小保當(dāng)煤礦首采區(qū)三維地質(zhì)特征研究

楊 彪，李 杰，楊小勇，席義苗

（陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719302）

0 引 言

煤田地質(zhì)勘測(cè)作為礦井開采的關(guān)鍵，其準(zhǔn)確性和透明化，極大的提高了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的效率，同時(shí)有效預(yù)防了地質(zhì)突發(fā)災(zāi)害的發(fā)生[1-3]。在礦井整體開采設(shè)計(jì)中，斷層的出現(xiàn)往往使所有設(shè)計(jì)出現(xiàn)較大變化，同時(shí)上覆巖土層厚度一直是決定工作面支架選型的重要依據(jù)。因此，采用三維地震對(duì)斷層和上覆巖土層勘探非常有必要。隨著智慧礦山和智能化開采的日漸突破，透明地質(zhì)已然成為礦井生產(chǎn)前期的探測(cè)手段，其中三維地震具有顯著的勘探效果[4]。在三維地震勘探操作方法中主要采用炸藥震源和非炸藥震源2 種方法[5-6]。在探測(cè)時(shí)，采用激發(fā)震源的方法使地層中產(chǎn)生振動(dòng)波，并通過控制震源深度采集相關(guān)參數(shù)，從而得到探測(cè)范圍內(nèi)地層信息[7-9]。隨著礦井多煤層開采模式的產(chǎn)生，科學(xué)合理的掌握地層分布形態(tài)和斷層地質(zhì)構(gòu)造特征成為亟需解決的難題[10-11]。因此，在礦井設(shè)計(jì)和開采階段開展三維地震探測(cè)成為指導(dǎo)生產(chǎn)的關(guān)鍵方法之一，是預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不確定探測(cè)因素最直接的方法。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以陜北小保當(dāng)煤礦一號(hào)井首采區(qū)作為研究背景，采用三維地震的方法對(duì)礦井首采區(qū)斷層地質(zhì)構(gòu)造特征和上覆巖土層展開探測(cè)，并提出適應(yīng)礦井開采特點(diǎn)的處理流程，為后續(xù)采區(qū)開采對(duì)斷層預(yù)測(cè)提供更為透明化的三維地層參數(shù)。

1 勘探礦區(qū)三維地震地質(zhì)特征

小保當(dāng)煤礦一號(hào)井主采1-1、2-2、3-1、4-2和5-2煤層，煤層傾角較小，可視為近水平煤層。此次對(duì)首采區(qū)三維地特征開展勘探研究，勘探面積13.51 km2，如圖1 所示。勘探研究區(qū)位于礦區(qū)西南部，上部賦存厚度為1 ～40 m 的風(fēng)積沙，地形整體趨勢(shì)為西部高東部低，地面標(biāo)高1 198—13 460 m，相對(duì)高差148.60 m。風(fēng)積沙下覆蓋約40 m 的紅土層，地震傳播速度為900 ～2 000 m/s，可采集到較為理想地層數(shù)據(jù)。由于覆巖、煤層地震傳播速度和密度存在差異性，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的煤層反射波。煤系地層存在多層巖層和煤層，有利于對(duì)斷層、褶皺、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造特征的勘探，該區(qū)整體地震地質(zhì)條件為一般區(qū)。

圖1 三維地震勘探范圍示意Fig.1 Scope of three-dimensional seismic exploration

2 基于特征值原理的三維地震相干體算法

地層賦存結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜性和特殊性，致使三維地震勘探技術(shù)需要處理大量不確定因素。特征值原理的相干算法采用協(xié)方差矩陣計(jì)算的方法對(duì)勘探區(qū)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能夠有效排除探測(cè)過程中的噪聲。其計(jì)算原理如下：

首先假設(shè)協(xié)方差矩陣C 的特征值為λi，其中i=（1,2,3...,I），具體計(jì)算公式見式（1） ～式（2）。

式中：C 為特征計(jì)算值；（p,q） 為視傾角對(duì)。

由上述算法可知，算法集中分析了地層中主成分，但實(shí)際地震中存在多種噪聲，以該算法計(jì)算整體計(jì)算量較龐雜，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3 三維地震勘探及數(shù)據(jù)分析方法

3.1 現(xiàn)場(chǎng)勘探方案及參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)三維地震勘探采用炸藥作為震源觸發(fā)單元，同一道引爆延時(shí)誤差小于1 ms。由于勘探區(qū)平面形態(tài)、構(gòu)造和煤層傾角等情況的差異性，采用10 線8 炮制線束狀觀測(cè)系統(tǒng)，線束方向?yàn)楸蔽飨?，震源觀測(cè)示意圖如圖2 所示。

圖2 震源觀測(cè)示意Fig.2 Seismic source observation

基于上述勘探方法，需設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)施工相關(guān)參數(shù)和接收參數(shù)，對(duì)于地形復(fù)雜區(qū)域，需加強(qiáng)布置方案，實(shí)現(xiàn)全方位采集三維地震數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)生產(chǎn)，具體參數(shù)見表1。

表1 三維地震勘探參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting of threedimensional seismic exploration

3.2 三維地震參數(shù)分析方法及效果

由于研究區(qū)地表存在一定起伏，導(dǎo)致實(shí)測(cè)時(shí)曲線成為非規(guī)則曲線，造成勘探結(jié)果存在較大誤差，無法反映地下真實(shí)構(gòu)造形態(tài)。因此，需將激發(fā)和接收時(shí)地表?xiàng)l件變化引起的時(shí)差找出并校正，從而提高勘探精確度。在勘探數(shù)據(jù)校正的基礎(chǔ)上，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data process flow

通過圖3 的數(shù)據(jù)處理方法，能夠使勘探初值和雙曲線更加光滑、連續(xù)，同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層條件更加切合。將校正前單炮監(jiān)測(cè)圖和校正后監(jiān)測(cè)圖對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，后者能夠更好地表征地質(zhì)構(gòu)造問題，如圖4所示。

圖4 校正前后的原始單炮對(duì)比圖Fig.4 Original single shot comparison chart before and after correction

4 三維地震勘探結(jié)果分析

4.1 斷層勘探結(jié)果分析

為了更好的闡述對(duì)斷層地質(zhì)構(gòu)造特征勘探結(jié)構(gòu)，選取具有代表性的斷層在時(shí)間上的剖面圖，反映斷層的分布特征和形態(tài)。DF1、DF2 為2-2煤層斷層，位于勘探區(qū)東南部，斷層走向?yàn)镹E，傾向分別為SE 和NE，傾角分別為50°和55°，剖面顯示僅切割2-2煤層，落差分別為0 ～4 m 和0 ～3 m，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度約180 m 和120 m，屬較差斷層。DF6、DF9 為5-2煤層斷層位于勘探區(qū)西南部，斷層走向?yàn)镹E，傾向分別為SE 和NW，傾角為50°，剖面顯示僅切割5-2煤層，落差分別為0 ～4 m 和0 ～5 m，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度約115 m 和226 m，屬較可靠斷層，斷層具體分布形態(tài)如圖5 所示。

圖5 斷層分布特征及形態(tài)Fig.5 Distribution characteristics and morphology of faults

基于斷層剖面特征和分布形態(tài)，將此次勘探結(jié)果匯總并分類。全區(qū)共勘探斷層9 條，斷層走向多為NNE 或NW，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)斷層分類。

（1） 按斷層性質(zhì)分類。

該區(qū)共發(fā)現(xiàn)斷層9 條，全部為正斷層。

（2） 按可靠程度分類。

較可靠斷層5 條，DF4、DF6、DF7、DF8、DF9；控制較差斷層1 條，DF1；未評(píng)級(jí)斷層3 條，DF3、DF5。

（3） 按斷層落差大小分類。

斷層落差≥5 m 的4 條分別為DF4、DF7、DF8、DF9；斷層落差＜5 m 的5 條分別為DF1、DF2、DF3、DF5、DF6。

（4） 按照切割煤層情況進(jìn)行分類。

切割2-2煤層的斷層2 條分別為DF1、DF2；切割5-2煤層的斷層7 條分別為DF3、DF4、DF5、DF6、DF7、DF8、DF9。

（5） 按照勘探前后進(jìn)行分類。

勘探前未發(fā)現(xiàn)斷層，勘探后新發(fā)現(xiàn)斷層9 條。

將三維地震勘探結(jié)果與煤層底板等高線圖共同繪制，可得斷層具體分布層位和位置如圖6 所示。

圖6 斷層層位及分布Fig.6 Stratum and distribution of faults

4.2 覆蓋層厚度勘探結(jié)果分析

在礦井開采過程中工作面礦壓顯現(xiàn)一直是影響正常回采的主要因素之一，并以支架載荷的形式體現(xiàn)。通常支架載荷主要受到上覆巖土層厚度作用，故應(yīng)對(duì)煤層上部巖土層厚度開展勘探作業(yè)。從圖7可看出，2-2煤層覆蓋層厚度在50 ～115 m 變化，勘探區(qū)內(nèi)上覆巖土層厚度由東北向西南逐漸變厚，東南部覆蓋層厚度最厚達(dá)到115 m。在首采區(qū)的東北側(cè)地形起伏較明顯，地形存在多次起伏現(xiàn)象，最大起伏量為32.65 m。首采區(qū)的西南側(cè)地形整體平 緩，呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，最大起伏量為12.34 m。

圖7 覆蓋層厚度變化趨勢(shì)Fig.7 Thickness variation trend of covering layer

由勘探結(jié)果可知，在該采區(qū)內(nèi)布置工作面時(shí)，采區(qū)西南部應(yīng)適當(dāng)選取大支撐阻力的液壓支架，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域礦壓的監(jiān)測(cè)，防止產(chǎn)生突發(fā)災(zāi)害，造成壓架等事故。對(duì)于覆蓋層厚度較薄的區(qū)域應(yīng)注意礦井涌水和漏風(fēng)等問題，需加強(qiáng)以上區(qū)域的監(jiān)測(cè)和管控。

5 結(jié) 論

（1） 針對(duì)小保當(dāng)?shù)V地質(zhì)構(gòu)造不明、勘探程度不足的難題，此次采用三維地震勘探技術(shù)對(duì)礦井首采區(qū)開展勘探，通過數(shù)據(jù)處理可知，該采區(qū)共計(jì)分布9 條斷層，其中2-2煤2 條，5-2煤7 條，均為正斷層，并將斷層分布圖與煤層底板等高線圖相結(jié)合，確定了斷層的層位和分布位置。

（2） 對(duì)2-2煤層上覆巖土覆蓋層厚度勘探發(fā)現(xiàn)，覆蓋層厚度在50 ～115 m，勘探區(qū)內(nèi)上覆巖土層厚度由東北向西南逐漸變厚，東南部覆蓋層厚度最厚達(dá)到115 m。

（3） 通過此次勘探，更加清楚的掌握了首采區(qū)斷層和覆蓋層厚度分布特征，利于現(xiàn)場(chǎng)工作面布置和支架型號(hào)的合理選取。