豫中鞏義上莊煤礦二維地震勘探的研究與應用

袁 燕，聶廣斌，鞏一帆

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

河南省鞏義地區(qū)上莊煤礦位于華北板塊南緣的嵩箕構(gòu)造區(qū)西緣[1-2]。區(qū)內(nèi)地形較復雜[3-5]，梯田沖溝多，人員活動頻繁。在采用二維地震勘查技術(shù)對井田內(nèi)斷層確切位置、產(chǎn)狀、性質(zhì)、落差等參數(shù)進行評估時，使用炸藥震源審批難度大。鑒于井田內(nèi)主煤層二1、二2埋深不大，地表多被致密黃土覆蓋，激發(fā)地震條件較好[6-9]，具備二維地震勘探中采取重錘方式激發(fā)震源的條件。此外，為更有效識別地震波、進行推斷解釋，特增加1條激發(fā)量更大的可控源地震剖面，二者相輔相成，進行數(shù)據(jù)資料聯(lián)合解釋，效果較好。本文將詳細闡述、介紹實驗情況及勘探成果，以供參考。

1 地質(zhì)概況及地震條件

1.1 地層

礦區(qū)位于偃龍煤田上莊井田東部，地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)嵩箕小區(qū)。發(fā)育地層有寒武系、奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系上統(tǒng)、二疊系和第四系，現(xiàn)由老至新分述如下。

(1)寒武系。下統(tǒng)出露于五指嶺斷層以東，巖性為灰黃色鐵泥質(zhì)灰?guī)r、厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、豹皮灰?guī)r；上部為淺黃色、紫紅色泥質(zhì)灰?guī)r夾黃綠色泥巖及薄層灰?guī)r；中統(tǒng)出露于礦區(qū)外東北部。與下伏地層呈整合接觸。巖性為紫紅色、黃綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、海綠石砂巖、深灰色厚層鮞狀灰?guī)r。與下伏地層呈整合接觸。上統(tǒng)下部為厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r；中部和上部為厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r。區(qū)域上厚度為340.42 m，在礦區(qū)外東北有出露。與下伏地層呈整合接觸。

(2)奧陶系。中統(tǒng)馬家溝組在區(qū)域平均厚85.00 m。下部為石灰?guī)r泥灰?guī)r，泥質(zhì)呈不規(guī)則分布；中部為黑色隱晶質(zhì)石灰?guī)r；上部為黃色薄層狀泥灰?guī)r，底部含礫石，礫石成分為黑色燧石團塊。與下伏地層呈平行不整合接觸。

(3)石炭系。分為本溪組和太原組。與下伏地層呈平行不整合接觸。本溪組主要為鋁質(zhì)巖及鋁質(zhì)泥巖[10]；太原組厚39.60～95.85 m，平均厚56.46 m，為石灰?guī)r、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成。

(4)二疊系。地層保存不全，礦區(qū)中僅揭露山西組、下石盒子組及上石盒子組。山西組厚度為67.50～99.96 m，平均厚83.23 m。為中、細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，二1煤層賦存于該組的下部，屬大部可采煤層。下石盒子組由灰色及灰白色細—粗粒砂巖、深灰色砂質(zhì)泥巖、紫斑泥巖及煤層組成。砂鍋窯砂巖位于本組底部，為淺灰色中粗粒砂巖，含石英巖細礫，為區(qū)域標志層，厚0.55～17.92 m，平均厚13.40 m。分為三、四、五、六4個煤段。上石盒子組區(qū)域平均厚度為215.24 m。在礦區(qū)北部存在剝蝕區(qū)，由中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖組成。田家溝砂巖位于本組底部，為淺灰色中粒砂巖，厚16.00 m，為標志層。

(5)第四系。分布較廣，上部為由坡積、洪積物及黃土層組成，在黃土層中常見鈣質(zhì)結(jié)核，下部為淺灰色礫石層。厚度0～41.20 m，平均厚16 m。角度不整合于下伏各地層之上。

1.2 煤層

(2)主要煤層特征。二1煤層位于山西組下部，大占砂巖之下，上距砂鍋窯砂巖約73 m，距大占砂巖平均3.65 m，距香炭砂巖約38 m；下距L7灰?guī)r11.35 m，距L8石灰?guī)r5.40 m，間距基本穩(wěn)定。

表1 含煤地層發(fā)育情況Tab.1 Development of coal bearing strata

1.3 構(gòu)造

研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置處于華北板塊南緣的嵩箕構(gòu)造區(qū)西部。礦區(qū)總體為一向斜，發(fā)育有斷裂構(gòu)造。依據(jù)以往地質(zhì)成果及礦井資料，對構(gòu)造形跡敘述如下。

(1)褶皺。①上莊向斜：由于受五指嶺斷層影響，產(chǎn)生一箕形褶皺，向斜軸走向北西，軸面傾向北東，東北翼地層走向為145°～165°，傾向為235°～255°，傾角15～30°；西南翼地層走向45°～80°，傾向315°～350°，傾角10°。沿北莊、老井溝、羅泉一帶傾角增大，有的地段地層甚至倒轉(zhuǎn)，西南翼傾角平緩，在地表向斜軸出露于紅石嘴至平頂山一線，表現(xiàn)為兩翼傾角平緩，傾角5°～6°。

(2)斷層。①五指嶺斷層(F1)位于礦區(qū)東北部，走向310°，傾向40°，傾角85°，北東盤上升，南西盤下降，為平移斷層。區(qū)內(nèi)延伸長度2.08 km，沿走向兩端延伸出區(qū)外。此斷層雖無勘探工程控制，但經(jīng)地質(zhì)測量，發(fā)現(xiàn)地表奧陶系中統(tǒng)頂部地層與寒武系上統(tǒng)地層接觸；有的地段雖被第四系覆蓋，經(jīng)訪問上莊煤礦，該礦已開采到姜溝上嶺東的震旦系地層之下，因煤層采空，地表震旦系地層出現(xiàn)塌陷和裂縫。斷層落差約800 m，沿武當山方向延伸落差逐漸變小?？刂瞥潭容^高。②姜溝上嶺逆斷層(F14)位于礦區(qū)東北部11001、10905、上1孔一帶，為黃土掩蓋，向北方向延伸至五指嶺斷層，延展長度約1.21 km。斷層走向310°～355°，傾向40°～85°，南西盤下降，北東盤上升，為逆斷層。10905孔二1煤層重復出現(xiàn)，該孔242.82 m見到二1煤層，煤厚8.10 m，365.82 m又見到二1煤層，煤厚3.30 m，兩煤層相距122 m。控制程度較高。③前武當斷層(F15)位于礦區(qū)東北部，為黃土覆蓋，向南東方向延伸至姜溝上嶺逆斷層，延展長度0.54 km，斷層走向293°，傾向23°，南西盤下降，北東盤上升，為正斷層，11001孔太原組中砂巖段缺失，該孔穿過太原組上部灰?guī)r后，直接見到下部L1灰?guī)r，斷層落差30 m左右?？刂瞥潭容^高。

1.4 地震條件

(1)地形較復雜，梯田沖溝多，高差起伏較大，相對高差約130 m，影響地震施工。

(2)山地表層結(jié)構(gòu)復雜多變。礦區(qū)采空區(qū)較多，對有效波的衰減、吸收、波形變化影響強烈。

(3)礦區(qū)植被發(fā)育，給勘探通行和施工測量造成較大困難。

2 野外工作方法

2.1 試驗工作及結(jié)論

(1)試驗目的。此次試驗目的有以下幾個方面[11-12]：①優(yōu)選儀器記錄因素和檢波器接收因素；②選取最佳的激發(fā)因素；③驗證此次選用的二維觀測系統(tǒng)是否合理。

(2)試驗點及試驗段位置。試驗選取了3個位置：①工區(qū)南部采空區(qū)的DZ3線2300處；②工區(qū)北部DZ1線2000處；③可控震源施工DZ4測線2000處。試驗工作位置如圖1所示。

圖1 試驗工作位置示意Fig.1 Schematic diagram of test working position

(3)試驗施工因素。①觀測系統(tǒng)。中間激發(fā)；接收點距5 m；排列長度595 m；接收道數(shù)120道。②儀器因素。428UL系列數(shù)字地震儀；A/D轉(zhuǎn)換24位；記錄長度1.5 s；采樣間隔250 μs；記錄格式SEG-D；前放增益12 dB。③激發(fā)因素。重錘激發(fā)和可控震源激發(fā)；激發(fā)設備為單位自主研發(fā)的加速度重錘，法國進口NOMAD15可控震源。④接收因素。檢波器類型為自然頻率60 Hz檢波器；組合個數(shù)4個；組合圖形為同點埋置。

(4)試驗內(nèi)容。重錘激發(fā)點試驗共采集試驗物理點10個，具體試驗情況見表2。

表2 重錘施工點試驗工作統(tǒng)計Tab.2 Statistical of heavy hammer construction point test

可控震源激發(fā)點試驗共采集試驗物理點14個，具體試驗情況見表3。

表3 可控震源激發(fā)點試驗工作統(tǒng)計Tab.3 Working statistics of vibroseis shot point test

(5)重錘激發(fā)試驗。重錘激發(fā)試驗詳情見表4。

表4 重錘激發(fā)試驗詳情Tab.4 Details of heavy hammer excitation test

(6)可控震源激發(fā)試驗。試驗點3位于DZ4線樁號2000處。①驅(qū)動電平60%；掃描頻率10～160 Hz；掃描長度8、10、12、14、16、18 s；震動臺次分別為1、2、3、4次。采用可控震源激發(fā)時，反射波能量普遍較強，震動臺次1次時，能量稍弱，震動臺次2～4次、掃描長度8～18 s時，反射波能量相當。②驅(qū)動電平70%；掃描頻率10～160 Hz；掃描長度16、18 s；震動臺次分別為1、2、3次。采用掃描長度16 s，震動臺次1次時，反射波能量稍弱；掃描長度16、18 s，震動臺次2～3次時，能量均較強，目的層反射突出。綜合考慮，采用掃描長度16 s，震動臺次2次為宜。

(7)試驗結(jié)論。重錘施工根據(jù)試驗效果，選擇了40 kg重錘，壓簧10 cm進行施工；可控震源施工選取了掃描長度 16 s，掃描頻率10～160 Hz，驅(qū)動電平70%，震動臺次2次。

2.2 測網(wǎng)布設

設計二維地震測線4條，檢波器間距5 m，炮距10 m，疊加次數(shù)30次，設計炮點410個(包含試驗點)。

2.3 資料采集方法

(1)儀器因素。使用428XL數(shù)字地震儀，采樣間隔250 μs，記錄長度1.5 s，前放增益12 dB，全通帶接收。

(2)激發(fā)因素。擬采用重錘和可控震源激發(fā)；激發(fā)設備為單位自主研發(fā)的加速度重錘，NOMAD15可控震源；加速度重錘40 kg，壓簧10 cm；NOMAD15可控震源掃描長度16 s，掃描頻率10～160 Hz，驅(qū)動電平70%，震動臺次2次。

(3)觀測系統(tǒng)。采用檢波點距5 m，激發(fā)點距10 m，中間激發(fā)，排列長度595 m，接收道數(shù)120道，30次疊加。

(4)接收因素。單道采用4個60 Hz檢波器2串2并連接的檢波器串，同點埋置。

3 資料處理與解釋

根據(jù)資料特點和處理要求[14-15]，采用的處理流程如圖2所示。

圖2 資料處理常規(guī)流程Fig.2 General flow chart of data processing

區(qū)內(nèi)資料解釋[16-20]結(jié)合區(qū)內(nèi)已知鉆孔揭露地層情況，本地震時間剖面反射波組與地質(zhì)層位的對應關(guān)系進行綜合的解釋分析，總結(jié)出目的層反射波的反射特征，而后進行目的層反射波的對比追蹤、構(gòu)造解釋。

4 地質(zhì)成果

4.1 二1煤層構(gòu)造形態(tài)及埋深變化

研究區(qū)面積約1.5 km2，僅做了5條地震測線，剖面總長5.777 km，對區(qū)內(nèi)二1煤層構(gòu)造形態(tài)及其埋深變化進行研究。

依據(jù)5條地震剖面編制的二1煤層底板等高線平面如圖3所示。該區(qū)基本由走向近南北的逆斷層F14將二1煤層構(gòu)造形態(tài)分成東西2部分，東西2部分均為由東向西傾斜的單斜地層，逆斷層F14以西底板等高線標高+75～+210 m，地層傾角10°左右，相對比較平緩，斷層不發(fā)育，僅存在1個小斷層，斷距25 m左右，傾角約50°；逆斷層F14以東底板等高線標高+100～+300 m，地層傾角為7°～25°，DZ2線以北傾角稍大，DZ2線以南傾角較小，斷層不發(fā)育，時間剖面上沒有發(fā)現(xiàn)新斷點。

圖3 二1煤層底板等高線平面Fig.3 Contour plane of Ⅱ1 coal seam floor

4.2 斷層

研究區(qū)構(gòu)造復雜程度較簡單，根據(jù)二1煤層反射波出現(xiàn)的時間錯動確定斷點5個。其中，A級斷點2個，B級斷點3個，根據(jù)斷點的情況，在二1煤底板等高線平面圖上組合斷層2條，分別命名為F14、F16斷層。斷點情況統(tǒng)計見表5，斷層控制程度統(tǒng)計見表6。

表5 斷點統(tǒng)計Tab.5 Breakpoint statistics list

表6 斷層控制程度Tab.6 Fault control degree

(1)F14逆斷層。由3個斷點組成，跨越F14斷層的地震測線有DZ1、DZ4及DZ2線。測線DZ1上F14斷層的顯示非常明顯，其余2條測線均有反映，斷點的主要特征是斷點的上盤與下盤逆沖現(xiàn)象二1煤層反射波顯示很清晰，上盤逆沖在下盤之上。時間剖面斷點處上升盤二1煤層反射波距下降盤反射波的時差為0.03～0.07 s。DZ1線上F14斷層的顯示如圖4所示。該斷層走向近南北，傾向東，南端過DZ2線，于DZ3線附近尖滅，北端延伸至五指嶺斷層，斷層落差0～122 m，傾角50°～70 °。該斷層區(qū)內(nèi)控制長620 m，有3條測線控制，1個A級斷點，2個B級斷點組成，故F14斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為逆斷層。

圖4 DZ1線上F14斷層的顯示Fig.4 Display of F14 fault on DZ1 line

(2)F16斷層。由斷點FPDZ2-1、FPDZ4-1組成，在DZ4線剖面樁號2785附近T2波組有2個強相位的明顯錯斷，斷距約25 ms，在DZ2線剖面樁號2500附近T2波組亦有約20 ms的錯斷顯示，但波組較弱。DZ4線上F16斷層的顯示如圖5所示。該斷層傾向北西，走向北北東，北端過DZ4線尖滅，南端過DZ2線尖滅，落差0～40 m，傾角40°～60 °。該斷層區(qū)內(nèi)全長210 m，有2條測線控制，1個A級斷點，1個B級斷點組成，故F16斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

圖5 DZ4線上F16斷層的顯示Fig.5 Display of F16 fault on DZ4 line

5 結(jié)論

(1)本文對河南省鞏義市上莊煤礦采用二維地震勘探技術(shù)，查明區(qū)內(nèi)二1煤層構(gòu)造形態(tài)及其埋深變化、斷層確切位置、產(chǎn)狀、性質(zhì)、落差等參數(shù)。該區(qū)基本由走向近南北的逆斷層F14將二1煤層構(gòu)造形態(tài)分成東西2部分，均為由東向西傾斜的單斜地層構(gòu)成，為該區(qū)煤礦勘探開發(fā)提供可靠資料。

(2)研究區(qū)開展落錘實驗、可控源實驗獲取了有效的試驗參數(shù)，應用效果較好。表明在工礦區(qū)，經(jīng)合理實驗后采用機械震源亦能取得較好的勘探效果，具有一定的推廣應用價值。