地球物理勘探在基建矿井的应用分析

李建平

（山西晋煤集团临汾晋牛煤矿投资有限责任公司，山西 临汾041000）

山西晋煤集团临汾晋牛煤矿投资有限责任公司（以下简称晋牛煤矿）设计能力为0.90Mt／a的现代化矿井，由6座煤矿整合而成，为保证采区的合理划分和巷道掘进的安全生产，晋牛公司先后对矿井一采区、二采区进行了地球物理勘探，因本区地震地质条件复杂，故同时采用三维地震勘探和微动勘探两个方面以对比分析查明矿井内陷落柱、断层、褶曲等构造。

1 概况

1.1 地质任务

地球物理勘探在晋牛矿承担的地质任务如下：

（1）查明勘探区内落差≥5m断层的性质、产状及延伸长度，其平面摆动误差应控制在≤30m，对落差≥3m的断点及勘探中遇到的疑点、不确定点尽可能予以解释。

（2）查明勘探区内直径≥30m的陷落柱，尽可能查明直径25m左右的陷落柱。

（3）查明勘探区内9＋10＃煤层的底板起伏形态，深度误差≤2.0%，控制2＃煤层的底板起伏形态。

（4）查明勘探区内波幅≥10m的褶曲。

1.2 地质概况

勘探区位于河东煤田乡宁国家规划矿区的东北部，井田内基岩局部出露。该地区地层由下往上依次是奥陶系、石炭系、二叠系、第四系。

山西组是本井田主要含煤地层之一，厚度为34.10～42.10m，平均38.40m，共含煤4层，自上而下编号为煤层，煤层总平均厚1.98m，含煤系数2.2%。

太原组是区主要含煤地层之一，厚度为83.09～94.00 m，平均厚度为89.42m，含煤10层，自上而下编号为5＃、煤层，煤层总厚7.55m，含煤系数8.44%。全井田除9＃、10＃、11＃为稳定可采外，其余煤层均为不可采煤层。

受区域地质构造的影响，井田内褶皱发育，轴部主要展布方向呈北东—南西，褶皱两翼地层产状平缓，倾角一般4°～9°，倾向北西或南东。区内断裂构造不发育，仅在采掘井巷中见到小规模的断层，未见岩浆岩出露。

综上所述，本区构造复杂程度属简单类型。

1.3 地球物理特征

1.3.1 表层地震地质条件

勘探区地处吕梁山南部东缘。总体地势西高东低，区内沟谷纵横，地表冲沟，陡坎较发育，地形地貌复杂，为中低山剥蚀地貌，属低山丘陵区，交通困难。

1.3.2 浅层地震地质条件

浅层出露岩性种类较多，且相间带状分布，主要岩性为砂质粘土、粘土沙砾石层及松散洪积物等。勘探区中北部多有黄土覆盖，大多3～10m，其间赋存多层厚度不等的钙质结核，给地震波的激发和激发炮井成孔工作带来较大困难。

总之，浅层岩性结构复杂，给成孔造成很大困难。

1.3.3 深层地震地质条件

勘探区内2＃煤层平均厚1.2m，与围岩物性差别大，形成T2反射波，能量弱，连续性好，易于识别，区内2＃煤层大范围被采，因采掘工艺的不同和预留保安煤柱的多少。

勘探区内9＋10＃煤层平均厚4.55m，与围岩物性差别大，形成T9＋10反射波。T9＋10波的能量强，为区内最强的反射波，连续性好。在上部2＃煤层被采空的情况下，由于采掘区预留保安煤柱多少及松散程度的不同，局部地段T9＋10波横向呈小幅度波状抖动现象，增加了T9＋10波对比解释的难度。总之，深层反射波地震地质条件一般。

综上所述，本区地震地质条件复杂。

2 地球物理勘探

2.1 三维地震勘探

区内大部分被第四系覆盖，第四系主要分布于勘探区范围内的山梁、山坡和沟谷中，其岩性一般为灰黄、浅棕红色粘土和亚粘土，黄土层中多含钙质结核。厚度0～30m。新生界黄土主要覆盖在梁坡上。经过实地踏勘，此次勘探着重在区内的黄土覆盖和基岩出露地段进行。在区内选择4个有代表性的典型地段上作激发井深、激发药量、排列长度以及波场调查等全面试验，为野外施工确定合理的施工方法和采集参数。

此次勘探完成了三维地震勘探线15束，试验物理点56个，低速带点24个，生产物理点7769个，总计物理点7849个（见图1）。

图1 试验点位置示意

2.2 微动勘探

为获得最佳的数据采集方式，本次微动勘探选择L形排列，采集时间长度为10min，全区微动勘探试验点8个，生产物理点1892个，总计物理点1900个，经评价质量全部合格（见图2）。

图2 微动勘探观测排列示意（代表检波点位置）

3 成果

3.1 三维地震勘探资料解释成果

本次三维地震整个工区发现断层8条，陷落柱2个，采空区11个（见图3）。

图3 三维解释示意

3.2 微动勘探资料解释成果

本次微动勘探得到微动勘探成果剖面图30条线，100 m深度面波速度切片一张（见图4）。

图4 100m深度面波速度等值线平面

3.3 综合资料解释成果

本次所用两种地球物理勘探方法的成果，对地层（煤层）赋存的异常均有一定的反映，且各具特点。本次勘查采用了两种方法对比、深入研究、相互印证的综合解释方法。

3.3.1 不同探测方法的分析认识

本次利用两种方法的不同特点，对其处理结果进行综合分析研究和解释。其中：地层（主要煤层）的起伏形态及断层、陷落柱、采空区等异常在地震反射法的时间剖面上显示清晰可靠；采空区和陷落柱异常在微动面波速度剖面上与地震反射法的时间剖面上的显示基本吻合。

3.3.2 两种方法的追踪对比解释

首先作好每种勘探方法成果的解释，利用每种方法的不同的处理成果，各自完成对比、判定。

3.3.3 综合解释判定

受两种勘探方法本身原理和现场条件的限制，在同一地段不同勘探方法的效果不尽相同。将异常反映可靠、两种探测方法异常解释位置相吻合或相近的异常边界点为解释的主要依据，参考异常精度较低的边界点、单一勘探方法异常边界点，进行综合解释判定（见图5）。

图5 三维地震与微动勘探对比效果

本次地球物理勘探，三维地震勘探成果控制密度大（CDP网格为5m×10m），微动勘探成果控制密度相对较小（微动点网格为40m×80m），加之微动勘探存在较大误差，本次地球物理勘探综合解释原则是：① 构造形态解释的依据为三维勘探成果；② 断层解释的依据为三维勘探成果；③ 陷落柱解释的依据为三维勘探成果和微动勘探解释成果，其边界点的判定依据为三维地震勘探成果；④ 采空区解释的依据为三维勘探成果和微动勘探解释成果，其边界点的判定依据为三维地震勘探成果。

本次地球物理勘探，进一步查明了勘探区内地层的构造形态，查明次级褶曲7个；查出断层9条，均为正断层，其中查明落差大于等于5m 的断层8条（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9），控制可靠，查出落差小于5m 的1条（F8），控制可靠程度差；查明9＋10＃煤层陷落柱2个，其中长轴大于100m的1个（X1），长轴小于100m大于50m的1个（X2），均为控制可靠；查明9＋10＃煤层采空区11个，其中，控制可靠的7个（C2、C3、C5、C7、C8、C10、C11），控制较可靠的2个（C1、C6）控制程度较差的2个（C4、C9）。探测结果见图6。

图6 T9＋10煤层底板等高线平面

4 结语

1）为了查明影响晋牛矿矿井集约高效安全生产的地质、采空区、小窑巷道等因素，保证采区的合理划分和巷道掘进的安全生产，有必要开展三维地震勘探工作。

2）三维地震勘探成果资料的利用能够使生产变被动为主动，各项工作有序开展，掘进工作能按预期很好地完成。