霍西煤田整合礦井2#煤首采區(qū)三維地震物探技術(shù)研究及應(yīng)用

王 飛

(世紀(jì)萬安科技(北京)有限公司，北京 100029)

三維地震勘探技術(shù)從20世紀(jì)90年代推廣應(yīng)用以來，以其探測煤層構(gòu)造和地質(zhì)體精度高、工程周期短而被礦山企業(yè)所接受，專門應(yīng)用于詳細(xì)查明地質(zhì)小斷層、小褶曲、陷落柱、采空區(qū)、沖刷帶等方面[1-3]。近年來我國煤礦采區(qū)高精度三維地震勘探技術(shù)取得突破性進(jìn)展，已經(jīng)可以查明H≥5m的斷層，部分地震地質(zhì)條件好的地區(qū)可基本查明落差3～5m的斷層等[4-8]。為了查明霍西煤田整合煤礦2#煤首采區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供地質(zhì)依據(jù)，經(jīng)礦方研究決定在首采區(qū)進(jìn)行三維地震勘查工作。

1 工程概況

1.1 地震地質(zhì)條件

霍西煤田試驗(yàn)礦井屬資源整合重組礦井，地處黃土高原，屬中低山丘陵地形，地貌類型以侵蝕的黃土塬、梁、峁為主，其次為黃土沖溝地貌。海拔高度在800～960m之間，最大相對高差160m。地勢呈東高西低。區(qū)內(nèi)溝谷十分發(fā)育，溝坡陡峭，大部地段為黃土覆蓋；近年來退耕還林不斷深入，果樹和松柏在山坡上多有種植；總體上來看水土流失嚴(yán)重，屬剝蝕區(qū)。

首采區(qū)煤層以山西組的2#煤層為主，位于山西組中上部，海拔標(biāo)高在485～700m，煤層厚度平均約1.19m；結(jié)構(gòu)簡單，煤層頂板巖性以砂質(zhì)泥巖為主，局部為砂巖或泥巖，底板巖性多為炭質(zhì)泥巖或泥巖，局部為細(xì)砂巖；煤層與圍巖波阻抗差異明顯，存在良好的波阻抗界面，能產(chǎn)生能量強(qiáng)、特征突出、全區(qū)可連續(xù)追蹤的反射波。

綜合表淺層、深層地震地質(zhì)條件，本區(qū)為地震地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

本區(qū)屬黃土低山地貌，表層黃土厚度變化大、結(jié)構(gòu)疏松、速度低、對地震波的吸收衰減嚴(yán)重，會導(dǎo)致高頻成分衰減嚴(yán)重，面波、鳴震、多次波等強(qiáng)干擾發(fā)育，資料信噪比低等一系列問題。

1)交通條件不允許投入大型鉆孔設(shè)備的情況下，如何選取有利的激發(fā)層位，保證在強(qiáng)吸收介質(zhì)條件下激發(fā)出足夠下傳能量的地震波，獲得一定信噪比的原始資料，是本次地震勘探首先要解決的難題。

2)勘探區(qū)北部村莊較多且連續(xù)，給激發(fā)帶來了很大難度，勘探區(qū)內(nèi)斷坎較多，而且南部工廠廠房較多，給檢波器的鋪設(shè)帶來一定難度。

3)勘探區(qū)內(nèi)2#煤層埋藏較淺，選取合理的觀測、接收參數(shù)，盡可能提高目的層段的有效覆蓋次數(shù)是本次地震勘探要解決的另一個難題。

2 三維地震物探技術(shù)方案

2.1 勘探區(qū)域測線與測點(diǎn)布置

勘探區(qū)地層走向近南北，主要構(gòu)造走向近南北，根據(jù)勘探區(qū)地質(zhì)特征分析，本次勘探區(qū)域測線布設(shè)方向采用東西向，線號、點(diǎn)號由南向北由西向東依次變大，線束與線束重復(fù)5條接收線。

2.2 工程量設(shè)計(jì)

本次勘探區(qū)目標(biāo)面積約1.9km2；共設(shè)計(jì)11束線，滿覆蓋面積約1.96km2，一次覆蓋面積約2.82km2；設(shè)計(jì)生產(chǎn)物理點(diǎn)約1628炮。

2.3 工程量完成情況及質(zhì)量評價

本次三維地震勘探完成工程放樣測點(diǎn)17009個，其中，炮線37條，炮線長度39.22km，炮點(diǎn)1986個，檢波線60條，檢波線測線長度153.60km，檢波點(diǎn)15023個；完成試驗(yàn)點(diǎn)位2處，試驗(yàn)物理點(diǎn)45個；共完成地震線束11束，獲得生產(chǎn)物理點(diǎn)1649個，生產(chǎn)記錄1649張，滿24次覆蓋面積約1.96km2。

試驗(yàn)物理點(diǎn)45個，全部合格；1649張生產(chǎn)記錄，在現(xiàn)場項(xiàng)目組評價的基礎(chǔ)上，監(jiān)理也進(jìn)行了評價，甲級記錄878張，占53.24%，乙級771張，占46.76%；廢品0個；合格率為100%。

3 試驗(yàn)方案現(xiàn)場施工

3.1 試驗(yàn)點(diǎn)的位置

在勘探區(qū)內(nèi)選取了2處(S1、S2)比較有代表性的位置進(jìn)行了點(diǎn)試驗(yàn)工作，試驗(yàn)物理點(diǎn)45個。其中，S1位于高坡地段，S2位于低洼地帶，以便明確不同地形條件下激發(fā)與接收條件的區(qū)別，從而更有力地指導(dǎo)施工。

1)S1點(diǎn)：位于本勘探區(qū)中部，新生界厚度相對較大。該點(diǎn)地表高程為904.19m，2#煤層埋深約309m，標(biāo)高約595m，煤厚1m左右，預(yù)計(jì)該處煤層反射波出現(xiàn)時窗為220ms左右。

2)S2點(diǎn)：位于本勘探區(qū)的東南部，屬于低洼地帶，該點(diǎn)地表高程為868.33m，2#煤層埋深約298m，標(biāo)高570m，煤厚1m左右，預(yù)計(jì)該處煤層反射波出現(xiàn)時窗為212ms左右。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

針對第四系松散層、回填土地段，溝谷中沉積的近、現(xiàn)代沖洪積物、礫石層等條件下影響地震采集效果的激發(fā)巖性、方式、藥量、井組合等以及接收參數(shù)等進(jìn)行試驗(yàn)。共完成試驗(yàn)點(diǎn)2處，試驗(yàn)物理點(diǎn)45個。試驗(yàn)內(nèi)容及工作量完成情況見表1。

4 地震地質(zhì)成果分析

4.1 煤層底板形態(tài)、埋深及控制精度

2#煤層形態(tài)及其構(gòu)造在平面上的展布特征如圖1所示，地震控制的2#煤層底板等高線如圖2所示，從圖2分析可知，2#煤層的底板形態(tài)總體為一東傾近南北走向的單斜，地層傾角一般在10°左右，沿走向有明顯的波狀起伏，在平面上具有寬緩背斜向斜相間的特點(diǎn)。勘探區(qū)內(nèi)煤層深度變化較大，煤層賦存最淺處位于勘探區(qū)西北部，底板標(biāo)高為700m；最深處位于勘探區(qū)東南部，底板標(biāo)高為485m。

圖1 2#煤層形態(tài)及其構(gòu)造在平面上的展布特征

圖2 2#煤層底板等高線(m)

4.2 褶曲

勘探區(qū)內(nèi)地層(煤層)總體為一東傾近南北走向的單斜；查明褶幅大于10m的寬緩背斜1個(Z1)，寬緩向斜1個(Z2)。

1)Z1背斜。位于勘探區(qū)的北部，勘探區(qū)控制軸長約1800m，最大褶幅約25m，背斜軸走向近東西，平面上呈“S”形展布，兩翼地層較緩，傾角約3°～4°。

2)Z2向斜。位于勘探區(qū)的南部，勘探區(qū)控制軸長約1600m，最大褶幅約20m，向斜軸走向近東西，平面上呈“S”形展布，兩翼地層較緩，傾角約3°～4°。

4.3 斷層

地震勘探成果表明，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，比設(shè)計(jì)時的認(rèn)識有所區(qū)別。區(qū)內(nèi)的斷層以北北東向?yàn)橹鳎浯螢榻鼥|西。

本次三維地震勘探共解釋斷層16條，均為正斷層，14條為新發(fā)現(xiàn)斷層，2條為已知斷層，查明落差大于等于5m的斷層11條(DF1、DF2、DF3、DF6、DF7、DF8、DF10、DF11、DF12、DF14、F17)；解釋落差小于5m的斷層5條(DF4、DF5、DF9、DF13、DF15)，斷層控制情況見表2。

根據(jù)規(guī)范評價結(jié)果：控制程度可靠的斷層10條，較可靠的斷層3條，控制程度較差斷層3條。

4.4 陷落柱

本次三維地震勘查數(shù)據(jù)體上未發(fā)現(xiàn)長軸直徑大于40m、短軸直徑大于30m的陷落柱。

4.5 煤層采空區(qū)的解釋

圖3 2#煤層采空區(qū)在時間剖面上的顯示

2#煤層采空區(qū)在時間剖面上的顯示如圖3所示。由圖3(a)可以看出，在勘探區(qū)東北角解釋 2#煤層采空區(qū)兩處，在時間剖面上的表現(xiàn)為波阻特征變化明顯(有時反射波消失、有時振幅變?nèi)?，該處采空區(qū)面積約為354013m2和9988m2。由圖3(b)可以看出，在西北部發(fā)現(xiàn)采空區(qū)一處，在時間剖面上的表現(xiàn)為波阻異常(雖然反射波能量較強(qiáng)但形態(tài)異常，波形鼓起，有時相位反轉(zhuǎn))，該處采空區(qū)面積約為28835m2。

表2 斷層控制情況

5 結(jié) 論

1)控制了勘探區(qū)內(nèi)2#煤層埋藏深度和起伏變化，編制出基本等高距為5m的煤層底板等高線圖。

2)基本查明勘探區(qū)內(nèi)H≥5m斷層的性質(zhì)、延伸方向及范圍，對落差在3～5m之間的斷層斷點(diǎn)特性進(jìn)行了解釋。

3)勘探區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)長軸直徑大于40m、短軸大于30m的陷落柱。

4)查明了勘探區(qū)內(nèi)褶幅大于10m的褶皺性質(zhì)、延伸方向及范圍；基本查明了勘探區(qū)內(nèi)2#煤層采空區(qū)范圍。