同煤集團新井田潘家窯首采區綜合勘探新技術運用實例

胡曉宏

摘 要：從山西省煤炭地質一一五勘查院在同煤集團新建礦田首采區勘查中采用的三維地震技術、GPS測量技術和數字測井技術綜合的實例入手，反映了煤田地質勘探運用先進的技術手段、方法對提高勘查程度的作用，以期為相關單位提供參考。

關鍵詞：綜合勘探技術；三維地震技術；GPS測量技術；數字測井技術

中圖分類號：P624 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.132

1 項目簡介

大同煤炭集團有限公司（簡稱同煤集團）潘家窯井田是2010年國家發改委批準的新建礦井，設計規模為每年1.0×107 t。通過招標的方式，選定了山西省煤炭地質一一五勘查院進行首采區地段煤炭地質勘查，目的是為礦井建設可行性研究和礦井初步設計提供可靠的地質資料，滿足礦井對煤炭資源的開發要求。

2 井田概況

潘家窯井田位于大同煤田西北部，山西省左云縣境內，三面為低山區，西為西石山、南為洪濤山、東南為口泉山脈。井田內為低山丘陵地貌，相對高差為206.1 m。其周邊為規劃和在建的井田，南面為馬道頭井田，西北面為劉家窯井田，西面為大西莊井田，東面為同煤大唐塔山井田，東北面為東周窯井田。首采區位于井田西部，東西長5 000 m，南北寬4 000 m，面積為19.549 5 km2。相鄰關系位置圖層如圖1所示。

圖1 相鄰關系位置圖層

本井田范圍內多為黃土覆蓋，基巖出露零星。區內賦存地層從老到新有古生界奧陶系下統、石炭系中統本溪組、上統太原組；二疊系下統山西組、下石盒子組、上統上石盒子組；中生界侏羅系下統永定莊組、中統大同組；白堊系下統左云組和尖口山組，基巖地層總平均厚度為966.76 m；第四系中上更新統和全新統地層的平均厚度為26.99 m。

主要賦存煤層為石炭系太原組煤層，太原組含煤12層，其中3，5，8號煤層為較穩定煤層，其余煤層均為不穩定煤層，7，8-1煤層局部可采。3，5，7，8-1，8總體均為長焰煤。其工業用途主要為動力用煤。首采地段內5，8-1，8可采，其余煤層均不可采。

本區位于內蒙斷塊（Ⅲ）與太行呂梁斷塊（Ⅲ）中的云岡塊坳（Ⅳ）偏關—神池塊坪（Ⅳ）復合部位，構造作用力強烈，構造形跡復雜，序次雜亂，斷裂和褶皺多以隱伏構造形式存在。山西省大同煤田左云縣潘家窯勘查區煤炭詳查（2006年山西省礦業權價款項目）時，采用二維地震技術，揭露井田有5條斷距>10 m，延伸500～8 300 m斷層和10個孤立斷點，均為隱伏性質，影響著煤礦井巷工程的布設。

在此區域也有多期巖漿活動，主要為淺層或超淺層超基性巖，多沿構造面上升侵入煤層，與煤層發生熱接觸反應，使煤變硬、變脆、揮發分逸失，甚至蝕變成天然焦。在有關文獻中多次提及其對煤層的破壞主要為印支期的煌斑巖（絕對年齡值2.0億～2.4億年）、喜山期輝綠巖等，影響了煤的采掘和煤的利用價值。

3 施工方案和施工流程

同煤集團對本次勘探共提出了十一項任務要求。其中，第四項、第八項是難以用常規勘探手段完成的，即詳細查明先期開采地段可采煤層層位和厚度變化、確定可采煤層的連續性、控制先期開采地段內各可采煤層的可采范圍（包括煤層因受巖漿侵入、古河流沖刷、古隆起和陷落柱等的影響，使煤層厚度和可采性發生的變化）、應控制厚度變化較大的主要可采煤層的煤層等厚線。

詳細調查老窯、小煤礦和生產礦井的分布和開采情況，劃出其采空范圍，應盡可能地控制老窯采空區，并評述其積水情況，詳細調查生產礦井和小煤礦的涌水量、水質和周期動態變化，并分析其充水因素。

鑒于上述情況和對以往資料的研究，決定采用更為先進的三維地震技術參與綜合勘查。采用地面地質、水、工、環修測調查、三維地震勘探、工程測量、地下鉆探施工、采樣、測井驗證與化驗實驗相結合的綜合勘查方法。本次勘探始于2012-03-02，2013-05-31結束野外勘探工作。鉆探工程施工鉆孔40個，其中，水文孔3個，物探三維地震工程12 km2。

4 新技術、新工藝的應用

本次勘探為綜合勘探，采用的新技術主要有三維地震技術、GPS技術和數字測井軟件解譯技術，具體如下。

4.1 三維地震技術

三維地震勘探與二維地震勘探相比，前者不僅能獲得地震剖面圖，還能獲得三維空間的數據體，三維數據的信息點密度可達12.5 m×12.5 m（即每在12.5 m×12.5 m的面積內采集1個數據）；后者測線信息點的密度最高為1 km×1 km。由于三維地震勘探獲得的信息豐富、地震剖面分辨率高，尤其對地下的古河流、古湖泊、古隆起、古喀斯特地貌和斷層等均可直接或間接反映出來。

本次三維地震技術主要用以構造、褶曲、巖溶陷落、采空區分布查找、鉆探、測井確定的煤層狀況驗證、煤層的連續性判斷，巖漿巖的侵入范圍、形態、規模和采空區分布。本文僅以斷層、陷落柱查找為例加以說明。

4.1.1 區內地質地震條件

本區地貌以黃土丘陵為主，地形簡單，相對高差在100～200 m，起伏變化不大。區內大部被黃土覆蓋，厚20 m左右，激發條件一般。因此，淺表層地震地質條件一般，主要煤層（5號煤層）厚度較大，與圍巖存在一定的波阻抗差異，可形成一定能量的地震反射波，且煤層賦存穩定，厚度變化不大。因此，深層地震地質條件較好。

4.1.2 工作量、工作方法

本次三維地震勘探地面施工，滿覆蓋面積為12.4 km2，勘探面積為12 km2，野外數據采集共完成三維線束10束，微地震測井3口。總計完成物理點6 682個，包括線上物理點6 633個、試驗物理點37個和微地震測井折合物理點12個。除局部野外采集數據質量略受影響、單炮記錄面貌有所變化外，區域單炮資料的整體性較好，符合《煤炭煤層氣地震勘探規范》中的有關標準，具體如表1所示。解釋使用5 m×5 m的網度三維偏移數據體，按照40 m×80 m的間距共評價了T5波797個斷點和T8波812個斷點。其中，A級斷點（T5波、T8波）共計893個，占55.50%；B級斷點（T5波、T8波）404個，占25.11%；C級斷點（T5波、T8波）312個，占19.39%；A+B級斷點（T5波、T8波）1 287個，占80.61%.

表1 三維地震線上原始記錄質量評級表

線束號 設計

物理點 完成

物理點 甲級

/個 甲級率

/% 乙級

/個 乙級率

/% 廢品

/個 廢品率

/% 合格 合格率

/%

SW1 640 676 443 65.53 230 34.02 3 0.44 673 99.56

SW2 640 676 427 63.17 245 36.24 4 0.59 672 99.41

SW3 640 674 444 65.88 228 33.83 2 0.30 672 99.70

SW4 640 654 370 56.57 281 42.97 3 0.46 651 99.54

SW5 640 647 387 59.81 256 39.57 4 0.62 643 99.38

SW6 640 652 427 65.49 221 33.90 4 0.61 648 99.39

SW7 640 641 456 71.14 181 28.24 4 0.62 637 99.38

SW8 640 661 502 75.95 156 23.60 3 0.45 658 99.55

SW9 640 666 519 77.93 141 21.17 6 0.90 660 99.10

SW10 680 686 414 60.35 267 38.92 5 0.73 681 99.27

線束物理

點小計 6 440 6 633 4 389 66.17 2 206 33.26 38 0.57 6 595 99.43

4.1.3 主要成果和精度

4.1.3.1 構造方面

在構造方面，詳查時僅發現5條斷層，10個孤立斷點。本次三維地震又新發現51條斷層，其中，落差>20 m的斷層16條，孤立斷點落差>20 m的8條。三維地震成果按照落差劃分：落差≥50 m的1條，為DF10；50 m>落差≥30 m的2條，分別為DF45、DF58；30 m>落差≥20 m的8條，分別為DF1、DF4、DF16、DF29、DF43、DF51、DF63、DF64；20 m>落差≥10 m的10條，分別為DF8、DF12、DF13、DF17、DFN19、DF21、DF53、DF57、DF62、DF68；10 m>落差≥8 m的2條，分別為DF38、DF48。其中，可靠斷層19條，較可靠斷層4條，具體如圖2所示。

圖2 斷層落差詳解圖

4.1.3.2 確定陷落柱和異常區

發現陷落柱構造7個，均同時陷落5#煤層和8#煤層，長軸都>30 m。解釋反射波異常區11個，根據鉆孔資料，P401孔位置處三維地震解釋異常區YC18，在報告中推斷為陷落柱XLZ18。具體如表2所示。

表2 陷落柱、異常區解釋成果一覽表

陷落柱/

異常區

名稱 長軸

方向 長軸長

度/m 短軸長

度/m 面積/m2 評級

間隔/m 評級

點數

/個 可靠

程度

5煤 8煤 5煤 8煤 5煤 8煤

YC1 NNW 185 178 116 123 16 758 16 296 20×20 26 異常區

YC2 NNE 153 150 117 115 14 042 13 954 20×20 28 異常區

YC3 NWW 282 320 35 66 15 270 20 376 20×20 42 異常區

XLZ4 SN 61 115 35 69 1 613 5 890 20×20 14 較可靠

XLZ5 NE 100 143 52 59 3 973 7 636 20×20 18 較可靠

XLZ6 SN 144 169 84 103 9 865 14 688 20×20 28 可靠

YC7 NNE 189 226 114 148 15 755 26 527 20×20 32 異常區

XLZ8 SN 113 139 106 119 8 084 12480 20×20 22 可靠

XLZ9 NNE 81 193 55 136 3 539 21 730 20×20 32 較可靠

YC10 NW 283 298 60 94 14 675 27 084 20×20 46 異常區

XLZ11 SN 139 183 52 88 5 522 11 693 20×20 20 可靠

YC12 SN 73 103 57 93 3 517 8 046 20×20 12 異常區

XLZ13 NNE 52 76 31 68 1 307 4 106 20×20 10 較可靠

YC14 NNW 417 412 174 170 72 821 72 648 20×20 52 異常區

YC15 SN 77 75 55 53 3 347 3 286 20×20 14 異常區

YC16 NNE 141 136 115 112 12 683 12 503 20×20 26 異常區

YC17 EW 102 45 103 47 4 007 4 015 20×20 18 異常區

YC18 SN 25 24 24 23 791 797 20×20 8 異常區

4.2 GPS的網絡RTK技術

4.2.1 儀器和工作方法

在鉆孔的施測方面使用的儀器為天寶GPS R8接收機、手簿、CORS卡和碳纖桿等，利用山西省煤炭地質115勘查院建立的CORS網絡系統，并采用天寶VRS（虛擬參考站技術）。

野外工作利用流動站連接CORS網絡，在測區找到國家控制點，利用流動站獲取這些點的WGS-84坐標，通過手簿輸入這些點的本地坐標，通過手簿里的點校正模塊，從而獲取1套由WGS-84到本地坐標的參數。獲取參數后，通過水平和垂直殘差檢驗參數精度的高低。點校正后，通過軟件里的測量模式開始實地所施工的40個鉆孔位置測量。

4.2.2 工作精度

通過對YOYU、XGT、MTS、DATN、S004點的WGS-84坐標和1954年北京坐標的校正，計算出了水平和垂直殘差，可滿足《全球定位系統實時動態（RTK）測量技術規范》中<20 mm的規定要求。具體如表3所示。

表3 控制點殘差情況表

點號 水平殘差/m 垂直殘差/m 方法

YOYU 0.007 — 水平

XGT 0.005 0.007 水平&垂直

MTS 0.003 — 水平

DATN 0.014 0.009 水平&垂直

S004 0.004 — 水平

通過對校正點的水平和垂直殘差的檢校，本次測量精度較高，完全可滿足《地質礦產勘查測量規范》（GB/T 18341—2001）對鉆孔測量的精度要求。

4.2.3 數字測井解譯

對于本區施工的40個鉆孔數字測井資料，均采用了中國煤田地質總局開發的CLGIS1.0測井資料軟件處理。該軟件能完成對原始數據的讀入、預處理和數字運算，可自動識別巖性、分層、分析巖性、分析煤層和分析巖石強度參數。本次勘探各鉆孔測井資料的最終處理成果為：測井解釋鉆孔柱狀圖（1∶200，包括巖層砂、泥、水含量分析），煤質分析成果圖（1∶50，包括煤層的碳、灰、水含量分析）。

文章編號：2095-6835（2015）12-0134-02