小保当煤矿首采区三维地质特征研究

杨 彪，李 杰，杨小勇，席义苗

（陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 719302）

0 引 言

煤田地质勘测作为矿井开采的关键，其准确性和透明化，极大的提高了现场生产的效率，同时有效预防了地质突发灾害的发生[1-3]。在矿井整体开采设计中，断层的出现往往使所有设计出现较大变化，同时上覆岩土层厚度一直是决定工作面支架选型的重要依据。因此，采用三维地震对断层和上覆岩土层勘探非常有必要。随着智慧矿山和智能化开采的日渐突破，透明地质已然成为矿井生产前期的探测手段，其中三维地震具有显著的勘探效果[4]。在三维地震勘探操作方法中主要采用炸药震源和非炸药震源2 种方法[5-6]。在探测时，采用激发震源的方法使地层中产生振动波，并通过控制震源深度采集相关参数，从而得到探测范围内地层信息[7-9]。随着矿井多煤层开采模式的产生，科学合理的掌握地层分布形态和断层地质构造特征成为亟需解决的难题[10-11]。因此，在矿井设计和开采阶段开展三维地震探测成为指导生产的关键方法之一，是预测现场不确定探测因素最直接的方法。

在上述研究的基础上，本文以陕北小保当煤矿一号井首采区作为研究背景，采用三维地震的方法对矿井首采区断层地质构造特征和上覆岩土层展开探测，并提出适应矿井开采特点的处理流程，为后续采区开采对断层预测提供更为透明化的三维地层参数。

1 勘探矿区三维地震地质特征

小保当煤矿一号井主采1-1、2-2、3-1、4-2和5-2煤层，煤层倾角较小，可视为近水平煤层。此次对首采区三维地特征开展勘探研究，勘探面积13.51 km2，如图1 所示。勘探研究区位于矿区西南部，上部赋存厚度为1 ～40 m 的风积沙，地形整体趋势为西部高东部低，地面标高1 198—13 460 m，相对高差148.60 m。风积沙下覆盖约40 m 的红土层，地震传播速度为900 ～2 000 m/s，可采集到较为理想地层数据。由于覆岩、煤层地震传播速度和密度存在差异性，能够产生较强的煤层反射波。煤系地层存在多层岩层和煤层，有利于对断层、褶皱、褶曲等地质构造特征的勘探，该区整体地震地质条件为一般区。

图1 三维地震勘探范围示意Fig.1 Scope of three-dimensional seismic exploration

2 基于特征值原理的三维地震相干体算法

地层赋存结构存在复杂性和特殊性，致使三维地震勘探技术需要处理大量不确定因素。特征值原理的相干算法采用协方差矩阵计算的方法对勘探区相关参数进行计算，能够有效排除探测过程中的噪声。其计算原理如下：

首先假设协方差矩阵C 的特征值为λi，其中i=（1,2,3...,I），具体计算公式见式（1） ～式（2）。

式中：C 为特征计算值；（p,q） 为视倾角对。

由上述算法可知，算法集中分析了地层中主成分，但实际地震中存在多种噪声，以该算法计算整体计算量较庞杂，计算结果较为准确。

3 三维地震勘探及数据分析方法

3.1 现场勘探方案及参数

现场三维地震勘探采用炸药作为震源触发单元，同一道引爆延时误差小于1 ms。由于勘探区平面形态、构造和煤层倾角等情况的差异性，采用10 线8 炮制线束状观测系统，线束方向为北西向，震源观测示意图如图2 所示。

图2 震源观测示意Fig.2 Seismic source observation

基于上述勘探方法，需设计现场施工相关参数和接收参数，对于地形复杂区域，需加强布置方案，实现全方位采集三维地震数据，从而指导现场后续生产，具体参数见表1。

表1 三维地震勘探参数设置Table 1 Parameter setting of threedimensional seismic exploration

3.2 三维地震参数分析方法及效果

由于研究区地表存在一定起伏，导致实测时曲线成为非规则曲线，造成勘探结果存在较大误差，无法反映地下真实构造形态。因此，需将激发和接收时地表条件变化引起的时差找出并校正，从而提高勘探精确度。在勘探数据校正的基础上，实测数据处理流程如图3 所示。

图3 数据处理流程Fig.3 Data process flow

通过图3 的数据处理方法，能够使勘探初值和双曲线更加光滑、连续，同现场实际地层条件更加切合。将校正前单炮监测图和校正后监测图对比可发现，后者能够更好地表征地质构造问题，如图4所示。

图4 校正前后的原始单炮对比图Fig.4 Original single shot comparison chart before and after correction

4 三维地震勘探结果分析

4.1 断层勘探结果分析

为了更好的阐述对断层地质构造特征勘探结构，选取具有代表性的断层在时间上的剖面图，反映断层的分布特征和形态。DF1、DF2 为2-2煤层断层，位于勘探区东南部，断层走向为NE，倾向分别为SE 和NE，倾角分别为50°和55°，剖面显示仅切割2-2煤层，落差分别为0 ～4 m 和0 ～3 m，区内延展长度约180 m 和120 m，属较差断层。DF6、DF9 为5-2煤层断层位于勘探区西南部，断层走向为NE，倾向分别为SE 和NW，倾角为50°，剖面显示仅切割5-2煤层，落差分别为0 ～4 m 和0 ～5 m，区内延展长度约115 m 和226 m，属较可靠断层，断层具体分布形态如图5 所示。

图5 断层分布特征及形态Fig.5 Distribution characteristics and morphology of faults

基于断层剖面特征和分布形态，将此次勘探结果汇总并分类。全区共勘探断层9 条，断层走向多为NNE 或NW，按照不同的标准对断层分类。

（1） 按断层性质分类。

该区共发现断层9 条，全部为正断层。

（2） 按可靠程度分类。

较可靠断层5 条，DF4、DF6、DF7、DF8、DF9；控制较差断层1 条，DF1；未评级断层3 条，DF3、DF5。

（3） 按断层落差大小分类。

断层落差≥5 m 的4 条分别为DF4、DF7、DF8、DF9；断层落差＜5 m 的5 条分别为DF1、DF2、DF3、DF5、DF6。

（4） 按照切割煤层情况进行分类。

切割2-2煤层的断层2 条分别为DF1、DF2；切割5-2煤层的断层7 条分别为DF3、DF4、DF5、DF6、DF7、DF8、DF9。

（5） 按照勘探前后进行分类。

勘探前未发现断层，勘探后新发现断层9 条。

将三维地震勘探结果与煤层底板等高线图共同绘制，可得断层具体分布层位和位置如图6 所示。

图6 断层层位及分布Fig.6 Stratum and distribution of faults

4.2 覆盖层厚度勘探结果分析

在矿井开采过程中工作面矿压显现一直是影响正常回采的主要因素之一，并以支架载荷的形式体现。通常支架载荷主要受到上覆岩土层厚度作用，故应对煤层上部岩土层厚度开展勘探作业。从图7可看出，2-2煤层覆盖层厚度在50 ～115 m 变化，勘探区内上覆岩土层厚度由东北向西南逐渐变厚，东南部覆盖层厚度最厚达到115 m。在首采区的东北侧地形起伏较明显，地形存在多次起伏现象，最大起伏量为32.65 m。首采区的西南侧地形整体平 缓，呈现递增趋势，最大起伏量为12.34 m。

图7 覆盖层厚度变化趋势Fig.7 Thickness variation trend of covering layer

由勘探结果可知，在该采区内布置工作面时，采区西南部应适当选取大支撑阻力的液压支架，同时应加强对该区域矿压的监测，防止产生突发灾害，造成压架等事故。对于覆盖层厚度较薄的区域应注意矿井涌水和漏风等问题，需加强以上区域的监测和管控。

5 结 论

（1） 针对小保当矿地质构造不明、勘探程度不足的难题，此次采用三维地震勘探技术对矿井首采区开展勘探，通过数据处理可知，该采区共计分布9 条断层，其中2-2煤2 条，5-2煤7 条，均为正断层，并将断层分布图与煤层底板等高线图相结合，确定了断层的层位和分布位置。

（2） 对2-2煤层上覆岩土覆盖层厚度勘探发现，覆盖层厚度在50 ～115 m，勘探区内上覆岩土层厚度由东北向西南逐渐变厚，东南部覆盖层厚度最厚达到115 m。

（3） 通过此次勘探，更加清楚的掌握了首采区断层和覆盖层厚度分布特征，利于现场工作面布置和支架型号的合理选取。