的三種方法在煤田地震勘探的應(yīng)用環(huán)境相對簡單，沒有在更為復(fù)雜的地質(zhì)條件下進行分析研究，具有一定的局限性。希望在以后的研究中，能夠結(jié)合各種震源的優(yōu)勢，優(yōu)化震源激發(fā)方法，實現(xiàn)綠色、高效勘探。