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)

河南省鞏義地區上莊煤礦位于華北板塊南緣的嵩箕構造區西緣[1-2]。區內地形較復雜[3-5]，梯田沖溝多，人員活動頻繁。在采用二維地震勘查技術對井田內斷層確切位置、產狀、性質、落差等參數進行評估時，使用炸藥震源審批難度大。鑒于井田內主煤層二1、二2埋深不大，地表多被致密黃土覆蓋，激發地震條件較好[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條激發量更大的可控源地震剖面，二者相輔相成，進行數據資料聯合解釋，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 地質概況及地震條件

1.1 地層

礦區位于偃龍煤田上莊井田東部，地層區劃屬華北地層區豫西分區嵩箕小區。發育地層有寒武系、奧陶系中統馬家溝組、石炭系上統、二疊系和第四系，現由老至新分述如下。

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

(2)奧陶系。中統馬家溝組在區域平均厚85.00 m。下部為石灰巖泥灰巖，泥質呈不規則分布；中部為黑色隱晶質石灰巖；上部為黃色薄層狀泥灰巖，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。本溪組主要為鋁質巖及鋁質泥巖[10]；太原組厚39.60～95.85 m，平均厚56.46 m，為石灰巖、砂巖、砂質泥巖、泥巖及煤層組成。

(4)二疊系。地層保存不全，礦區中僅揭露山西組、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。上石盒子組區域平均厚度為215.24 m。在礦區北部存在剝蝕區，由中粒砂巖、砂質泥巖組成。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結核，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灰巖11.35 m，距L8石灰巖5.40 m，間距基本穩定。

表1 含煤地層發育情況Tab.1 Development of coal bearing strata

1.3 構造

研究區區域構造位置處于華北板塊南緣的嵩箕構造區西部。礦區總體為一向斜，發育有斷裂構造。依據以往地質成果及礦井資料，對構造形跡敘述如下。

(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，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。區內延伸長度2.08 km，沿走向兩端延伸出區外。此斷層雖無勘探工程控制，但經地質測量，發現地表奧陶系中統頂部地層與寒武系上統地層接觸；有的地段雖被第四系覆蓋，經訪問上莊煤礦，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，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巖后，直接見到下部L1灰巖，斷層落差30 m左右。控制程度較高。

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)山地表層結構復雜多變。礦區采空區較多，對有效波的衰減、吸收、波形變化影響強烈。

(3)礦區植被發育，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 試驗工作及結論

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

(2)試驗點及試驗段位置。試驗選取了3個位置：①工區南部采空區的DZ3線2300處；②工區北部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。中間激發；接收點距5 m；排列長度595 m；接收道數120道。②儀器因素。428UL系列數字地震儀；A/D轉換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激發因素。重錘激發和可控震源激發；激發設備為單位自主研發的加速度重錘，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4個；組合圖形為同點埋置。

(4)試驗內容。重錘激發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計Tab.2 Statistical of heavy hammer construction point test

可控震源激發點試驗共采集試驗物理點14個，具體試驗情況見表3。

表3 可控震源激發點試驗工作統計Tab.3 Working statistics of vibroseis shot point test

(5)重錘激發試驗。重錘激發試驗詳情見表4。

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

(6)可控震源激發試驗。試驗點3位于DZ4線樁號2000處。①驅動電平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)試驗結論。重錘施工根據試驗效果，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，驅動電平70%，震動臺次2次。

2.2 測網布設

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)激發因素。擬采用重錘和可控震源激發；激發設備為單位自主研發的加速度重錘，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，驅動電平70%，震動臺次2次。

(3)觀測系統。采用檢波點距5 m，激發點距10 m，中間激發，排列長度595 m，接收道數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 資料處理常規流程Fig.2 General flow chart of data processing

區內資料解釋[16-20]結合區內已知鉆孔揭露地層情況，本地震時間剖面反射波組與地質層位的對應關系進行綜合的解釋分析，總結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、構造解釋。

4 地質成果

4.1 二1煤層構造形態及埋深變化

研究區面積約1.5 km2，僅做了5條地震測線，剖面總長5.777 km，對區內二1煤層構造形態及其埋深變化進行研究。

依據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。該區基本由走向近南北的逆斷層F14將二1煤層構造形態分成東西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，斷層不發育，時間剖面上沒有發現新斷點。

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

研究區構造復雜程度較簡單，根據二1煤層反射波出現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。斷點情況統計見表5，斷層控制程度統計見表6。

表5 斷點統計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 °。該斷層區內控制長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 °。該斷層區內全長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，查明區內二1煤層構造形態及其埋深變化、斷層確切位置、產狀、性質、落差等參數。該區基本由走向近南北的逆斷層F14將二1煤層構造形態分成東西2部分，均為由東向西傾斜的單斜地層構成，為該區煤礦勘探開發提供可靠資料。

(2)研究區開展落錘實驗、可控源實驗獲取了有效的試驗參數，應用效果較好。表明在工礦區，經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。