地球物理勘探在基建礦井的應用分析

李建平

（山西晉煤集團臨汾晉牛煤礦投資有限責任公司，山西 臨汾041000）

山西晉煤集團臨汾晉牛煤礦投資有限責任公司（以下簡稱晉牛煤礦）設計能力為0.90Mt／a的現代化礦井，由6座煤礦整合而成，為保證采區的合理劃分和巷道掘進的安全生產，晉牛公司先后對礦井一采區、二采區進行了地球物理勘探，因本區地震地質條件復雜，故同時采用三維地震勘探和微動勘探兩個方面以對比分析查明礦井內陷落柱、斷層、褶曲等構造。

1 概況

1.1 地質任務

地球物理勘探在晉牛礦承擔的地質任務如下：

（1）查明勘探區內落差≥5m斷層的性質、產狀及延伸長度，其平面擺動誤差應控制在≤30m，對落差≥3m的斷點及勘探中遇到的疑點、不確定點盡可能予以解釋。

（2）查明勘探區內直徑≥30m的陷落柱，盡可能查明直徑25m左右的陷落柱。

（3）查明勘探區內9＋10＃煤層的底板起伏形態，深度誤差≤2.0%，控制2＃煤層的底板起伏形態。

（4）查明勘探區內波幅≥10m的褶曲。

1.2 地質概況

勘探區位于河東煤田鄉寧國家規劃礦區的東北部，井田內基巖局部出露。該地區地層由下往上依次是奧陶系、石炭系、二疊系、第四系。

山西組是本井田主要含煤地層之一，厚度為34.10～42.10m，平均38.40m，共含煤4層，自上而下編號為煤層，煤層總平均厚1.98m，含煤系數2.2%。

太原組是區主要含煤地層之一，厚度為83.09～94.00 m，平均厚度為89.42m，含煤10層，自上而下編號為5＃、煤層，煤層總厚7.55m，含煤系數8.44%。全井田除9＃、10＃、11＃為穩定可采外，其余煤層均為不可采煤層。

受區域地質構造的影響，井田內褶皺發育，軸部主要展布方向呈北東—南西，褶皺兩翼地層產狀平緩，傾角一般4°～9°，傾向北西或南東。區內斷裂構造不發育，僅在采掘井巷中見到小規模的斷層，未見巖漿巖出露。

綜上所述，本區構造復雜程度屬簡單類型。

1.3 地球物理特征

1.3.1 表層地震地質條件

勘探區地處呂梁山南部東緣。總體地勢西高東低，區內溝谷縱橫，地表沖溝，陡坎較發育，地形地貌復雜，為中低山剝蝕地貌，屬低山丘陵區，交通困難。

1.3.2 淺層地震地質條件

淺層出露巖性種類較多，且相間帶狀分布，主要巖性為砂質粘土、粘土沙礫石層及松散洪積物等。勘探區中北部多有黃土覆蓋，大多3～10m，其間賦存多層厚度不等的鈣質結核，給地震波的激發和激發炮井成孔工作帶來較大困難。

總之，淺層巖性結構復雜，給成孔造成很大困難。

1.3.3 深層地震地質條件

勘探區內2＃煤層平均厚1.2m，與圍巖物性差別大，形成T2反射波，能量弱，連續性好，易于識別，區內2＃煤層大范圍被采，因采掘工藝的不同和預留保安煤柱的多少。

勘探區內9＋10＃煤層平均厚4.55m，與圍巖物性差別大，形成T9＋10反射波。T9＋10波的能量強，為區內最強的反射波，連續性好。在上部2＃煤層被采空的情況下，由于采掘區預留保安煤柱多少及松散程度的不同，局部地段T9＋10波橫向呈小幅度波狀抖動現象，增加了T9＋10波對比解釋的難度。總之，深層反射波地震地質條件一般。

綜上所述，本區地震地質條件復雜。

2 地球物理勘探

2.1 三維地震勘探

區內大部分被第四系覆蓋，第四系主要分布于勘探區范圍內的山梁、山坡和溝谷中，其巖性一般為灰黃、淺棕紅色粘土和亞粘土，黃土層中多含鈣質結核。厚度0～30m。新生界黃土主要覆蓋在梁坡上。經過實地踏勘，此次勘探著重在區內的黃土覆蓋和基巖出露地段進行。在區內選擇4個有代表性的典型地段上作激發井深、激發藥量、排列長度以及波場調查等全面試驗，為野外施工確定合理的施工方法和采集參數。

此次勘探完成了三維地震勘探線15束，試驗物理點56個，低速帶點24個，生產物理點7769個，總計物理點7849個（見圖1）。

圖1 試驗點位置示意

2.2 微動勘探

為獲得最佳的數據采集方式，本次微動勘探選擇L形排列，采集時間長度為10min，全區微動勘探試驗點8個，生產物理點1892個，總計物理點1900個，經評價質量全部合格（見圖2）。

圖2 微動勘探觀測排列示意（代表檢波點位置）

3 成果

3.1 三維地震勘探資料解釋成果

本次三維地震整個工區發現斷層8條，陷落柱2個，采空區11個（見圖3）。

圖3 三維解釋示意

3.2 微動勘探資料解釋成果

本次微動勘探得到微動勘探成果剖面圖30條線，100 m深度面波速度切片一張（見圖4）。

圖4 100m深度面波速度等值線平面

3.3 綜合資料解釋成果

本次所用兩種地球物理勘探方法的成果，對地層（煤層）賦存的異常均有一定的反映，且各具特點。本次勘查采用了兩種方法對比、深入研究、相互印證的綜合解釋方法。

3.3.1 不同探測方法的分析認識

本次利用兩種方法的不同特點，對其處理結果進行綜合分析研究和解釋。其中：地層（主要煤層）的起伏形態及斷層、陷落柱、采空區等異常在地震反射法的時間剖面上顯示清晰可靠；采空區和陷落柱異常在微動面波速度剖面上與地震反射法的時間剖面上的顯示基本吻合。

3.3.2 兩種方法的追蹤對比解釋

首先作好每種勘探方法成果的解釋，利用每種方法的不同的處理成果，各自完成對比、判定。

3.3.3 綜合解釋判定

受兩種勘探方法本身原理和現場條件的限制，在同一地段不同勘探方法的效果不盡相同。將異常反映可靠、兩種探測方法異常解釋位置相吻合或相近的異常邊界點為解釋的主要依據，參考異常精度較低的邊界點、單一勘探方法異常邊界點，進行綜合解釋判定（見圖5）。

圖5 三維地震與微動勘探對比效果

本次地球物理勘探，三維地震勘探成果控制密度大（CDP網格為5m×10m），微動勘探成果控制密度相對較小（微動點網格為40m×80m），加之微動勘探存在較大誤差，本次地球物理勘探綜合解釋原則是：① 構造形態解釋的依據為三維勘探成果；② 斷層解釋的依據為三維勘探成果；③ 陷落柱解釋的依據為三維勘探成果和微動勘探解釋成果，其邊界點的判定依據為三維地震勘探成果；④ 采空區解釋的依據為三維勘探成果和微動勘探解釋成果，其邊界點的判定依據為三維地震勘探成果。

本次地球物理勘探，進一步查明了勘探區內地層的構造形態，查明次級褶曲7個；查出斷層9條，均為正斷層，其中查明落差大于等于5m 的斷層8條（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9），控制可靠，查出落差小于5m 的1條（F8），控制可靠程度差；查明9＋10＃煤層陷落柱2個，其中長軸大于100m的1個（X1），長軸小于100m大于50m的1個（X2），均為控制可靠；查明9＋10＃煤層采空區11個，其中，控制可靠的7個（C2、C3、C5、C7、C8、C10、C11），控制較可靠的2個（C1、C6）控制程度較差的2個（C4、C9）。探測結果見圖6。

圖6 T9＋10煤層底板等高線平面

4 結語

1）為了查明影響晉牛礦礦井集約高效安全生產的地質、采空區、小窯巷道等因素，保證采區的合理劃分和巷道掘進的安全生產，有必要開展三維地震勘探工作。

2）三維地震勘探成果資料的利用能夠使生產變被動為主動，各項工作有序開展，掘進工作能按預期很好地完成。