郭 恒，王 鵬，張振勇

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

2009年山西省煤炭資源整合煤礦兼并重組開始[1]，臨汾市整合了許多地方小煤窯資源。由于大多數(shù)小煤窯多屬于無規(guī)劃開采，遺留開采區(qū)域不詳，礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造分布及含導水性不詳，甚至對于煤層的起伏形態(tài)和頂?shù)装宓母凰闆r多無從查詢，其中構(gòu)造的位置和老空區(qū)內(nèi)的積水成為附近區(qū)域及鄰近煤層開采的重大安全隱患；此外煤層頂?shù)装逅σ约暗乇硭σ彩窃搮^(qū)域安全隱患之一。因此，查清井田內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造分布、采空區(qū)及積水區(qū)、上覆含水層富水區(qū)等情況己成為亟待解決的煤炭地質(zhì)水文問題[2-3]。目前采用三維地震法和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探技術(shù)解決煤炭地質(zhì)水文問題是通常的選擇[4-6]。三維地震勘探技術(shù)優(yōu)勢在于周期短、精度高[7-8]，地層的構(gòu)造形態(tài)及斷層等均可直接或間接地反映出來。瞬變電磁勘探以其對低阻含水體敏感、體積效應(yīng)小、分辨能力強、工作效率高等特點，在采空區(qū)及積水范圍的勘探中廣泛應(yīng)用[9-10]。本文采用上述綜合物探技術(shù)，對臨汾地區(qū)某礦計劃開采區(qū)域進行煤礦地質(zhì)水文勘探，以便于礦井設(shè)計、建設(shè)和安全生產(chǎn)。通過物探資料的綜合解釋和后期鉆孔驗證，查明了勘查區(qū)內(nèi)煤礦水文地質(zhì)情況，為礦井安全回采提供了保障。

1 勘查區(qū)概況及地球物理特征

1.1 勘查區(qū)概況

測區(qū)位于山西臨汾地區(qū)某國家規(guī)劃礦區(qū)。新生界黃土主要覆蓋在梁坡上，基巖在溝谷局部出露。地層由老到新分別是奧陶系峰峰組、石炭系太原組、二疊系山西組、新近系及第四系。礦區(qū)內(nèi)主要可采煤層有2號和10號煤層，其中2號煤層位于山西組上部，平均4.19m，該煤層為中厚煤層，厚度變化較小，屬全區(qū)穩(wěn)定的大部可采煤層。礦區(qū)內(nèi)有1條落差30m的逆斷層，9條落差在10m及以上正斷層，26條落差在1.2～5m的小斷層。該區(qū)構(gòu)造復雜程度總體上屬中等。礦區(qū)內(nèi)共發(fā)育已知小窯破壞區(qū)8個，本次勘探區(qū)在南部邊界附近發(fā)育有4個，存在采空區(qū)。為查明測區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)積水及富水區(qū)分布情況，為煤礦設(shè)計和安全生產(chǎn)提供地質(zhì)保障，需要在測區(qū)開展三維地震和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探工作。

1.2 地球物理特征

1.2.1 地震地質(zhì)條件

(1)表淺層地震地質(zhì)條件 勘探區(qū)屬黃土塬地區(qū)，溝谷發(fā)育，地形較差，給地震波的激發(fā)和接收帶來很大影響；區(qū)內(nèi)道路較少，且有的道路坡度較大，增加了施工難度；區(qū)內(nèi)地表既有黃土覆蓋區(qū)，又有基巖出露區(qū)，表淺層低降速帶厚度極不均勻，本區(qū)的表淺層地震地質(zhì)條件復雜。

(2)中深層地震地質(zhì)條件 從已知鉆孔揭露情況可知，本區(qū)石炭、二疊含煤地層沉積穩(wěn)定，巖性組合及地球物理性質(zhì)規(guī)律較穩(wěn)定。主要目的煤層2號煤層響應(yīng)特征明顯，密度等物性差異明顯，具備形成良好反射波的條件。但是由于煤層埋深淺，煤層反射波易受到面波、聲波等干擾，因此本區(qū)中深層地震地質(zhì)條件一般。

綜合來看本區(qū)地震地質(zhì)條件復雜。

1.2.2 勘探區(qū)地質(zhì)電性條件

電阻率差異是進行電法勘探的基礎(chǔ)。結(jié)合鉆孔地質(zhì)信息可知，淺層主要為第四系、新近系地層，為高電阻率反映；中部為二疊系上、下石盒子組地層，砂、泥巖含量較高，為低電阻率反映；中深部為石炭～二疊系地層，為主要的含煤地層，為中、高電阻率反映；深部為煤系基底、奧灰層位，為高電阻率反映。當巖層相對富水及存在含水裂隙、含水斷層破碎帶等構(gòu)造(即地質(zhì)異常體)時，地質(zhì)異常體及其附近電性分布將發(fā)生明顯變化而引起異常，與含水、充水性有關(guān)的一般是低阻異常。這就是利用瞬變電磁法進行探測富水區(qū)和構(gòu)造含水性的電性條件。

2 現(xiàn)場施工布置

2.1 三維地震法

三維地震勘探采用加拿大Aries數(shù)字地震儀， 10線5炮制規(guī)則的觀測系統(tǒng)。根據(jù)線束方向盡量垂直地層走向和主要構(gòu)造走向的原則進行布置。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁勘探采用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電磁法探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具抗干擾能力強、測量動態(tài)范圍大、體積小、功率大、施工方便及測量精度高等特點，是當前國際上最先進的電磁法探測系統(tǒng)之一。測線布置與三維地震一致，采用中心回線裝置。

3 資料處理

3.1 三維地震資料處理

通過對原始資料分析，對處理的難點采取了正確有針對性的處理手段，采用了初至折射靜校正、噪聲衰減、地表一致性反褶積、精細速度分析、剩余靜校正、三維一步法偏移等技術(shù)，最大限度地提高了資料的分辨率和信噪比，剖面質(zhì)量有了明顯的提高，最終處理的剖面歸位準確，目的層連續(xù)性較好，得到了品質(zhì)較好的三維數(shù)據(jù)體。

地震勘探資料解釋使用GeoFrame 4.5三維解釋系統(tǒng)，對高分辨率偏移數(shù)據(jù)體進行解釋。解釋過程中采用工作站解釋和人工解釋相結(jié)合，時間剖面、水平切片、面塊切片解釋相結(jié)合的思路和流程。在地震時間剖面上，解釋斷點的依據(jù)為反射波(波組)同相軸的錯斷、扭曲及產(chǎn)狀突變等(圖1、圖2)。將斷點組合為斷層的依據(jù)是：相鄰地震時間剖面上的斷點顯示特征和性質(zhì)一致；相鄰斷點落差接近或有規(guī)律變化，追蹤和組合的斷層符合區(qū)內(nèi)的構(gòu)造規(guī)律。本次三維地震勘探發(fā)現(xiàn)小窯破壞區(qū)，在地震時間剖面上表現(xiàn)為同相軸消失或凌亂(圖3)。

圖1 斷層錯斷在地震時間剖面上的反映

圖2 斷層扭曲在地震時間剖面上的反映

圖3 南部小窯破壞區(qū)在時間剖面上的反映

3.2 瞬變電磁法資料處理

瞬變電磁法資料處理前，首先對原始數(shù)據(jù)逐點進行整理或預(yù)處理，即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除不合格數(shù)據(jù)，并對其進行編錄，整理成專用數(shù)據(jù)處理軟件所需要的順序和格式，再對數(shù)據(jù)進行濾波，以濾除或壓制干擾信號，恢復信號應(yīng)有的變化規(guī)律，突出地質(zhì)信息，再利用專用軟件轉(zhuǎn)換得到視電阻率和視深度等參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合有關(guān)測量、地質(zhì)和鉆探等資料做進一步分析處理；最后，將所得數(shù)據(jù)以平面等值線的形式繪制成圖。

一般情況下，當正常地層中含水時，其電阻率值較不含水時偏低，含水性越強，其電阻率值越低。瞬變電磁法勘探用于解釋的參數(shù)即是與導電性

密切相關(guān)的視電阻率，該物性基本上可以反映地層的電性變化情況。

依據(jù)本次瞬變電磁法勘探工作的地質(zhì)任務(wù)和目的，繪制了測區(qū)內(nèi)所有測線的視電阻率擬斷面圖。圖4為87測線方向上的視電阻率—深度斷面圖，右上方示意圖中黑色實線代表測區(qū)的邊界，黑色虛線代表87測線在測區(qū)中的相對位置，根據(jù)鉆孔、地震資料，在斷面圖中標識了2號煤、10號煤的相對位置。垂向上，隨著深度的增加視電阻率值由低到高變化，與實際地層的電性特征吻合。淺部相對低阻層與上、下石盒子組地層相對應(yīng)，中部相對高阻層與含煤地層相對應(yīng)，深部高阻層與奧陶系灰?guī)r層相對應(yīng)。橫向上，在煤層及其下伏地層，隨著點號的增加，視電阻率整體呈升高的趨勢，等值線與煤層有一定的交叉現(xiàn)象。煤層附近，68～98號測點之間存在相對低阻異常區(qū)，結(jié)合平面圖，命名為2號異常區(qū)。根據(jù)收集的資料可知，該異常區(qū)與已知采空破壞區(qū)相對應(yīng)，同時68～74號點位于原小煤窯的2號煤軌道大巷、回風大巷附近。結(jié)合地震資料，落差5～28m的F131斷層在80號點附近穿過，落差0～7m的F138斷層在90號點附近穿過。整體看，該異常區(qū)受采空破壞區(qū)、巷道及斷層的影響，地層較為破碎、裂隙較為發(fā)育并相對含水所致。

圖4 87測線視電阻率斷面

圖5為207測線方向上的視電阻率—深度斷面圖，右上方示意圖中黑色實線代表測區(qū)的邊界，黑色虛線代表207線在測區(qū)中的相對位置，根據(jù)鉆孔、地震資料，在斷面圖中標識了2號煤、10號煤的相對位置。垂向上，隨著深度的增加視電阻率值由低到高變化，與實際地層電性特征吻合。橫向上在斷面圖的左、右兩側(cè)各發(fā)現(xiàn)一處相對低阻異常區(qū)，命名為5號、6號異常區(qū)。5號異常區(qū)位于122點附近，異常范圍較小、幅值較弱。異常區(qū)附近有F131斷層，且該處煤層埋藏較淺，易接受大氣降水的補給，推斷異常區(qū)因斷層附近地層裂隙較發(fā)育且相對含水所致。6號異常區(qū)在2號煤以淺的地層中反映明顯，10號煤、奧灰頂界面附近異常不明顯，與151，163測線區(qū)別較大。由采掘圖可知，40～52號測點對應(yīng)12上01工作面采空積水區(qū)的位置，同時該異常區(qū)基本處在S2向斜的軸部，推斷異常區(qū)主要為采空積水區(qū)及頂板砂巖相對含水所致，10號煤、奧灰層位地層正常。

圖5 207測線視電阻率斷面

4 綜合推斷成果

通過三維地震勘探基本查明了勘探區(qū)內(nèi)2號煤層的構(gòu)造形態(tài)及煤層底板起伏形態(tài)和區(qū)內(nèi)落差大于5m的斷層；發(fā)現(xiàn)小窯破壞區(qū)兩處。通過瞬變電磁法勘探，對地震解釋的小窯破壞區(qū)的范圍和積水情況進一步確認和細化，同時對2號煤層頂板富水區(qū)進行了推斷(圖6)。比較豐富的水文地質(zhì)成果為礦井開拓、采區(qū)設(shè)計提供了地質(zhì)依據(jù)。其中2號采空積水區(qū)在礦方后期打鉆驗證中，發(fā)現(xiàn)小窯巷道并且積水嚴重，從而驗證了本次綜合物探成果的準確性。

圖6 2號煤層附近地層物探綜合推斷

5 結(jié) 論

各種物探方法往往由于自身的局限性、多解性問題，不能夠全面、準確地解決煤礦地質(zhì)水文方面的問題。本文運用綜合物探方法，尤其是地震勘探和瞬變電磁法勘探相結(jié)合，通過地震勘探解決煤層頂?shù)装迤鸱闆r、勘查區(qū)構(gòu)造和采空區(qū)的分布情況，在此基礎(chǔ)上通過瞬變電磁法勘探來進一步確認煤層頂?shù)装宓母凰闆r、構(gòu)造的含、導水情況和采空區(qū)的積水范圍。兩種方法相輔相成，既解決了多解性又提高了綜合物探的精度。后期打鉆驗證成果

與物探成果基本吻合，說明采用三維地震和瞬變電磁勘探相結(jié)合的綜合物探技術(shù)是有效的。

[參考文獻]

[1]陳孝勁,黃向春,肖常先.對山西省煤炭資源整合的思考[J].資源與產(chǎn)業(yè),2010,12(S1):11-15.

[2]趙立欽,李鳳明,李宏杰,等.隱蔽采空區(qū)綜合勘查技術(shù)研究[J].煤礦開采,2017,22(5):17-20，16.

[3]楊 勇.瞬變電磁和高密度電法在淺埋房柱式采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].煤礦開采,2017,22(4):87-89,74.

[4]李宏杰.淺層地震和瞬變電磁法在采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究[J].煤礦開采，2013,18(1):17-19,27.

[5]李 文.煤礦采空區(qū)地面綜合物探方法優(yōu)化研究[J].煤炭科學技術(shù),2017,45(1):194-199.

[6]劉博文,王 俊,李 偉.綜合探測技術(shù)在露天煤礦群采空區(qū)中的應(yīng)用[J].中國煤炭,2015,41(3):40-43，60.

[7]侯曉志.三維地震勘探在復雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用[J].煤礦開采，2016，21(6):68-70.

[8]趙立明,崔若飛.全數(shù)字高密度三維地震勘探在煤田精細構(gòu)造解釋中的應(yīng)用[J].地球物理學進展,2014,29(5):2332- 2336.

[9]李 貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用[M].西安:陜西科學技術(shù)出版社，2002.

[10]解海軍.煤礦積水采空區(qū)瞬變電磁法探測技術(shù)研究[D].北京:中國地質(zhì)大學,2009.