任岐山，徐偉瑜，邢中海，皮 偉，張震潤(rùn)

（1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009）

煤礦安全生產(chǎn)依賴(lài)于隱伏地下地質(zhì)體的查明程度[1]。利用三維地質(zhì)勘探技術(shù)經(jīng)切片和多屬性分析[2-3]，結(jié)合鉆孔和測(cè)井曲線[4]，不僅可以查明煤層、斷裂、采空區(qū)和陷落柱的構(gòu)造形態(tài)[5-6]，而且對(duì)異常體、煤層頂?shù)装鍘r性解譯具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)[7-8]，使其成為煤礦生產(chǎn)中必不可少的手段[9-10]，對(duì)煤礦的采區(qū)布置、開(kāi)采和安全生產(chǎn)具有重要作用。

本文以趙樓煤礦八采區(qū)和十采區(qū)為例，利用三維地震資料精細(xì)解譯結(jié)果，闡述了關(guān)鍵層位、褶皺、斷裂及巖漿巖的分布和煤層的厚度、分布及延展趨勢(shì)，識(shí)別出異常體和異常區(qū)分布范圍及特征，并進(jìn)行了勘探前后對(duì)比，以期解決復(fù)雜煤層賦存地質(zhì)問(wèn)題，給煤礦生產(chǎn)和職工安全提供保障，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 自然地理?xiàng)l件

趙樓煤礦位于山東省鄆城縣城東南約22 km；屬黃河沖洪積平原，地形平坦，地面標(biāo)高+42.12～+45.69 m；水系比較發(fā)育，河流溝渠縱橫成網(wǎng)，多系人工開(kāi)掘的季節(jié)性河流，主要有洙趙新河及鄄鄆河，并與區(qū)內(nèi)各溝渠相貫通；潛水面至地表4 m左右；屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)海洋—大陸性氣候，氣候溫和，四季分明，春旱多風(fēng)，夏熱多雨，晚秋又旱，冬長(zhǎng)干冷多北風(fēng)；最大積雪厚度0.15 m，最大凍土深度0.35 m。

2 地質(zhì)及地震地質(zhì)條件

2.1 地層

勘探區(qū)煤系地層以?shī)W陶系灰?guī)r為基底，沉積了石炭系本溪組碎屑巖、石炭—二疊系太原組、二疊系山西組及石盒子組碎屑巖，其上被新近系碎屑巖和第四系黏土所覆蓋。主要含煤地層為太原組和山西組。

（1）太原組（C2P1t）。太原組厚122.90～183.11 m，平均厚161.34 m，井田東南、西北方向相對(duì)較厚，東北、西南較薄。巖性為灰、灰黑色泥巖，粉砂巖和淺灰色中細(xì)砂巖、薄層石灰?guī)r及煤層。

（2）山西組（P1s）。山西組厚0～138.90 m，平均厚70.00 m，西部最薄，向東向南逐漸增厚。巖性為淺灰、灰白色砂巖，深灰、灰黑色泥巖、粉砂巖及煤層，為主要含煤地層，其中3煤層厚度大，為本井田主要可采煤層。

2.2 煤層

含煤地層為山西組與太原組，2組地層平均總厚242.46 m，含煤25層。其中，山西組含煤4層（1、2、3上、3下煤層）；太原組含煤22層（4、5、6、7、8、9、10上、10中、10下、12上、12中、12下、14、15上、15中、15下、16上、16下、17、18上、18中、18下煤層）。煤層總厚21.29 m，含煤系數(shù)8.8%?？刹杉熬植靠刹擅簩涌偤?3.24 m，占煤層總厚的62.2%。其中，主采煤層為3上、3下、16上和16下煤層。

（1）3上煤層。位于山西組中上部，3煤層分叉后的上分層，厚0～6.45 m，平均厚3.57 m，屬不穩(wěn)定煤層。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～2層夾矸，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖。頂板為泥巖、細(xì)砂巖夾中砂巖；底板為泥巖、粉砂巖。

（2）3下煤層。位于山西組中、下部，區(qū)內(nèi)10個(gè)孔見(jiàn)此煤層，厚2.26～8.66 m，平均厚5.15 m，屬穩(wěn)定煤層。結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含0～3 層夾石，夾石巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖。頂板為泥巖、粉砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖，偶見(jiàn)粗砂巖；底板多為泥巖、粉砂巖。

（3）16上煤層。位于太原組上部，厚度1.15～2.14 m，平均厚1.38 m，區(qū)內(nèi)2個(gè)孔揭露此煤層，屬局部可采的較穩(wěn)定煤層。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，偶含1層泥巖、細(xì)砂巖夾石。灰?guī)r為其直接頂板，局部有偽頂；底板多為泥巖、粉砂巖。

（4）16下煤層。位于太原組下部，厚度0～1.13 m，平均厚0.69 m，區(qū)內(nèi)1個(gè)孔揭露此煤層，屬局部可采的較穩(wěn)定煤層?？刹煞秶鷥?nèi)煤層鉆孔揭露厚度0.75～1.13 m，平均厚0.95 m。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾石，頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖及砂質(zhì)泥巖；底板多為泥巖、粉砂巖。

2.3 構(gòu)造

勘探區(qū)位于魯西南斷塊拗陷的西北部新華夏系第二沉降帶南端復(fù)合部位。勘探前，總體為一向背斜相間構(gòu)造，軸向NNW，傾角5°～15°；發(fā)育斷層17條，分別是：姚莊斷層、扈官屯斷層、FD51、F28、F30、Fd2、Fd3、Fd12、Fd13、Fd19、Fd20、Fd21、Fd22、Fd27、FZ5、FZ6、FZ7；構(gòu)造復(fù)雜程度為中等偏復(fù)雜。

2.4 巖漿巖

區(qū)內(nèi)存在巖漿巖侵入現(xiàn)象，但以脈巖為主。

2.5 地震地質(zhì)條件

（1）表層地震地質(zhì)條件。地形平坦，交通便利，區(qū)內(nèi)有梁莊、常莊、霍莊、章窯、扈官屯等村莊，以及公路邊的眾多廠礦，部分村莊及廠礦面積較大，對(duì)地震數(shù)據(jù)采集及資料質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜。

（2）淺層地震地質(zhì)條件。區(qū)內(nèi)潛水位4 m左右，7 m以下存在多層流沙層；在14.5 m左右存在礓石層（厚度10 cm左右）。淺層地震地質(zhì)條件一般。

（3）深層地震地質(zhì)條件。此次工作目的層有新生界、3煤層、16煤層、奧陶系灰?guī)r。新生界（Q+N）較厚，新生界與下伏地層具有較大的波阻抗差異，具有形成反射波的良好條件，但物性變化較快，反射波（Tn波）時(shí)強(qiáng)時(shí)弱；3煤層厚度穩(wěn)定，與上下頂?shù)装鍑鷰r間有明顯的波阻抗差異，形成的反射波T3波能量強(qiáng)、連續(xù)性好；16煤層厚度穩(wěn)定，與頂?shù)装鍑鷰r間有明顯的波阻抗差異，但由于上部3煤的強(qiáng)屏蔽作用，形成的反射波T16波能量弱、連續(xù)性差；奧陶系灰?guī)r與上覆地層波阻抗差異一般，并且由于上部煤系地層的屏蔽作用，形成的反射波Toh能量弱，連續(xù)性差。總體深層地震地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

總之，勘探區(qū)地震地質(zhì)條件一般，對(duì)開(kāi)展三維地震勘探工作較為有利[11-12]。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

（1）工程布置。勘探區(qū)地層走向基本為NE向，主要構(gòu)造方向?yàn)镹NE-N向，設(shè)計(jì)線束方向與主要構(gòu)造走向基本垂直（EW向）。為保證實(shí)際控制范圍滿(mǎn)覆蓋次數(shù)，勘探范圍的北部邊界外推140 m，南部邊界外推140 m，東部邊界外推240 m，西部邊界不內(nèi)推，滿(mǎn)覆蓋面積為15.85 km2，施工面積26.96 km2。共布置三維地震觀測(cè)線束28束，線束物理點(diǎn)9 700個(gè)，備用物理點(diǎn)200個(gè)，試驗(yàn)物理點(diǎn)35個(gè)物理點(diǎn)，合計(jì)9 935個(gè)物理點(diǎn)。

（2）試驗(yàn)工作。此次工作按照單一因素變化的原則，有針對(duì)性地進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)和采集參數(shù)試驗(yàn)，最終選擇施工參數(shù)（圖1）：激發(fā)井深12 m；激發(fā)藥量2 kg；法國(guó)Sercel 428XL遙測(cè)數(shù)字地震儀；采樣間隔0.5 ms；記錄長(zhǎng)度2.0 s；全頻段72道中間點(diǎn)對(duì)稱(chēng)（36L+R36）接收。

圖1 井深、炮量、接收放松試驗(yàn)對(duì)比單炮記錄Fig.1 Comparison of well depth，shot volume and receiving relaxation test with single shot record

實(shí)測(cè)炮點(diǎn)12 000個(gè)（炮點(diǎn)加密），檢波點(diǎn)30 000個(gè)。復(fù)測(cè)檢核點(diǎn)1 694個(gè)，實(shí)測(cè)點(diǎn)2次測(cè)量檢核ΔX最大值為 0.281 m，ΔY最大值為0.269 m，ΔH最大值為0.258 m，誤差均在限差范圍內(nèi)。

3.2 資料處理

采用Dell 7400處理工作站進(jìn)行資料處理工作，采用GEOVECTEUR PLUS3100處理軟件和GRISYS地震數(shù)據(jù)處理軟件，采用野外靜校正、地表一致性反褶積、常速掃描、三維傾角時(shí)差校正處理技術(shù)、三維一步法偏移技術(shù)（圖2），最大限度地提高了資料的分辨率，達(dá)到剖面歸位準(zhǔn)確，目的層連續(xù)性較好、斷點(diǎn)清楚可靠。

資料解釋采用DELL-GF工作站，利用GeoFrame4.3地震解釋組合體軟件（IESX）、可視化軟件（GeoViz）以及地質(zhì)繪圖軟件（CPS3），利用縱向、橫向和任意方向時(shí)間剖面相結(jié)合，時(shí)間剖面和水平切片、順層切片相結(jié)合等方法，主要解決了波組特征、主要目的層反射波地質(zhì)層位的確定（圖3）、構(gòu)造與巖性解釋?zhuān)纬闪烁黝?lèi)地震地質(zhì)剖面圖。

圖2 偏移前后時(shí)間剖面對(duì)比Fig.2 Comparison of time profiles before and after migration

圖3 過(guò)鉆孔剖面與合成記錄對(duì)比Fig.3 Comparison between through borehole profile and synthetic record

4 三維地震地質(zhì)成果

此次工作識(shí)別了新生界厚度情況和奧灰頂界面形態(tài)特征；解譯出主要褶皺、斷裂、巖漿巖和異常體的分布及位置；控制了3煤層和16煤層的埋藏深度、起伏形態(tài)和厚度變化趨勢(shì)；進(jìn)行了3煤層勘探前后構(gòu)造對(duì)比，為煤礦開(kāi)采提供了有力的技術(shù)支撐。

4.1 基礎(chǔ)地質(zhì)成果

（1）地層。新生界由東向西逐漸變厚，厚度為605～725 m。最厚處位于勘探區(qū)西南角，最薄處位于勘探區(qū)東北角。奧灰頂界面形態(tài)由幾個(gè)大的褶曲控制，總體呈軸向近NNW向的向背斜形態(tài)，向SSE傾伏，局部發(fā)育有一些小的褶曲，傾角2°～19°，最陡處位于鉆孔133北約400 m處，最緩處位于鉆孔132附近。奧灰頂界面深度在860～1 200 m，最深處位于鉆孔133北部邊界附近，最淺處位于常莊北部邊界附近。

（2）斷層?？碧絽^(qū)共解釋斷層55條，新發(fā)現(xiàn)的斷層35條，均為正斷層[13-14]。其中，落差為5～10 m的斷層有22條，落差為10～20 m的斷層有4條，落差為20～50 m的斷層有6條。其中，典型斷層有SF36、DF31、DF47和FZ6斷層等，均錯(cuò)斷3煤、16煤和奧灰頂界面。SF36斷層（圖4（a））位于勘探區(qū)東北部，正斷層，走向NNE，傾向SEE，傾角70°左右，在3煤層，落差0～26 m，區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)度1 230 m。DF31斷層位于勘探區(qū)東北部，正斷層，走向NE，傾向NW，傾角70°左右，在3煤層，落差0～10 m，區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)度660 m。DF47斷層（圖4（b））位于勘探區(qū)中部，蓮?fù)醮甯浇?，正斷層，走向NNE，傾向SEE，傾角70°左右，在3煤層，落差0～27 m，區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)度2 420 m。FZ6斷層（圖4（c））位于勘探區(qū)南部，扈官屯村附近，正斷層，走向NNE，傾向SEE，傾角70°左右，在3煤層，落差0～36 m，區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)度2 600 m。

圖4 斷層和褶皺在時(shí)間剖面上的反映Fig.4 Reflection of faults and folds on time profile

（3）褶皺?？碧絽^(qū)煤層呈向背斜相間的形態(tài)[15-16]，共解釋4個(gè)褶曲構(gòu)造，分別為李集背斜、霍莊向斜（圖4（d）），S1背斜、S2向斜（圖4（e））。如：李集背斜位于勘探區(qū)東北部，軸部沿鉆孔130—郭樓村—鉆孔Z5一線，被FD51、DF31斷層錯(cuò)斷，軸向NNW，向SSE傾伏，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度約2 820 m，幅度20～45 m，兩翼基本對(duì)稱(chēng)，傾角5°～12°。

（4）巖漿巖。區(qū)內(nèi)共解釋8處巖漿巖分布區(qū)，分布在勘探區(qū)東北部，面積約0.547 km2，其中最大約0.306 km2，最小約0.003 km2，時(shí)間剖面上常表現(xiàn)為放射波突然消失或能量變?nèi)酰▓D4（f））。

4.2 煤層特征

（1）3煤層。區(qū)內(nèi)3煤形態(tài)由幾個(gè)大的褶曲控制，總體呈軸向近NNW向的向背斜形態(tài)，向SSE傾伏，局部發(fā)育有一些小的褶曲，傾角2°～19°。最陡處位于鉆孔133北約400 m處，傾角約19°；最緩處位于鉆孔132附近，傾角約2°。埋深700～1 000 m，最深處位于鉆孔133北部，約1 000 m；最淺處位于常莊北部邊界附近，約700 m。厚度0.5～10 m，大部分厚4～8 m，最厚處位于勘探區(qū)中部，約10 m。

時(shí)間剖面上，T3波和Tn波在隱伏露頭位置附近逐漸靠攏合并[17-18]，下部的T16波因?yàn)樯喜?煤層強(qiáng)屏蔽作用的消失，能量變強(qiáng)，連續(xù)性變好；薄煤區(qū)在時(shí)間剖面上表現(xiàn)為煤層反射波連續(xù)性差、能量變?nèi)趸蛳19]，共解釋了9處薄煤區(qū)（圖5）。

（2）16煤層。16煤形態(tài)由幾個(gè)大的褶曲控制，總體呈軸向近NNW向的向背斜形態(tài)，向SSE傾伏，局部發(fā)育有一些小的褶曲；傾角2°～19°。最陡處位于鉆孔133北約400 m處，最緩處位于鉆孔132附近；埋深830～1 150 m，最深處位于鉆孔133附近，最淺處位于勘探區(qū)西部邊界附近。

4.3 異常體及異常區(qū)的控制

（1）異常體。此次工作解釋了1個(gè)地質(zhì)異常體（YX1異常體），位于勘探區(qū)西部，常莊村西南約200 m，呈不規(guī)則圓形，在3煤層上的長(zhǎng)軸長(zhǎng)50 m，短軸長(zhǎng)43 m，面積約0.002 km2。在Inline和Xline兩個(gè)方向的時(shí)間剖面上，異常體附近的反射波發(fā)生明顯的向內(nèi)扭曲現(xiàn)象（圖6）[20-21]，反映比較明顯；在屬性切片上，異常體附近有明顯的圈閉現(xiàn)象。

圖6 異常體在時(shí)間剖面上的反映Fig.6 Reflection of abnormal body on time profile

（2）異常區(qū)。此次工作解釋過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有3處反射波異常區(qū)。在時(shí)間剖面上，反射波表現(xiàn)為扭曲、錯(cuò)斷或者消失等異常情況，在屬性切片上反映也比較明顯，但不能準(zhǔn)確定性[22]。

異常區(qū)YC1位于富李集村西部約100 m，呈不規(guī)則多邊形，面積0.269 km2，在時(shí)間剖面上反映較為明顯，可能由深部反射條件異常所致；異常區(qū)YC2位于富李集村北部，呈不規(guī)則多邊形，面積0.055 km2，在時(shí)間剖面上反映較為明顯，可能由巖漿巖侵入影響所致；異常區(qū)YC3位于勘探區(qū)西部，鉆孔132南約400 m，呈不規(guī)則多邊形，面積0.017 km2，在時(shí)間剖面上反映較為明顯，可能與附近廠房、養(yǎng)殖廠等障礙物連接成片有關(guān)。

4.4 勘探前后構(gòu)造對(duì)比

勘探前后，3煤底板形態(tài)及埋深變化不大，但在構(gòu)造方面變化較大?？碧角昂螅?煤形態(tài)總體呈軸向近NNW向的向背斜形態(tài)，向SSE傾伏，局部發(fā)育有一些小的褶曲，3煤埋深690～1 000 m?？碧角?，勘探區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層26條，勘探后，否定了6條斷層，并對(duì)剩余的20條斷層進(jìn)行了部分或較大的修改（圖7），新增加斷層35條；勘探后，在勘探區(qū)西部，常莊村西南約200 m，解釋了1個(gè)異常體YX1，呈不規(guī)則圓形，長(zhǎng)軸長(zhǎng)50 m，短軸長(zhǎng)43 m，面積約0.002 km2；勘探前，勘探區(qū)內(nèi)沒(méi)有異常區(qū)，勘探后，新解釋3處異常區(qū)。

圖7 勘探前后斷裂在時(shí)間剖面上的反映的對(duì)比Fig.7 Comparison of reflection of faults on time profile before and after exploration

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)趙樓煤礦八采區(qū)和十采區(qū)三維地震資料進(jìn)行精細(xì)解譯，識(shí)別出豐富的地質(zhì)信息。不僅解譯出新生界面、奧灰頂界面、褶皺、斷裂、巖漿巖和煤層分布，而且識(shí)別出異常體與異常區(qū)的分布以及斷裂和異常體對(duì)煤層的控制與破壞，并進(jìn)行勘探前后地層和構(gòu)造變化特征對(duì)比，為巷道布設(shè)提供地質(zhì)依據(jù)。

（1）趙樓煤礦八、十采區(qū)三維地震工程布置沿EW向，采用井深12 m、激發(fā)藥量2 kg、采樣間隔0.5 ms、記錄長(zhǎng)度2.0 s、全頻段72道中間點(diǎn)對(duì)稱(chēng)（36L+R36）接收方式實(shí)施三維地震觀測(cè)線束28束，完成物理點(diǎn)9 935個(gè)。

（2）趙樓煤礦八、十采區(qū)新生界由東向西逐漸變厚；奧灰頂界面形態(tài)呈軸向近NNW向的向背斜形態(tài)；主采3煤層厚4～8 m，發(fā)育9個(gè)薄煤區(qū)；識(shí)別出4個(gè)褶曲構(gòu)造、55條斷層（新發(fā)現(xiàn)斷層35條）和8個(gè)巖漿巖分布區(qū)；否定了6條斷層、修正了20條斷層，新增了35條斷層；解譯出1個(gè)地質(zhì)異常體和3個(gè)地質(zhì)異常區(qū)；建立了地層格架和主采煤層的厚度和時(shí)空變化趨勢(shì)，并進(jìn)行了勘探前后構(gòu)造對(duì)比，有效保障了礦井的安全開(kāi)采。