同煤集團新井田潘家窯首采區(qū)綜合勘探新技術運用實例

胡曉宏

摘 要：從山西省煤炭地質(zhì)一一五勘查院在同煤集團新建礦田首采區(qū)勘查中采用的三維地震技術、GPS測量技術和數(shù)字測井技術綜合的實例入手，反映了煤田地質(zhì)勘探運用先進的技術手段、方法對提高勘查程度的作用，以期為相關單位提供參考。

關鍵詞：綜合勘探技術；三維地震技術；GPS測量技術；數(shù)字測井技術

中圖分類號：P624 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.132

1 項目簡介

大同煤炭集團有限公司（簡稱同煤集團）潘家窯井田是2010年國家發(fā)改委批準的新建礦井，設計規(guī)模為每年1.0×107 t。通過招標的方式，選定了山西省煤炭地質(zhì)一一五勘查院進行首采區(qū)地段煤炭地質(zhì)勘查，目的是為礦井建設可行性研究和礦井初步設計提供可靠的地質(zhì)資料，滿足礦井對煤炭資源的開發(fā)要求。

2 井田概況

潘家窯井田位于大同煤田西北部，山西省左云縣境內(nèi)，三面為低山區(qū)，西為西石山、南為洪濤山、東南為口泉山脈。井田內(nèi)為低山丘陵地貌，相對高差為206.1 m。其周邊為規(guī)劃和在建的井田，南面為馬道頭井田，西北面為劉家窯井田，西面為大西莊井田，東面為同煤大唐塔山井田，東北面為東周窯井田。首采區(qū)位于井田西部，東西長5 000 m，南北寬4 000 m，面積為19.549 5 km2。相鄰關系位置圖層如圖1所示。

圖1 相鄰關系位置圖層

本井田范圍內(nèi)多為黃土覆蓋，基巖出露零星。區(qū)內(nèi)賦存地層從老到新有古生界奧陶系下統(tǒng)、石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組；二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組；中生界侏羅系下統(tǒng)永定莊組、中統(tǒng)大同組；白堊系下統(tǒng)左云組和尖口山組，基巖地層總平均厚度為966.76 m；第四系中上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)地層的平均厚度為26.99 m。

主要賦存煤層為石炭系太原組煤層，太原組含煤12層，其中3，5，8號煤層為較穩(wěn)定煤層，其余煤層均為不穩(wěn)定煤層，7，8-1煤層局部可采。3，5，7，8-1，8總體均為長焰煤。其工業(yè)用途主要為動力用煤。首采地段內(nèi)5，8-1，8可采，其余煤層均不可采。

本區(qū)位于內(nèi)蒙斷塊（Ⅲ）與太行呂梁斷塊（Ⅲ）中的云岡塊坳（Ⅳ）偏關—神池塊坪（Ⅳ）復合部位，構(gòu)造作用力強烈，構(gòu)造形跡復雜，序次雜亂，斷裂和褶皺多以隱伏構(gòu)造形式存在。山西省大同煤田左云縣潘家窯勘查區(qū)煤炭詳查（2006年山西省礦業(yè)權價款項目）時，采用二維地震技術，揭露井田有5條斷距>10 m，延伸500～8 300 m斷層和10個孤立斷點，均為隱伏性質(zhì)，影響著煤礦井巷工程的布設。

在此區(qū)域也有多期巖漿活動，主要為淺層或超淺層超基性巖，多沿構(gòu)造面上升侵入煤層，與煤層發(fā)生熱接觸反應，使煤變硬、變脆、揮發(fā)分逸失，甚至蝕變成天然焦。在有關文獻中多次提及其對煤層的破壞主要為印支期的煌斑巖（絕對年齡值2.0億～2.4億年）、喜山期輝綠巖等，影響了煤的采掘和煤的利用價值。

3 施工方案和施工流程

同煤集團對本次勘探共提出了十一項任務要求。其中，第四項、第八項是難以用常規(guī)勘探手段完成的，即詳細查明先期開采地段可采煤層層位和厚度變化、確定可采煤層的連續(xù)性、控制先期開采地段內(nèi)各可采煤層的可采范圍（包括煤層因受巖漿侵入、古河流沖刷、古隆起和陷落柱等的影響，使煤層厚度和可采性發(fā)生的變化）、應控制厚度變化較大的主要可采煤層的煤層等厚線。

詳細調(diào)查老窯、小煤礦和生產(chǎn)礦井的分布和開采情況，劃出其采空范圍，應盡可能地控制老窯采空區(qū)，并評述其積水情況，詳細調(diào)查生產(chǎn)礦井和小煤礦的涌水量、水質(zhì)和周期動態(tài)變化，并分析其充水因素。

鑒于上述情況和對以往資料的研究，決定采用更為先進的三維地震技術參與綜合勘查。采用地面地質(zhì)、水、工、環(huán)修測調(diào)查、三維地震勘探、工程測量、地下鉆探施工、采樣、測井驗證與化驗實驗相結(jié)合的綜合勘查方法。本次勘探始于2012-03-02，2013-05-31結(jié)束野外勘探工作。鉆探工程施工鉆孔40個，其中，水文孔3個，物探三維地震工程12 km2。

4 新技術、新工藝的應用

本次勘探為綜合勘探，采用的新技術主要有三維地震技術、GPS技術和數(shù)字測井軟件解譯技術，具體如下。

4.1 三維地震技術

三維地震勘探與二維地震勘探相比，前者不僅能獲得地震剖面圖，還能獲得三維空間的數(shù)據(jù)體，三維數(shù)據(jù)的信息點密度可達12.5 m×12.5 m（即每在12.5 m×12.5 m的面積內(nèi)采集1個數(shù)據(jù)）；后者測線信息點的密度最高為1 km×1 km。由于三維地震勘探獲得的信息豐富、地震剖面分辨率高，尤其對地下的古河流、古湖泊、古隆起、古喀斯特地貌和斷層等均可直接或間接反映出來。

本次三維地震技術主要用以構(gòu)造、褶曲、巖溶陷落、采空區(qū)分布查找、鉆探、測井確定的煤層狀況驗證、煤層的連續(xù)性判斷，巖漿巖的侵入范圍、形態(tài)、規(guī)模和采空區(qū)分布。本文僅以斷層、陷落柱查找為例加以說明。

4.1.1 區(qū)內(nèi)地質(zhì)地震條件

本區(qū)地貌以黃土丘陵為主，地形簡單，相對高差在100～200 m，起伏變化不大。區(qū)內(nèi)大部被黃土覆蓋，厚20 m左右，激發(fā)條件一般。因此，淺表層地震地質(zhì)條件一般，主要煤層（5號煤層）厚度較大，與圍巖存在一定的波阻抗差異，可形成一定能量的地震反射波，且煤層賦存穩(wěn)定，厚度變化不大。因此，深層地震地質(zhì)條件較好。

4.1.2 工作量、工作方法

本次三維地震勘探地面施工，滿覆蓋面積為12.4 km2，勘探面積為12 km2，野外數(shù)據(jù)采集共完成三維線束10束，微地震測井3口?？傆嬐瓿晌锢睃c6 682個，包括線上物理點6 633個、試驗物理點37個和微地震測井折合物理點12個。除局部野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量略受影響、單炮記錄面貌有所變化外，區(qū)域單炮資料的整體性較好，符合《煤炭煤層氣地震勘探規(guī)范》中的有關標準，具體如表1所示。解釋使用5 m×5 m的網(wǎng)度三維偏移數(shù)據(jù)體，按照40 m×80 m的間距共評價了T5波797個斷點和T8波812個斷點。其中，A級斷點（T5波、T8波）共計893個，占55.50%；B級斷點（T5波、T8波）404個，占25.11%；C級斷點（T5波、T8波）312個，占19.39%；A+B級斷點（T5波、T8波）1 287個，占80.61%.

表1 三維地震線上原始記錄質(zhì)量評級表

線束號 設計

物理點 完成

物理點 甲級

/個 甲級率

/% 乙級

/個 乙級率

/% 廢品

/個 廢品率

/% 合格 合格率

/%

SW1 640 676 443 65.53 230 34.02 3 0.44 673 99.56

SW2 640 676 427 63.17 245 36.24 4 0.59 672 99.41

SW3 640 674 444 65.88 228 33.83 2 0.30 672 99.70

SW4 640 654 370 56.57 281 42.97 3 0.46 651 99.54

SW5 640 647 387 59.81 256 39.57 4 0.62 643 99.38

SW6 640 652 427 65.49 221 33.90 4 0.61 648 99.39

SW7 640 641 456 71.14 181 28.24 4 0.62 637 99.38

SW8 640 661 502 75.95 156 23.60 3 0.45 658 99.55

SW9 640 666 519 77.93 141 21.17 6 0.90 660 99.10

SW10 680 686 414 60.35 267 38.92 5 0.73 681 99.27

線束物理

點小計 6 440 6 633 4 389 66.17 2 206 33.26 38 0.57 6 595 99.43

4.1.3 主要成果和精度

4.1.3.1 構(gòu)造方面

在構(gòu)造方面，詳查時僅發(fā)現(xiàn)5條斷層，10個孤立斷點。本次三維地震又新發(fā)現(xiàn)51條斷層，其中，落差>20 m的斷層16條，孤立斷點落差>20 m的8條。三維地震成果按照落差劃分：落差≥50 m的1條，為DF10；50 m>落差≥30 m的2條，分別為DF45、DF58；30 m>落差≥20 m的8條，分別為DF1、DF4、DF16、DF29、DF43、DF51、DF63、DF64；20 m>落差≥10 m的10條，分別為DF8、DF12、DF13、DF17、DFN19、DF21、DF53、DF57、DF62、DF68；10 m>落差≥8 m的2條，分別為DF38、DF48。其中，可靠斷層19條，較可靠斷層4條，具體如圖2所示。

圖2 斷層落差詳解圖

4.1.3.2 確定陷落柱和異常區(qū)

發(fā)現(xiàn)陷落柱構(gòu)造7個，均同時陷落5#煤層和8#煤層，長軸都>30 m。解釋反射波異常區(qū)11個，根據(jù)鉆孔資料，P401孔位置處三維地震解釋異常區(qū)YC18，在報告中推斷為陷落柱XLZ18。具體如表2所示。

表2 陷落柱、異常區(qū)解釋成果一覽表

陷落柱/

異常區(qū)

名稱 長軸

方向 長軸長

度/m 短軸長

度/m 面積/m2 評級

間隔/m 評級

點數(shù)

/個 可靠

程度

5煤 8煤 5煤 8煤 5煤 8煤

YC1 NNW 185 178 116 123 16 758 16 296 20×20 26 異常區(qū)

YC2 NNE 153 150 117 115 14 042 13 954 20×20 28 異常區(qū)

YC3 NWW 282 320 35 66 15 270 20 376 20×20 42 異常區(qū)

XLZ4 SN 61 115 35 69 1 613 5 890 20×20 14 較可靠

XLZ5 NE 100 143 52 59 3 973 7 636 20×20 18 較可靠

XLZ6 SN 144 169 84 103 9 865 14 688 20×20 28 可靠

YC7 NNE 189 226 114 148 15 755 26 527 20×20 32 異常區(qū)

XLZ8 SN 113 139 106 119 8 084 12480 20×20 22 可靠

XLZ9 NNE 81 193 55 136 3 539 21 730 20×20 32 較可靠

YC10 NW 283 298 60 94 14 675 27 084 20×20 46 異常區(qū)

XLZ11 SN 139 183 52 88 5 522 11 693 20×20 20 可靠

YC12 SN 73 103 57 93 3 517 8 046 20×20 12 異常區(qū)

XLZ13 NNE 52 76 31 68 1 307 4 106 20×20 10 較可靠

YC14 NNW 417 412 174 170 72 821 72 648 20×20 52 異常區(qū)

YC15 SN 77 75 55 53 3 347 3 286 20×20 14 異常區(qū)

YC16 NNE 141 136 115 112 12 683 12 503 20×20 26 異常區(qū)

YC17 EW 102 45 103 47 4 007 4 015 20×20 18 異常區(qū)

YC18 SN 25 24 24 23 791 797 20×20 8 異常區(qū)

4.2 GPS的網(wǎng)絡RTK技術

4.2.1 儀器和工作方法

在鉆孔的施測方面使用的儀器為天寶GPS R8接收機、手簿、CORS卡和碳纖桿等，利用山西省煤炭地質(zhì)115勘查院建立的CORS網(wǎng)絡系統(tǒng)，并采用天寶VRS（虛擬參考站技術）。

野外工作利用流動站連接CORS網(wǎng)絡，在測區(qū)找到國家控制點，利用流動站獲取這些點的WGS-84坐標，通過手簿輸入這些點的本地坐標，通過手簿里的點校正模塊，從而獲取1套由WGS-84到本地坐標的參數(shù)。獲取參數(shù)后，通過水平和垂直殘差檢驗參數(shù)精度的高低。點校正后，通過軟件里的測量模式開始實地所施工的40個鉆孔位置測量。

4.2.2 工作精度

通過對YOYU、XGT、MTS、DATN、S004點的WGS-84坐標和1954年北京坐標的校正，計算出了水平和垂直殘差，可滿足《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)（RTK）測量技術規(guī)范》中<20 mm的規(guī)定要求。具體如表3所示。

表3 控制點殘差情況表

點號 水平殘差/m 垂直殘差/m 方法

YOYU 0.007 — 水平

XGT 0.005 0.007 水平&垂直

MTS 0.003 — 水平

DATN 0.014 0.009 水平&垂直

S004 0.004 — 水平

通過對校正點的水平和垂直殘差的檢校，本次測量精度較高，完全可滿足《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》（GB/T 18341—2001）對鉆孔測量的精度要求。

4.2.3 數(shù)字測井解譯

對于本區(qū)施工的40個鉆孔數(shù)字測井資料，均采用了中國煤田地質(zhì)總局開發(fā)的CLGIS1.0測井資料軟件處理。該軟件能完成對原始數(shù)據(jù)的讀入、預處理和數(shù)字運算，可自動識別巖性、分層、分析巖性、分析煤層和分析巖石強度參數(shù)。本次勘探各鉆孔測井資料的最終處理成果為：測井解釋鉆孔柱狀圖（1∶200，包括巖層砂、泥、水含量分析），煤質(zhì)分析成果圖（1∶50，包括煤層的碳、灰、水含量分析）。

文章編號：2095-6835（2015）12-0134-02