綜合物勘方法在煤礦隱蔽致災地質因素探查中的應用研究

屈花榮，沈永坤

（韓城礦業(yè)有限公司 桑樹坪煤礦，陜西 韓城 715407）

0 引 言

查明地質構造、水、瓦斯、井下火區(qū)等隱蔽致災地質因素并開展預測預報，是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎工作之一。但是由于煤礦隱蔽致災地質因素具有復雜性、多樣性和隱蔽性等特點，在普查過程中探查難度大、成本高，且隨著煤礦開采深度的逐漸增加，隱蔽致災地質因素的類型不斷增加，致災程度也在不斷加重。因此，多種探查手段、方法在煤礦隱蔽致災地質因素普查中的應用，可以更好的實現(xiàn)地質條件的精準探查。三維地震勘探和瞬變電磁勘探均為地球物理勘探中應用較為成熟和主流的探測方法，為了精準查明韓城桑樹坪煤礦未來接續(xù)生產(chǎn)的北二采區(qū)范圍內(nèi)各類隱蔽致災地質因素，此次研究依據(jù)三維地震勘探和瞬變電磁綜合物探方法的探查成果，對研究區(qū)的地質異常體進行了全面分析和評價，為北二采區(qū)未來采掘范圍內(nèi)的安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

1 研究區(qū)地質概況

韓城桑樹坪煤礦為渭北煤田韓城礦區(qū)的主要生產(chǎn)礦井之一，礦井目前主采下二疊統(tǒng)山西組（P1s）的3 號煤層，煤層平均厚度6.33 m。

礦井在開采3 號煤層時，面臨的主要地質問題包括瓦斯（該礦為煤與瓦斯突出礦井）、水（礦井水文地質類型為復雜）、地質構造（井田內(nèi)小斷層較發(fā)育） 等，此外，由于本區(qū)地處華北石炭二疊系巖溶裂隙水害區(qū)，以往的開采實踐中揭露過巖溶陷落柱，因此煤層底板隱伏導水構造（斷裂、陷落柱） 也是主要的潛在隱患之一。

北二采區(qū)位于桑樹坪煤礦北部（圖1），目前處于準備階段，是礦井未來的主要接續(xù)采掘區(qū)域。依據(jù)以往勘探資料顯示，北二采區(qū)地質構造較為簡單，基本構造形態(tài)為一走向北北東、傾向北西西、沿走向和傾向有寬緩波狀起伏的單斜構造，地層傾角一般在7°左右，未見落差大于10 m 的斷裂；主要地下含水層為第四系砂礫層孔隙潛水中等含水層組、二疊系砂巖層裂隙承壓弱含水層組、石炭系砂巖（灰?guī)r） 裂隙承壓極弱含水層組和奧陶系石灰?guī)r溶隙溶洞承壓強含水層組。

2 綜合物探探查工程

為保證北二采區(qū)未來接續(xù)生產(chǎn)的安全進行，進一步探查北二采區(qū)范圍內(nèi)主采煤層賦存情況和隱蔽致災地質因素，桑樹坪煤礦開展了三維地震和瞬變電磁綜合勘探工程。

北二采區(qū)位于井田北一采區(qū)4321 工作面切眼運順口向北250 m、北一上部井田邊界以西1 100 m 處，采區(qū)南北走向長3 147.2 m，東西傾向寬1 770 m，采區(qū)面積5.57 km2。此次勘探范圍與北二采區(qū)范圍保持一致，如圖1 所示。

圖1 探查范圍位置Fig.1 Exploration range location

此次完成三維地震線束27 束，檢波線88 條，總計完成物理點4 759 個；瞬變電磁勘探全區(qū)共完成試驗點物理點60 個，完成檢查點344 個，總物理點7 604 個。

3 探查成果分析

此次探查重點對桑樹坪北二采區(qū)主采煤層埋藏深度、構造形態(tài)及落差5 m 以上斷層、奧灰頂界面起伏形態(tài)及構造發(fā)育情況、陷落柱及2 號煤至奧灰頂界面以下100 m 范圍內(nèi)的含水、導水構造的平面分布范圍及橫向、垂向聯(lián)通關系進行了綜合解譯和分析。

3.1 煤層起伏和褶皺

區(qū)內(nèi)3 號煤厚度較大，一般為2.7～8.4 m。南部的98 孔與北部的B12P-2、B14-3 鉆孔兩處附近為3 個厚煤帶，煤層厚度在8 m 左右；薄煤帶分布在B13p-5 孔附近，煤層厚度約2.7～4.0 m。

2、3、11 號煤層底板起伏形態(tài)基本一致，煤層間距相對穩(wěn)定，構造較簡單。區(qū)內(nèi)煤層底板標高變化穩(wěn)定，3 號煤底板標高180—340 m，煤層的最高點在測區(qū)東北部背斜的軸部，最低點均在測區(qū)西南部向斜的軸部。

區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育一般，褶曲較發(fā)育，控制著整個煤層的起伏形態(tài)。根據(jù)褶曲發(fā)育情況，全區(qū)可分為3 部分。第一部分為勘探區(qū)西南部，為f3 向斜，軸向NWW，北翼產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，南翼有軸向北東的更次一級褶皺疊加，傾角變化較大；第二部分為勘探區(qū)東北部，為f4 馬家塔背斜，軸向NWW，此次勘探區(qū)主要位于南翼；第三部分為勘探區(qū)中部f3向斜和f4 馬家塔背斜之間的過渡區(qū)，煤層傾角較緩。

此外，除了上述2 個較大的褶皺之外，撓曲較發(fā)育，形式多樣，并多以組合形式出現(xiàn)，造成煤層厚度多變。此次共解釋撓曲共11 處。

3.2 斷 層

此次共抽取斷點73 個，A 級斷點27 個，B 級斷點46 個，組合斷層16 條，其中15 條為新發(fā)現(xiàn)斷層。斷層性質均為正斷層，落差＜5 m 的斷層有10 條（DF1~DF6、DF10、DF12、DF14、DF15），落差5 ~ 10 m 的斷層有6 條（DF7 ~ DF9、DF11、DF13、DF16）。

由于大部分斷層落差及延伸距離較小，通過將揭露斷層與異常平面圖上低阻異常區(qū)的位置關系并參照斷面圖進行對比分析，評價得出本區(qū)解譯的斷層含水性主要以弱含水和局部含水為主。

3.3 采空區(qū)

桑樹坪煤礦東部為淺埋煤層區(qū)，早期存在較多的周邊小煤窯，勘探共解釋采空區(qū)共2 處，分別位于勘探邊界的東北側和東南側，如圖2 所示。東南側的采空區(qū)為老窯采空區(qū)擴張區(qū)；東北側的采空區(qū)為2 號井采空區(qū)邊界冒落影響帶。由于采空區(qū)對下伏地層反射波存在屏蔽作用，對3 號煤層采空區(qū)下方11 煤反射波信息影響較大。

圖2 3 號煤層隱蔽致災地質因素探查成果Fig.2 Exploration results of geological factors hiddenly causing damage of No.3 coal seam

3.4 奧灰頂界面形態(tài)

結合鉆孔資料對其進行分析，奧灰的頂界面標高40—250 m，起伏比較平緩。

3.5 各主要層位異常含、富水性及垂向聯(lián)通關系分析

經(jīng)過對瞬變電磁法勘探數(shù)據(jù)的處理及分析解釋，基本查明了勘查區(qū)目標地層的含、富水性及分布范圍。各異常區(qū)及推斷成果見表1。

表1 各目標層異常解釋推斷成果統(tǒng)計Table 1 Statistics of abnormal interpretation and inference results at each target seam

測區(qū)內(nèi)主要異常分別為2 號煤層附近的2-1、2-2、2-3 和2-4 號低阻異常區(qū)、3 號煤層附近的3-1、3-2、3-3 和3-4 號低阻異常區(qū)、11 號煤附近的11-1、11-3 號低阻異常區(qū)、奧灰頂界下50m附近的O50-1、O50-3、O50-4 號低阻異常區(qū)和奧灰頂界下100 m 附近的O100-1、O100-3、O100-4號低阻異常區(qū)，如圖3 所示。為便于分析各異常區(qū)垂向上的連通關系，根據(jù)它們垂向上的分布位置，將2-1、3-1、11-1、O50-1 和O100-1 號低阻異常區(qū)統(tǒng)稱為Ⅰ號低阻異常區(qū)；2-2、3-2 號低阻異常區(qū)統(tǒng)稱為Ⅱ號低阻異常區(qū)；2-3、3-3、11-3、O50-3 和O100-3 號低阻異常區(qū)統(tǒng)稱為Ⅲ號低阻異常區(qū)；2-4、3-4、O50-4 和O100-4 號低阻異常區(qū)統(tǒng)稱為Ⅳ號低阻異常區(qū)。

圖3 各異常平面立體示意Fig.3 Each anomaly plane stereoscopic diagram

Ⅰ號低阻異常區(qū)位于測區(qū)西北部，該異常在2號煤層異常平面和奧灰頂界下50 m 異常平面中分布范圍相對較大，異常相對較強。根據(jù)上節(jié)分析可知，該異常區(qū)所在位置地層傾角變化較大，推斷其主要成因與地層局部起伏導致的裂隙發(fā)育富水有關。該異常雖然在不同層位均有表現(xiàn)，但并無明顯構造，僅在南側有斷距較小的小斷層發(fā)育，不具備上下導通的條件。

Ⅱ號低阻異常區(qū)位于測區(qū)中西部、1 號異常的南側，局部層位有與3 號異常相連趨勢。該異常分布范圍比較分散，異常相對較強。根據(jù)上節(jié)分析可知，其主要成因與地層局部裂隙發(fā)育富水有關，在南側有斷層和撓曲發(fā)育，構造的存在有利于裂隙發(fā)育，因此推斷其在局部層位存在上下導通的可能性。

Ⅲ、Ⅳ號低阻異常區(qū)位于測區(qū)中東部地層埋深相對較淺位置。該異常分布范圍較大，異常相對較強。從各層位低阻異?？臻g分布圖來看，2-3、2-4、3-3、3-4 號異常區(qū)在平面分布位置較一致，且斷面圖顯示上下層位有著上下聯(lián)通的趨勢；3-3、3-4、11-3 號異常區(qū)在平面分布位置較一致，但由于3 號煤和11 煤距離較遠，并且這兩個層位含水層組之間有多個隔水層，在正常情況下各煤層頂、底板砂巖裂隙含水層之間水力聯(lián)系較差，推斷其不具備上下導通的條件；11-3、O50-3、O50-4、O100-3、O100-4 號異常區(qū)平面分布較一致，由于11 煤和奧灰頂界面距離較近，可能會溝通上下兩個層位，從而使上下兩個層位在垂向上存在水力聯(lián)系。

3.6 其他地質異常體

此次探查雖然未見巖溶陷落柱，但發(fā)現(xiàn)了局部的層滑構造。在三維地震解釋過程中發(fā)現(xiàn)，2、3、

11 號煤層反射波比較穩(wěn)定，局部出現(xiàn)波形異常，主要表現(xiàn)為波形變化、能量變化。這些變化有可能與層滑構造有關。共發(fā)現(xiàn)2 處異常區(qū)，C1 異常區(qū)位于測區(qū)中部偏西南，平面形態(tài)近橢圓狀，長軸方向近WE 向，長軸長約190 m，短軸長約135 m；C2 異常區(qū)位于測區(qū)中部偏西北，平面形態(tài)為扇狀，長軸方向近SN，軸長約80 m。

4 結 論

此次探查解釋的煤層底板形態(tài)更加精細，構造更豐富，采空區(qū)邊界也較該礦之前圈定區(qū)域有所擴大。

（1） 查明了北二采區(qū)3 號煤層構造形態(tài)，整體表現(xiàn)為f3 向斜和f4 馬家塔背斜及兩者之間的過渡區(qū)，傾角小于10°；3 號煤底板標高180—340 m，煤層的最高點在測區(qū)東北部背斜的軸部，最低點均在測區(qū)西南部向斜的軸部。

（2） 區(qū)內(nèi)新發(fā)現(xiàn)撓曲11 個；查明了落差5 m以上斷層的性質、產(chǎn)狀、延伸方向，共解釋斷層16 條，新發(fā)現(xiàn)斷層15 條，全部為正斷層，落差均小于10 m。

（3） 查明了區(qū)內(nèi)2 處3 煤層開采的采空區(qū)邊界及其影響區(qū)。

（4） 查明了北二采區(qū)3 號煤層頂?shù)装搴畬拥母凰闆r，并解釋了5 處裂隙富水區(qū)；解釋了奧灰含水層的起伏形態(tài)和富水性，解釋了奧灰頂界面下50 m 處奧灰灰?guī)r富水區(qū)4 處和下100 m 處奧灰灰?guī)r富水區(qū)5 處；解譯了2 處層滑構造，但未發(fā)現(xiàn)直徑大于30 m 的陷落柱。