中国聚煤盆地类型多样、构造复杂程度不一，地质工作难度大，90年代初发展起来的煤田三维地震勘探技术为优化矿井井筒位置，合理规划综采工作面，及避开主要断层、保障安全生产提供了较为可靠的地质依据.然而，常规三维地震技术依然存在着问题：

1)只能够查明区内落差5 m及以上的断层、直径大于30 m的陷落柱和幅度大于10 m的小褶曲，对小断层、小陷落柱等小构造的识别能力低；

2)在构造、地形复杂区，勘探成果的准确率更低，构造解释平面误差加大，有漏解释和误解释现象(武喜尊和赵镨，2008)；

3)下组煤层受到上覆煤层屏蔽或岩浆岩侵蚀等因素影响，反射性差，反射波追踪困难.

刘店煤矿106采区地质构造特别复杂，断层褶皱极发育(李书奎和彭涛，2012)，尤其落差5 m左右的断层密度大，属于高难度勘探区块，现有的常规地质、地震勘探技术难以查清其复杂的地质构造问题；且主采煤层7煤、10煤均有岩浆岩侵蚀，致使煤层反射波的信噪比极低，无法进行准确的层位标定.为此，安徽煤田物探测量队与淮北矿业集团在刘店煤矿106采区开展了全数字高密度三维地震勘探的试验工作，为查明小断层展布、提高构造解释精度及探测深部煤层等常规三维地震难以解决的问题进行了尝试.

高密度地震勘探技术最早由PGS公司2000年在海上地震勘探中推出.国外三大代表技术HD3D、Eye-D、Q-l and 近几年得到大力推广应用，全数字高密度地震勘探技术已经成为一种发展方向.国内，中国石油天然气集团自2003年以来在塔中地区、冀东油田滩海等重点地区开展了高密度三维地震试验，并进行了相应的处理解释工作，取得了较好的效果(刘振武等，2009；刘欣欣等，2009；张军华等，2009；胡莲莲等，2010).相比之下，煤田的高密度三维地震勘探工作刚刚起步，2007年淮南丁集矿区全数字高密度三维地震勘探的成功为后续工程项目的开展奠定了基础(郑向东等，2008；刘俊杰和王彦春，2013)，2009年以来淮南先后有5个矿区进行了全数字高密度三维地震勘探，永煤集团和晋城煤业集团分别于2011年和2012年进行了全数字高密度三维地震勘探.

全数字高密度三维地震勘探技术的特点为：

1)采用数字检波器 模拟检波器一般工作在自然频率以上，在自然频率之下存在-6 dB的衰减，其动态范围在60 dB左右，并且稳定性差，对于高于80 Hz的高频信号，会存在一定程度的衰减；且相位存在由低频到高频的畸变，表现为在低频端大相位，高频端小相位的特性(张永刚等，2004；陈祖斌等，2006；刘俊杰和王彦春，2013).数字检波器一般工作在自然频率之下，具有120 dB的动态范围，在0~800 Hz范围内全频接收，频带保持平直，振幅保真性好；输出相位为零相位，无相位畸变与高低频衰减，见图 1.数字检波器直接输出数字信号，不受外界电磁信号干扰的影响，抗50 Hz干扰能力强，较好地弥补了野外仪器使用50 Hz限波或室内滤波衰减50 Hz存在的缺陷，在消除50 Hz干扰的同时，较好地保护了有效波不受损害.

2)宽方位角 宽方位角采集进行全方位观测，可获得较完整的地震波场；其研究振幅随炮检距、地层速度和方位角的变化，增强了识别断层、裂隙和地层岩性变化的能力；宽方位角地震还有利于压制近地表散射干扰，提高地震资料信噪比、分辨率和保真度(张军华等，2007).Gordsen(2002)认为，宽方位角采集的横向不同覆盖次数过渡带比窄方位角小，因此它比窄方位角更容易跨越地表障碍物和地下阴影带.

图 1

Fig. 1

图 1 模拟检波器与数字检波器的振幅和相位响应曲线 Fig. 1 Amplitude and phase response curves of analog geophone and digital geophone

3)小面元、高密度采样 小面元在实际资料中不仅对提高横向分辨率有利，对提高纵向分辨率也有利(熊金良等，2006)； 小面元有利于小的目标地质体成像(如小断层)；数字检波器空间采样密度高，避免了低视速度干扰波(如面波等)出现空间假频，对干扰波的无假频采样更有利于信噪分离，干扰波的压制效果更好.

4)高覆盖次数 信噪比与覆盖次数增加呈非线性递增，覆盖系数达到一定数值后，信噪比增加缓慢(徐辉等，2011).适当覆盖次数可以提高地震资料信噪比，能够避免在低信噪比区产生构造假象，能够使弱反射更好成像，能够提高构造点清晰度和断点绕射波能量，进而提高小构造识别能力.

5)叠前时间偏移 叠前时间偏移技术是解决复杂构造、速度横向变化不太剧烈地区成像的一种有效处理手段(马在田， 1988，1989；陈必远和马在田，1994；王振华，1994；王西文等，2010).叠前时间偏移后地震剖面的信噪比与叠后时间偏移相比提高，有效反射波连续性加强，构造特征更清晰明显，反映的地质信息更丰富，小构造如小断点、小褶曲、不整合接触面等更加清晰可靠，剖面上反映的各煤系地层关系更丰富、清楚(麻三怀等，2008；武磊斌和徐奭，2009；崔宝文和王维红，2010；曹志勇等，2012；符力耘等，2013).

2.1 研究区地质概况

刘店煤矿位于涡阳煤田北部，属“华北型”石炭、二叠系隐伏式煤田.地层从老到新包括寒武、 奥陶、 石炭、二叠和第四系.研究区位于龙山背斜西翼，其煤系地层较深，倾角一般为15°~19°.区内断裂构造发育，近北东向断层控制着煤系的赋存范围，并切割和限制着南北断层的发展.主要可采煤层为下石盒子组的7煤和山西组的10煤，煤层平均厚度为1~7 m，且均有岩浆岩的侵入，7煤和10煤的层间距为60~90 m.

与常规三维地震勘探相比，全数字高密度地震采集的主要变化为野外布置单个数字检波器，增大采集道密度，减小面元尺度，及增加采集道数.鉴于高密度采集大幅度增加野外放线和放炮工作，为了实现数据采集的高效性及达到地震成像的优质效果，设计一套合理有效的野外观测系统是必需的.

野外观测系统设计时，排除了煤田地震勘探常用的8线8炮、8线10炮等观测系统，主要因为这些观测系统线束的检波线数铺设少，线束设计多，增加了翻线的工作量，严重影响施工效率.从面元属性分析的角度出发，对观测系统进行优化设计，要考虑面元覆盖次数，炮检距和方位角的分布等.高密度三维地震观测系统设计包含：

1)覆盖次数根据以往经验及数字检波器特点，设计为高覆盖次数，为60次左右；

2)炮检距均匀分布，压制面波、多次波及各种相干、随机噪声，提高速度分析的精度，避免引起倾斜信号及震源噪声、一次波发生混叠；

3)宽方位角且分布均匀，只有宽方位三维观测系统才有可能采集到相近的全三维波场，尽可能缩小由观测系统造成面元间的偏移距与方位角分布差异带来的振幅异常，进而通过全三维数据处理与偏移，得到地下介质的真正影像(凌云研究组，2003).

综合考虑以上因素，本次野外采集设计了束状正交规则12线56炮观测系统，见图 2.该观测系统横向覆盖次数为6次，纵向10次覆盖，总覆盖次数60次，其单面元炮检距分布均匀；该观测系统属宽方位角采集，且方位角范围大变化均匀，见图 3.

图 2

Fig. 2

图 2 观测系统 Fig. 2 Observation system

图 3

Fig. 3

图 3 方位角玫瑰花图 Fig. 3 Azimuth rose diagram

高密度三维地震数据野外采集完成后，进行室内处理工作，其中主要步骤为：

1)采用地表一致性多道反褶积，在共接收点域，共炮点域和共反射点域实现子波统计，使得全区煤层反射波子波频率特征基本一致，在考虑兼顾信噪比同时，努力提高煤层反射波分辨率；

2)做好三维速度分析工作，在该区进行三次速度分析，第一次速度分析用于求取第一次剩余静校正量，第二次速度分析用于求取第二次剩余静校正量，第三次速度分析是在三维Kirchhoff叠前偏移之后求取，速度分析采用分次迭代方式拾取到较为准确的三维叠前时间偏移速度参数；

3)三维叠前时间偏移，在叠前时间偏移前进行数据能量调整，压制面波，声波和随机干扰，分析本区地质地震构造特征，选好偏移孔径；

4)初至切除并叠加.

野外采集的高密度三维地震数据经过处理，最终输出叠前偏移叠加数据体，将全数字高密度三维地震成果与常规三维地震成果进行对比.

1)信噪比 常规地震剖面中，由于7煤层的屏蔽及岩浆岩的侵蚀，10煤层的反射信息较弱，局部追踪10煤层反射波困难，需要通过7煤层与10煤层的层间距辅助信息来确认10煤层的反射波，见图 4a；在高密度地震剖面中，信噪比的提高，使得10煤层反射信息增强，可以直接追踪10煤反射波，见图 4b.

图 4

Fig. 4

图 4 地震剖面对比 (a)常规地震剖面；(b)高密度地震剖面. Fig. 4 Seismic profile contrast

2)纵向分辨率 对煤层进行频谱分析，常规地震剖面中7煤层的主频为60.5 Hz，频带宽度为43.0 Hz，高密度地震剖面中7煤层的主频为62.5 Hz，频带宽度为49.8 Hz;常规地震剖面中10煤层的主频为45.9 Hz，频带宽度为40.0 Hz；高密度地震剖面中10煤层的主频为55.7 Hz，频带宽度为44.9 Hz；相比之下，纵向分辨率有所提高，见图 5.

图 5

Fig. 5

图 5 频谱分析对比 (a)常规地震剖面中7煤的频谱分析;(b)高密度地震剖面中7煤的频谱分析;(c)常规地震剖面中10煤的频谱分析;(d)高密度地震剖面中10煤的频谱分析. Fig. 5 Spectrum analysis contrast

3)小断层 在常规地震剖面中，由于信噪比、分辨率低，小断层难以识别；在高密度地震剖面中，分辨率、信噪比的提高使得识别小断层成为可能，在图 4b中，落差约为3 m的断层可以清晰地显现出来.

4)构造 研究区复杂的地质构造，有效反射波能量弱，信噪比低，使得常规地震解释的构造方案平面摆动误差大，准确率低，小断层难以解释，并存在误解释现象；在高密度地震剖面中，有效波的反射信息加强，复杂的构造得以控制，平面摆动误差变小，小断层得以查明，见图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 构造对比 (a)常规地震勘探构造;(b)高密度地震勘探构造. Fig. 6 Structural scheme contrast

全数字高密度三维地震勘探采用数字检波器接收，具有宽方位角、高覆盖次数、小面元、高密度采样的特点，利用叠前时间偏移对地质目标体进行成像.与常规三维地震勘探相比，全数字高密度三维地震勘探具有的以下优势：

1)抗干扰能力强，干扰波的压制效果好，有利于信噪分离，提高地震资料信噪比和纵向分辨率；

2)全方位观测较完整的地震波场，有利于小地质目标体的成像，增强了识别小断层等小构造的能力；

3)能够避免在低信噪比区产生构造假象，减少误解释现象，加强弱反射成像，有效波反射连续性提高，地震信息反映的煤层构造特征更加真实可靠.
致 谢 感谢国家自然基金项目(u1261202)资助，感谢煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室的陈同俊副教授、崔大尉博士、彭刘亚硕士、张亚兵硕士.