霍西煤田整合矿井2#煤首采区三维地震物探技术研究及应用

王 飞

(世纪万安科技(北京)有限公司，北京 100029)

三维地震勘探技术从20世纪90年代推广应用以来，以其探测煤层构造和地质体精度高、工程周期短而被矿山企业所接受，专门应用于详细查明地质小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带等方面[1-3]。近年来我国煤矿采区高精度三维地震勘探技术取得突破性进展，已经可以查明H≥5m的断层，部分地震地质条件好的地区可基本查明落差3～5m的断层等[4-8]。为了查明霍西煤田整合煤矿2#煤首采区范围内的地质构造，为设计和生产提供地质依据，经矿方研究决定在首采区进行三维地震勘查工作。

1 工程概况

1.1 地震地质条件

霍西煤田试验矿井属资源整合重组矿井，地处黄土高原，属中低山丘陵地形，地貌类型以侵蚀的黄土塬、梁、峁为主，其次为黄土冲沟地貌。海拔高度在800～960m之间，最大相对高差160m。地势呈东高西低。区内沟谷十分发育，沟坡陡峭，大部地段为黄土覆盖；近年来退耕还林不断深入，果树和松柏在山坡上多有种植；总体上来看水土流失严重，属剥蚀区。

首采区煤层以山西组的2#煤层为主，位于山西组中上部，海拔标高在485～700m，煤层厚度平均约1.19m；结构简单，煤层顶板岩性以砂质泥岩为主，局部为砂岩或泥岩，底板岩性多为炭质泥岩或泥岩，局部为细砂岩；煤层与围岩波阻抗差异明显，存在良好的波阻抗界面，能产生能量强、特征突出、全区可连续追踪的反射波。

综合表浅层、深层地震地质条件，本区为地震地质条件复杂区。

1.2 技术难点

本区属黄土低山地貌，表层黄土厚度变化大、结构疏松、速度低、对地震波的吸收衰减严重，会导致高频成分衰减严重，面波、鸣震、多次波等强干扰发育，资料信噪比低等一系列问题。

1)交通条件不允许投入大型钻孔设备的情况下，如何选取有利的激发层位，保证在强吸收介质条件下激发出足够下传能量的地震波，获得一定信噪比的原始资料，是本次地震勘探首先要解决的难题。

2)勘探区北部村庄较多且连续，给激发带来了很大难度，勘探区内断坎较多，而且南部工厂厂房较多，给检波器的铺设带来一定难度。

3)勘探区内2#煤层埋藏较浅，选取合理的观测、接收参数，尽可能提高目的层段的有效覆盖次数是本次地震勘探要解决的另一个难题。

2 三维地震物探技术方案

2.1 勘探区域测线与测点布置

勘探区地层走向近南北，主要构造走向近南北，根据勘探区地质特征分析，本次勘探区域测线布设方向采用东西向，线号、点号由南向北由西向东依次变大，线束与线束重复5条接收线。

2.2 工程量设计

本次勘探区目标面积约1.9km2；共设计11束线，满覆盖面积约1.96km2，一次覆盖面积约2.82km2；设计生产物理点约1628炮。

2.3 工程量完成情况及质量评价

本次三维地震勘探完成工程放样测点17009个，其中，炮线37条，炮线长度39.22km，炮点1986个，检波线60条，检波线测线长度153.60km，检波点15023个；完成试验点位2处，试验物理点45个；共完成地震线束11束，获得生产物理点1649个，生产记录1649张，满24次覆盖面积约1.96km2。

试验物理点45个，全部合格；1649张生产记录，在现场项目组评价的基础上，监理也进行了评价，甲级记录878张，占53.24%，乙级771张，占46.76%；废品0个；合格率为100%。

3 试验方案现场施工

3.1 试验点的位置

在勘探区内选取了2处(S1、S2)比较有代表性的位置进行了点试验工作，试验物理点45个。其中，S1位于高坡地段，S2位于低洼地带，以便明确不同地形条件下激发与接收条件的区别，从而更有力地指导施工。

1)S1点：位于本勘探区中部，新生界厚度相对较大。该点地表高程为904.19m，2#煤层埋深约309m，标高约595m，煤厚1m左右，预计该处煤层反射波出现时窗为220ms左右。

2)S2点：位于本勘探区的东南部，属于低洼地带，该点地表高程为868.33m，2#煤层埋深约298m，标高570m，煤厚1m左右，预计该处煤层反射波出现时窗为212ms左右。

3.2 试验内容

针对第四系松散层、回填土地段，沟谷中沉积的近、现代冲洪积物、砾石层等条件下影响地震采集效果的激发岩性、方式、药量、井组合等以及接收参数等进行试验。共完成试验点2处，试验物理点45个。试验内容及工作量完成情况见表1。

4 地震地质成果分析

4.1 煤层底板形态、埋深及控制精度

2#煤层形态及其构造在平面上的展布特征如图1所示，地震控制的2#煤层底板等高线如图2所示，从图2分析可知，2#煤层的底板形态总体为一东倾近南北走向的单斜，地层倾角一般在10°左右，沿走向有明显的波状起伏，在平面上具有宽缓背斜向斜相间的特点。勘探区内煤层深度变化较大，煤层赋存最浅处位于勘探区西北部，底板标高为700m；最深处位于勘探区东南部，底板标高为485m。

图1 2#煤层形态及其构造在平面上的展布特征

图2 2#煤层底板等高线(m)

4.2 褶曲

勘探区内地层(煤层)总体为一东倾近南北走向的单斜；查明褶幅大于10m的宽缓背斜1个(Z1)，宽缓向斜1个(Z2)。

1)Z1背斜。位于勘探区的北部，勘探区控制轴长约1800m，最大褶幅约25m，背斜轴走向近东西，平面上呈“S”形展布，两翼地层较缓，倾角约3°～4°。

2)Z2向斜。位于勘探区的南部，勘探区控制轴长约1600m，最大褶幅约20m，向斜轴走向近东西，平面上呈“S”形展布，两翼地层较缓，倾角约3°～4°。

4.3 断层

地震勘探成果表明，区内构造较发育，比设计时的认识有所区别。区内的断层以北北东向为主，其次为近东西。

本次三维地震勘探共解释断层16条，均为正断层，14条为新发现断层，2条为已知断层，查明落差大于等于5m的断层11条(DF1、DF2、DF3、DF6、DF7、DF8、DF10、DF11、DF12、DF14、F17)；解释落差小于5m的断层5条(DF4、DF5、DF9、DF13、DF15)，断层控制情况见表2。

根据规范评价结果：控制程度可靠的断层10条，较可靠的断层3条，控制程度较差断层3条。

4.4 陷落柱

本次三维地震勘查数据体上未发现长轴直径大于40m、短轴直径大于30m的陷落柱。

4.5 煤层采空区的解释

图3 2#煤层采空区在时间剖面上的显示

2#煤层采空区在时间剖面上的显示如图3所示。由图3(a)可以看出，在勘探区东北角解释 2#煤层采空区两处，在时间剖面上的表现为波阻特征变化明显(有时反射波消失、有时振幅变弱)，该处采空区面积约为354013m2和9988m2。由图3(b)可以看出，在西北部发现采空区一处，在时间剖面上的表现为波阻异常(虽然反射波能量较强但形态异常，波形鼓起，有时相位反转)，该处采空区面积约为28835m2。

表2 断层控制情况

5 结 论

1)控制了勘探区内2#煤层埋藏深度和起伏变化，编制出基本等高距为5m的煤层底板等高线图。

2)基本查明勘探区内H≥5m断层的性质、延伸方向及范围，对落差在3～5m之间的断层断点特性进行了解释。

3)勘探区内未发现长轴直径大于40m、短轴大于30m的陷落柱。

4)查明了勘探区内褶幅大于10m的褶皱性质、延伸方向及范围；基本查明了勘探区内2#煤层采空区范围。