二维地震技术在豫北内黄煤矿勘查中的研究与应用

蔡兰花，袁 燕

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000)

煤矿是豫北安阳地区重要的优质矿产资源，为进一步做好煤炭建设远景规划，需对此区煤炭资源的经济意义及开发建设可行性进行评价。豫北内黄煤矿位于华北板块内西南端内黄隆起与东明凹陷交汇北部，地质构造复杂，断层较发育[1]，煤矿勘查评价难度较大。二维地震勘探技术[2-9]所连续获取地质剖面形态，与少量的验证钻探相结合，用以大致查明地层、构造等情况，对煤层进行快速、高效的评价。据此，在内黄煤矿采取二维地震勘探方法，对煤矿资源进行评价，为该区矿产资源规划提供详细依据。

1 地质概况及地震条件

研究区地层分区属华北地层大区，晋冀鲁豫地层区，华北平原地层分区豫北小区。由前寒武系、寒武系、奥陶系构成基底，古生界石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系为之上盖层[10]。区内第四系全覆盖。新生界厚度一般在千米以上至数千米。其中，煤层主要赋存与石炭系与二叠系地层中。根据地震成果显示：研究区内解释A级断点45个，B级断点22个，C级断点3个，根据断点情况，在平面上组合断层16条。其中，10条可靠断层、4条较可靠断层、2条控制程度较差断层。该区全部为第四系掩盖区，北区潜水位深度在12～20 m，浅部岩性主要是砂、黏土[11]，总体浅层地震地质条件比较有利[12]，但是个别地段浅部有流砂层，对于爆炸成孔和地震激发有影响。区内村镇、蔬菜大棚等地面障碍物较多，也给施工造成了一定的困难。本区新生界厚度大，导致高频波衰减严重。总体地震地质条件一般。

2 地层含煤性及主煤层特征

2.1 地层含煤性

依据区内已施工钻孔，本区含煤地层为石炭系和二叠系下统山西组、下统下石盒子组地层。

(1)二叠系(P)下统(P1)。①下石盒子组(P1x)。厚度为38.48～307.88 m，均厚为194.97 m；主要岩性：下部由砂岩、砂质泥岩、泥岩及薄煤层组成，中部粗粒砂岩、粉砂岩及泥岩夹煤线，上部为泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主及灰色厚层中粒砂岩，含薄煤层；煤段为六煤段、五煤段、四煤段、三煤段。②山西组(P1s)。厚度为90.25～107.02 m，均厚为101.21 m；主要岩性：深灰色粉砂质泥岩及条带砂岩夹煤层，含菱铁质；灰—灰白色细—中粒砂岩夹粉砂岩，层面具大量炭质及白云母碎片；香炭砂岩，灰绿色粉砂岩、小紫斑泥岩；煤段为二煤段。

(2)石炭系(C)上统(C2)。①太原组(C2t)。均厚为119.96 m；主要岩性：下部深—深灰色石灰岩(L1—L4)、含有煤线，中部深灰色砂泥岩段夹灰岩(L5—L7)、含煤线，上部石灰岩(L8—L9)夹细粒砂岩、粉砂岩、硅质泥岩、夹薄煤线；煤段为一煤段。②本溪组(C2b)。均厚为23.12 m；主要岩性：下部为灰—浅灰绿色铝土质泥岩，含铁质鲕粒；上部为灰—深灰色砂质泥岩及泥岩，中间偶夹1～2层薄层泥灰岩。含猫眼鳞木化石，为下伏奥陶系呈平行不整合接触；煤段为零煤段。

2.2 主要煤层特征

二1煤层赋存于山西组下部，为主可采煤层，厚度大、稳定。北东向展布，倾向南东。F5断层以西总体走向北东，倾向南东，倾角4°～12°，煤层标高-1 400～-5 050 m，埋深1 450～5 100 m；F5断层以东有5个钻孔控制，东西宽约14 km，南北长约25 km，总体走向北东，倾向南东，倾角3°～11°，埋深1 000～3 300 m，底板标高-950～-3 250 m。二1煤层(含夹矸)厚度为2.19～9.04 m，平均4.53 m，属中厚—厚煤层，厚度变化系数为69.3%；不含夹矸厚度为1.97～8.40 m，平均厚4.06 m，厚度变化系数为70.4%。厚煤点(>3.50 m)2个，占40%，中厚煤点(1.31～3.50 m)3个占60%。

3 资料采集与处理解释

3.1 野外资料采集

试验工作是正确选择数据采集参数的前提，是获得能量强、连续性好的目的层反射波的基础工作[13]。通过试验工作(图1)，选取的最佳采集参数见表1、数据采集参数见表2。

表1 最佳采集参数Tab.1 Best collection parameter

表2 研究区野外数据采集参数Tab.2 Field data acquisition parameters in the study area

图1 试验段剖面Fig.1 Test section profile

3.2 资料处理与解释

资料处理流程如图2所示。在数据解释之前，需要首先收集区内以往地震、钻孔资料，选取部分煤钻孔做人工合成地震记录，标定地震剖面的层位、速度[14-15]，后依据“交点闭合”原则，做地震剖面追踪对比。

图2 研究区资料处理流程Fig.2 Data processing flow in the study area

时间剖面需要转换成深度剖面，以获取正确的地层速度，提高解释精度[16-19]。由速度谱可以看出，研究区内垂向速度大致分为2层，第1层速度为2 100～2 200 m/s；第2层大致为3 300 m/s。结合钻探资料，确定时深转换用如下速度：新生界底界面的反射波(T0波)采用2 100 m/s；二1煤层底板反射波(T2波)采用3 600 m/s。

4 地质成果

4.1 新生界厚度

研究区新生界与下伏岩层呈角度不整合关系，与下伏地层的波阻抗差异较大，可以形成较强的反射波(T0波)，容易连续追踪[20]。同时，区内多个钻孔均揭露了新生界底界面，为确定新生界底界面提供了可靠依据。区内新生界厚度1 150～1 500 m，整体变化较小，大部分厚度为1 200～1 400 m，西部厚度相对较薄，大致在1 200 m，东部较厚，在1 400 m左右，局部受到断层及老地层的影响，厚度变化较大；在研究区中西部新生界地层呈现一个凹陷形态，中心厚度约为1 500 m，如图3所示。

图3 研究区新生界埋深等值线Fig.3 Buried depth contours of Cenozoic in the study area

4.2 二1煤层底板形态

研究区内二1煤层底板整体呈单斜形态，走向北东，倾向南东，地层倾角大体在4°～15°，研究区内构造复杂，发育有多条断层，研究区内含煤地层被多组北东向断层分割为多个断块，同时局部发育有多条北西向次级断层，如图4所示。

由图4可知，断层F2和F3，二1煤层底板标高在-3 000～-5 000 m，呈向斜形态，由于受断层影响，导致向斜两翼地层倾角不对称。其中，北翼倾角较陡，约为15°，南翼倾角较缓，约为10°。断层F3和F4，二1煤层底板标高在-1 400～-2 650 m。其中，DZ132测线以南，二1煤层呈现褶皱形态，由1个背斜和1个向斜组成，其中背斜轴为南东向，两翼倾角大体一致，约为5°；向斜轴近东西向，两翼倾角大体在6°～10°。断层F4和F5，二1煤层底板标高在-1 500～-2 200 m，其为一单斜，走向北东向，倾向南东，北部有二1煤层隐伏露头线，二1煤层倾角约为4°。断层F5和F8，二1煤层底板标高在-1 200～-2 700 m，大体为单斜形态，走向北东向，倾向南东，地层倾角在4°～9°，该区域发育有多组北西向断层，对煤层赋存影响较大，多处煤层受到剥蚀，并形成隐伏露头线。

图4 研究区二1煤层底板埋深等值线Fig.4 Buried depth contours of Ⅱ1 coal seam floor in the study area

4.3 二1煤层分布范围

二1煤层是此次研究的主要目的层，赋存于山西组中下部，大部分区域层位稳定，局部地段受到断层或剥蚀作用影响，煤层变薄或者缺失。区内二1煤层底板埋深2 000 m以浅的面积约232.22 km2，其中，埋深1 500 m以浅的面积约为29.33 km2，埋深1 500～2 000 m的面积约为202.89 km2。

4.4 断层

研究区内共解释断点70个，组合断层16条，其中F1、F2、F3、F3-1、F4、F4-1、F5、F6、F7、F8、F9断层为概查阶段解释断层，根据普查工作成果对F4、F4-1、F5、F6、F7、F8断层进行了重新解释，其形态和可靠性均有了进一步的控制；F4-2、F10、F11、F12、F13断层为普查阶段新发现断层。研究区内断层由北向南、由西向东分别描述如下。

(1)F1断层。下降盘二1煤层反射波显示较明显，上升盘二1煤层波组反射不清晰。该断层走向由南北向转至北东向，倾向由东转至南东，南端与F9断层交汇，北端向区外延伸，该断点落差大于400 m，倾角50°～55°。该断层在区内延伸18 100 m，有2条测线控制，断点评级为2B，故F1断层为较可靠断层，断层性质为正断层。

(2)F2断层。该断层走向由南北向转至北东向，倾向由东转至南东，南端与F9断层交汇，北端向区外延伸，落差200～2 000 m，倾角55°～62°。该断层区内延伸16 100 m，有2条测线控制，断点评级为1A+1B，故F2断层为可靠断层，断层性质为正断层。

(3)F3断层。该断层倾向西，北段走向近南北向，向区外延伸，南段走向转为北北东向与F9交汇。落差2 000～3 000 m，倾角46°～52°。该断层区内全长36 000 m，有4条测线控制，断点评级为1A+3B，故F3断层为较可靠断层，断层性质为正断层。

(4)F3-1断层。该断层在DZ128线剖面桩号4800处T2波组显示有320 ms的错断，该错断较为明显。该断层倾向北西，走向北东向，北端与F3交汇。落差50～620 m，倾角55°左右。该断层区内全长为9 800 m，有1条测线控制，断点评级为1A，故F3-1断层为控制程度较差断层，断层性质为正断层。

(4)F4-1断层。该断层倾向西，走向为近南北向，落差80～300 m，倾角62°～72°。该断层全长为7 300 m，有2条测线控制，断点评级为2A，故F4-1断层为可靠断层，断层性质为正断层。

(5)F4断层。该断层倾向南东，走向为北东，落差200～900 m，倾角45°～68°。该断层全长30 200 m，有6条测线控制，断点评级为3A+2B+1C，故F4断层为可靠断层，断层性质为正断层。

(6)F4-2断层。该断层位于断层F4和F5，倾向北，走向为近东西向，落差210～320 m，倾角43°～54°。该断层全长7 600 m，有2条测线控制，断点评级为2A，故F4-2断层为可靠断层，断层性质为正断层。

(7)F5断层。DZ130线上F5断层显示如图5所示。该断层位于研究区中部，断层倾向北，走向东西转北东向，断层西端无测线控制，落差100～800 m，倾角22°～65°，在DZ140、DZ143和DZ144线上下降盘的二1煤层反射波显示较明显，在上升盘二1煤层剥蚀。该断层在区内全长31 800 m，有8条测线控制，断点评级为6A+2B，故F5断层为可靠断层，断层性质为正断层。

图5 DZ130线上F5断层的显示Fig.5 Display of the F5 fault on the DZ130 line

(8)F6断层。该断层倾向南东，走向为北东向，落差80～200 m，倾角62°～65°。该断层全长1 500 m，研究区内有2条测线控制，断点评级为2A，故F6断层为可靠断层，断层性质为正断层。

(9)F7断层。该断层位于F5断层和F8断层，走向由北东向，倾向南东，落差100～740m，倾角27°～66°。该断层区内全长15 700 m，研究区内有9条测线控制，断点评级为6A+3B，F7断层为可靠正断层。

(10)F8断层。该断层位于工区的西南部，倾向为南东向转北东向，走向为北东向转北西向，落差300～1 500 m，倾角37°～63°。该断层全长53 200 m，有10条测线控制，断点评级为7A+2B+1C，故F8断层为较可靠断层，断层性质为正断层。

(11)F9断层。该断层倾向北，走向近东西向，落差大于150 m，倾角45°。该断层区内全长18 000 m。可见二1煤层反射波呈现明显的错动，波组错动后，下降盘二1煤层反射波显示较明显，上升盘二1煤层发生剥蚀。区内仅有1条测线控制，由于测线控制较少，故F9断层为控制程度较差断层，断层性质为正断层。

(12)F10断层。该断层走向近东西向，倾向近北，落差40～80 m，倾角55°～68°。该断层被F7断层错断，全长为4 300 m，在F7断层以北，煤层上盘发生剥蚀。区内有3条测线控制，断点评级为2A+1B，故F10断层为可靠断层，断层性质为正断层。

(13)F11断层。该断层走向近东西向，倾向近北，落差70～240 m，倾角20°～43°。该断层全长为7 500 m，该断层被F7断层错断，在F7断层以北，煤层上盘发生剥蚀，与F10断层形成一个无煤区。区内有3条测线控制，断点评级为1A+2B，故F11断层为较可靠断层，断层性质为正断层。

(14)F12断层。该断层走向南东向，倾向南西，落差30～190 m，倾角35°～53°。该断层被F7断层错断，全长为10 100 m，在F7断层以北，煤层上盘发生剥蚀，与F11断层形成1个地垒，局部煤层底板埋藏深度较浅，标高在-1 300～-1 650 m。区内有7条测线控制，断点评级为4A+2B+1C，故F12断层为可靠断层，断层性质为正断层。

(15)F13断层。该断层位于研究区东南部，走向近北西向，倾向北东，落差100～150 m，倾角38°～52°。该断层全长2 900 m。区内有2条测线控制，断点评级为2A，故F11断层为可靠断层，断层性质为正断层。

4.5 钻孔优化建议

选择反射波连续性好、信噪比高的目的层所在地段进行钻孔优化。按一定网度布设，并避开村庄等障碍，依据此对该区设计钻孔进行了优化。部分钻孔施工结束后，及时根据钻探结果对地震工作成果进行了校正。以ZK13602图示说明，孔经优化后，其位于DZ136线桩号为24845处，优化后的钻孔，预测新生界底界深度为1 220 m，二1煤底板深度为1 405 m，终孔深度为1 455 m，终孔层位为C2t，优化后钻孔在时间剖面上的显示如图6所示。

图6 优化后ZK13602钻孔在时间剖面上的显示Fig.6 Display diagram of ZK13602 borehole on the time profile after optimization

5 结论

豫北地区内黄煤矿构造复杂，通过二维地震连续剖面圈定含煤地层有利分布区。经钻探验证，取得较好效果，取得以下成果。

(1)初步查明新生界覆盖层的厚度，局部受到断层及老地层的影响，厚度变化较大。

(2)初步查明区内煤系地层基本构造轮廓：二1煤层底板整体呈单斜形态，走向北东，倾向南东，地层倾角大体在4°～15°，研究区内构造复杂，发育有多条断层，研究区内含煤地层被多组北东向断层分割为多个断块，同时局部发育有多条北西向次级断层。研究区内共解释断点70个，组合断层16条，工作区构造程度属复杂。初步控制主要煤层的隐伏露头位置。

(3)了解主要煤层的分布范围。区内大部分区域层位稳定，局部地段受到断层或剥蚀作用影响，煤层变薄或者缺失。二1煤底板埋深2 000 m以浅的面积共有232.22 km2，资源潜力巨大。