小保當煤礦首采區三維地質特征研究

楊 彪，李 杰，楊小勇，席義苗

（陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719302）

0 引 言

煤田地質勘測作為礦井開采的關鍵，其準確性和透明化，極大的提高了現場生產的效率，同時有效預防了地質突發災害的發生[1-3]。在礦井整體開采設計中，斷層的出現往往使所有設計出現較大變化，同時上覆巖土層厚度一直是決定工作面支架選型的重要依據。因此，采用三維地震對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，透明地質已然成為礦井生產前期的探測手段，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]。在探測時，采用激發震源的方法使地層中產生振動波，并通過控制震源深度采集相關參數，從而得到探測范圍內地層信息[7-9]。隨著礦井多煤層開采模式的產生，科學合理的掌握地層分布形態和斷層地質構造特征成為亟需解決的難題[10-11]。因此，在礦井設計和開采階段開展三維地震探測成為指導生產的關鍵方法之一，是預測現場不確定探測因素最直接的方法。

在上述研究的基礎上，本文以陜北小保當煤礦一號井首采區作為研究背景，采用三維地震的方法對礦井首采區斷層地質構造特征和上覆巖土層展開探測，并提出適應礦井開采特點的處理流程，為后續采區開采對斷層預測提供更為透明化的三維地層參數。

1 勘探礦區三維地震地質特征

小保當煤礦一號井主采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。此次對首采區三維地特征開展勘探研究，勘探面積13.51 km2，如圖1 所示。勘探研究區位于礦區西南部，上部賦存厚度為1 ～40 m 的風積沙，地形整體趨勢為西部高東部低，地面標高1 198—13 460 m，相對高差148.60 m。風積沙下覆蓋約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據。由于覆巖、煤層地震傳播速度和密度存在差異性，能夠產生較強的煤層反射波。煤系地層存在多層巖層和煤層，有利于對斷層、褶皺、褶曲等地質構造特征的勘探，該區整體地震地質條件為一般區。

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

地層賦存結構存在復雜性和特殊性，致使三維地震勘探技術需要處理大量不確定因素。特征值原理的相干算法采用協方差矩陣計算的方法對勘探區相關參數進行計算，能夠有效排除探測過程中的噪聲。其計算原理如下：

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

式中：C 為特征計算值；（p,q） 為視傾角對。

由上述算法可知，算法集中分析了地層中主成分，但實際地震中存在多種噪聲，以該算法計算整體計算量較龐雜，計算結果較為準確。

3 三維地震勘探及數據分析方法

3.1 現場勘探方案及參數

現場三維地震勘探采用炸藥作為震源觸發單元，同一道引爆延時誤差小于1 ms。由于勘探區平面形態、構造和煤層傾角等情況的差異性，采用10 線8 炮制線束狀觀測系統，線束方向為北西向，震源觀測示意圖如圖2 所示。

圖2 震源觀測示意Fig.2 Seismic source observation

基于上述勘探方法，需設計現場施工相關參數和接收參數，對于地形復雜區域，需加強布置方案，實現全方位采集三維地震數據，從而指導現場后續生產，具體參數見表1。

表1 三維地震勘探參數設置Table 1 Parameter setting of threedimensional seismic exploration

3.2 三維地震參數分析方法及效果

由于研究區地表存在一定起伏，導致實測時曲線成為非規則曲線，造成勘探結果存在較大誤差，無法反映地下真實構造形態。因此，需將激發和接收時地表條件變化引起的時差找出并校正，從而提高勘探精確度。在勘探數據校正的基礎上，實測數據處理流程如圖3 所示。

圖3 數據處理流程Fig.3 Data process flow

通過圖3 的數據處理方法，能夠使勘探初值和雙曲線更加光滑、連續，同現場實際地層條件更加切合。將校正前單炮監測圖和校正后監測圖對比可發現，后者能夠更好地表征地質構造問題，如圖4所示。

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

4 三維地震勘探結果分析

4.1 斷層勘探結果分析

為了更好的闡述對斷層地質構造特征勘探結構，選取具有代表性的斷層在時間上的剖面圖，反映斷層的分布特征和形態。DF1、DF2 為2-2煤層斷層，位于勘探區東南部，斷層走向為NE，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，區內延展長度約180 m 和120 m，屬較差斷層。DF6、DF9 為5-2煤層斷層位于勘探區西南部，斷層走向為NE，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，區內延展長度約115 m 和226 m，屬較可靠斷層，斷層具體分布形態如圖5 所示。

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

基于斷層剖面特征和分布形態，將此次勘探結果匯總并分類。全區共勘探斷層9 條，斷層走向多為NNE 或NW，按照不同的標準對斷層分類。

（1） 按斷層性質分類。

該區共發現斷層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；未評級斷層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） 按照勘探前后進行分類。

勘探前未發現斷層，勘探后新發現斷層9 條。

將三維地震勘探結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 覆蓋層厚度勘探結果分析

在礦井開采過程中工作面礦壓顯現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。通常支架載荷主要受到上覆巖土層厚度作用，故應對煤層上部巖土層厚度開展勘探作業。從圖7可看出，2-2煤層覆蓋層厚度在50 ～115 m 變化，勘探區內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到115 m。在首采區的東北側地形起伏較明顯，地形存在多次起伏現象，最大起伏量為32.65 m。首采區的西南側地形整體平 緩，呈現遞增趨勢，最大起伏量為12.34 m。

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

由勘探結果可知，在該采區內布置工作面時，采區西南部應適當選取大支撐阻力的液壓支架，同時應加強對該區域礦壓的監測，防止產生突發災害，造成壓架等事故。對于覆蓋層厚度較薄的區域應注意礦井涌水和漏風等問題，需加強以上區域的監測和管控。

5 結 論

（1） 針對小保當礦地質構造不明、勘探程度不足的難題，此次采用三維地震勘探技術對礦井首采區開展勘探，通過數據處理可知，該采區共計分布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合，確定了斷層的層位和分布位置。

（2） 對2-2煤層上覆巖土覆蓋層厚度勘探發現，覆蓋層厚度在50 ～115 m，勘探區內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到115 m。

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