河南某煤矿地质特征及三维地震勘探应用

杨德根， 李君成， 张震润

（河南省煤田地质局物探测量队，河南 郑州450009）

1 地层及煤层特征

根据矿区钻孔揭露情况，区内地层为奥陶系、石炭系、二叠系及新生界地层。 本区二2煤层大部可采，三2 煤层局部可采，其余煤层除个别点外均不可采。

1.1 二2 煤层

二2 煤层位于山西组中部，层位稳定，下距K3灰岩标志层顶39.04 ～60.03 m，平均49.66 m；上距K4标志层底38.92～71.46 m，平均55.99 m。

二2 煤层全区分布，个别点被岩浆岩吞噬及少量不可采点外，全区大部可采。 本次施工的68 个钻孔，其中3 个钻孔煤层被岩浆岩吞噬，全区钻孔揭露见煤点以中厚煤层为主。 中部区域受岩浆岩影响造成煤层分叉、变薄、吞噬，煤类为天然焦或煤焦混合，故二2 煤层结构属简单类型，局部地段复杂。 局部地段受岩浆岩烘烤变质为天然焦［1］。

煤层直接底板多为稳定的厚层条带状细砂岩，部分地段相变为薄层泥岩或砂质泥岩，个别地段被侵入于煤层底板的闪长玢岩代替，矿区东部的局部地段含有泥岩或砂质泥岩伪底。

直接顶板岩性多为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，为稳定的顶板，部分地段有侵入于煤层顶板的岩浆岩，个别地段含有泥岩或砂质泥岩伪顶。

依据煤层顶、底板岩性分析，影响煤层厚度变化的因素主要是沼泽基底的沉降速度、后期构造运动和岩浆岩的侵入。 沼泽基底沉降速度快，沉积物来源不充分时，煤层厚度变薄；沼泽基底沉降速度和泥炭的堆积速度平衡时，煤层即增厚。 后期构造运动引起局部煤层厚度急剧变化，或造成煤层的断缺，岩浆岩穿插于煤层时使煤层分叉、变薄或吞噬，并使煤有焦化现象。

1.2 三2 煤层

三2 煤层赋存于下石盒子组中下部，层位比较稳定，下距K4标志层底13.60 ～53.30 m，平均23.97 m；上距K5标志层底23.63～73.96 m，平均43.56 m。

三2煤层分布形态与二2煤层整体基本一致，矿区的东北部及东南部区域形成了一定范围的可采区，中部及西部为薄煤区零星可采或沉积缺失。 施工的68 个钻孔有55 个钻孔见到了该煤层，其余地段相变为炭质泥岩或泥岩，其中25 个为可采点，30个不可采，属局部可采煤层。 可采见煤点以薄煤层为主，在见三2煤的55 个钻孔中，仅有7 个钻孔见煤点含有1 ～2 层夹矸， 岩性为泥岩及炭质泥岩。ZK0903 钻孔夹矸增厚为1.37 m，使三2煤层分叉为煤层。 另有部分见煤点因后期岩浆岩侵入致使煤层分叉，煤类变为天然焦，故三2煤层结构一般简单，局部复杂。 三2煤层稳定程度确定为不稳定～较稳定型。

煤层底板和顶板多为泥岩、砂质泥岩，少数为粉砂岩和岩浆岩，极个别钻孔含有泥岩或炭质泥岩的伪顶和伪底。 影响煤层厚度变化的原因基本上与二2煤层相似。

综上所述，二2煤层为全区大部可采、结构简单局部复杂、属于较稳定的中厚煤层，三2煤层为局部可采、结构简单局部复杂、不稳定～较稳定的薄煤层。

2 构造特征

本区在大地构造位置上位于中朝淮地台鲁西台隆西缘的次级构造单元永城断陷褶皱带内，矿区位于永城隐伏复式背斜的西翼，构造形态与区域构造一致。 矿区内煤层构造比较发育，主要表现为断层密度大，褶曲及小的波状起伏也较多。 断层展布方向以NNE 和近SN 向为主，其次为EW，少数为NW向。 区内有5 个形态比较宽缓的褶曲［2］。 断层均为正断层，落差变化较大，大者近70 m，小者仅2 m 左右，落差以5 ～10 m 为主，也存在不仅错断二2、三2煤层，而且也错断灰岩及新生界地层的断层。 本区共解释断层274 条（ 其中单独错断三2 煤的有69条），断层密度平均为22.7 条／ 平方公里。 按断层性质分正断层273 条，逆断层1 条。

3 岩浆岩及天然焦的分布范围

3.1 岩浆岩与天然焦的关系

通过研究本区钻探资料发现，在岩浆岩体侵入的部位及其周围，煤层均被吞蚀或烤变为天然焦、半天然焦，因此，天然焦的分布范围与岩浆岩体的分布范围关系密切。 煤的焦化程度与岩浆岩的厚度也密切相关，岩浆侵入的煤层，有的全层焦化，有的半煤半焦，有的岩体居中、上下为天然焦。 根据对比分析，岩体及其上、下天然焦均为煤层位置，可以认为岩体吞蚀了煤的一部分，使残留的顶、底煤或岩体间的夹煤变为天然焦。 例如ZK0606 孔二2煤焦变为0.62 m 的天然焦，顶部6.26 m 的辉绿岩（代替了原来的煤层）。 由此说明，由于岩浆热接触变质作用使贴近岩体处的煤被吞蚀或变质为天然焦，略远处则影响较小，岩浆体的范围与天然焦的范围大体相当。 根据钻孔资料，矿区内所见岩浆岩为辉绿岩、闪长岩或煌斑岩。

3.2 岩浆侵入通道及形成时代

据区域地质资料，本矿井岩浆侵入时期为华力西期和燕山早、晚期。 从钻孔揭露断层情况看，断层上下盘岩浆岩分布不一致，有的断层一盘有岩浆岩，另一盘则无岩浆岩，可视为岩浆顺断层一盘侵入煤系地层，即岩浆侵入时期比构造形成时期晚。 断层破碎带及软弱层为岩浆通道。 岩浆的侵入与断裂构造及煤层有着密切关系，断层是深部岩浆上侵的通道，它控制着附近区域岩浆侵入的速度和规模，最终在断层带形成岩墙；煤层是岩浆通过断层后的次级通道，由于其相对松软，比较容易发生塑性流变，为岩浆的侵入提供了便利条件，岩浆沿断层上涌后呈席状侵入吞蚀煤层或部分侵入煤层或使煤层发生焦变［3］。 岩浆岩成分的复杂性说明岩浆入侵存在着多期性的可能。

3.3 本次对区内岩浆岩及天然焦分布范围的解释

利用地震资料对岩浆岩分布范围进行解释，国内外许多学者对这方面的研究取得了一定成果。 本次在利用这些研究成果的基础上制定了如下流程：

3.3.1 常规解释

随着地球物理勘查技术的进步以及解译理论的不断优化，初步建立了在时间剖面上识别侵入岩的解译标志：

（1）在岩浆岩侵入体的主体部位，没有连续性好的反射波同相轴，多为一些杂乱无序的波，或者形成有一定面积的、不规则形态的、相对能量较弱的空白区，同相轴变弱或者同相轴消失，在平面上表现为条带状分布；

（2）在岩浆岩侵入体边界附近反射波组明显中断，叠加剖面上常常见到绕射波现象；

（3）在岩浆岩侵入体部位能量较弱，可以见到不连续的反射波同相轴段，在侵入体边界部位波组层呈弓形；

（4）当岩浆岩侵入煤系地层时，会出现楔形或串珠状，使沉积岩中的反射波组结构上下产生不协调现象；

（5）当岩浆岩侵入体规模较大时，在岩体顶部或底部有时可见到较强的反射波同相轴段；

（6） 当岩浆岩侵入体沿沉积地层界面顺层侵入，形成较稳定层状，其厚度不大，并与沉积地层呈互层状态时，反射波呈多个平行相位出现，与单纯的沉积岩互层时出现的反射波类似。

3.3.2 利用地震物理属性技术

岩浆岩的侵入会对反射波的振幅、频率等有关属性造成一定的影响，因此可提取有关属性进行解释。 同时，为了提高解译的准确性，可结合钻孔揭露情况综合分析，即包括单一属性解译和多种属性综合解译两种方法。

3.3.3 进行波阻抗反演

因为岩浆岩的侵入会使岩层的波阻抗发生变化，有岩浆岩侵入的煤层与无浆岩侵入的煤层必定有较大的波阻抗差异。

综合利用上述方法结合钻孔资料，圈定了矿区内岩浆岩及天然焦分布范围。 矿区西北部二2 煤层有一区域被岩浆侵入变为天然焦，面积约2.11 km2，见图1，而矿区内三2 煤层焦变区域有两块，累计面积约有1.7 km2，见图2。

4 对煤层厚度变化趋势的解释

图2 三2 煤层天然焦的分布范围

本次勘探也对二2、三2 煤层厚度变化趋势进行了解释，使用的方法是波形振幅法。 波形振幅方法是利用地震反射波的波形特征和振幅信息与煤厚的相关性来进行煤层厚度横向预测。 煤层反射波振幅与煤层厚度存在着对应关系，通过统计可以得到二者的关系曲线，利用该关系可进行煤层厚度解释。虽然在理论上地震反射波振幅与煤层厚度呈准线性关系，但因受激发因素、传播路径差异、接收因素及数据处理等因素的影响，导致在时间剖面上反射波振幅或能量变化状况不能准确地反映出煤层厚度的变化规律。 本次利用地震反射波的振幅进行正演模拟和反演解释，另外，煤层厚度的变化不但会对反射波的振幅有影响，而且对频率等有关属性也造成一定的影响，因此可提取有关属性进行解释。 本次采用多种属性综合解释，并结合钻孔揭露的情况对煤层厚度进行解释。

5 结论

综上所述，在对二2、三2 煤层厚度变化规律分析的基础上，根据二2、三2煤层厚度变化趋势可以得出，二2 煤层厚度变化较大；根据煤层厚度变化复杂程度认为二2 煤层较稳定。 二2 煤层厚度介于0～6.5 m 之间，一般超过2 m。 三2 煤层厚度介于0 ～2.5 m 之间，一般小于1 m，大部分区域为不可采的薄无煤带，且有火成岩侵入的焦变区，因此矿区内三2 煤层没有开采价值。