段中會(huì)，馬 麗，高 陽(yáng)，師修昌，呂廣羅

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，西安 710021；3.陜西省186煤田地質(zhì)有限公司，西安 710054)

煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件精細(xì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)及應(yīng)用

段中會(huì)1,2，馬 麗1,2，高 陽(yáng)1,2，師修昌1,2，呂廣羅1,3

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，西安 710021；3.陜西省186煤田地質(zhì)有限公司，西安 710054)

三維地震勘探信息挖掘不足及與礦井采掘地質(zhì)信息脫節(jié)是礦井地質(zhì)保障工作中存在的普遍現(xiàn)象。針對(duì)影響郭家河煤礦安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)問(wèn)題，利用采區(qū)三維地震勘探成果和礦井采掘信息的集成和融合，對(duì)煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、水害等礦井地質(zhì)條件進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究。建立了以礦井開(kāi)采和測(cè)井資料為約束條件、多參數(shù)反演煤層厚度的綜合預(yù)測(cè)技術(shù)，使煤厚預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率提高15%；采用地震屬性融合技術(shù)提高小構(gòu)造的識(shí)別能力，預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造準(zhǔn)確率提高30%?；谌S地震信息識(shí)別含水砂體的空間分布，建立了充水含水層富水性層次分析結(jié)構(gòu)模型和水害危險(xiǎn)性地質(zhì)預(yù)測(cè)方法。研究成果對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了低成本但有效的地質(zhì)支撐。

三維地震勘探；地質(zhì)保障；煤層厚度；礦井水害；精細(xì)預(yù)測(cè)

0 引言

我國(guó)約80%的煤礦重特大事故與隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素有關(guān)，絕大多數(shù)煤礦安全隱患是由于地質(zhì)條件在采礦過(guò)程中的變化引起的[1]。煤礦地質(zhì)工作是煤礦安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)，查明礦井地質(zhì)條件是本質(zhì)安全型礦井的核心要求。

2016年新版《煤礦安全規(guī)程》首次引入“地質(zhì)保障”作為獨(dú)立一編，“地質(zhì)保障”成為煤礦安全法律法規(guī)體系的重要內(nèi)容，在《規(guī)程》中有了具有強(qiáng)制性、規(guī)范性的規(guī)定。但是，從實(shí)踐來(lái)看，煤礦安全地質(zhì)保障仍然是我國(guó)煤礦企業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)。煤礦地質(zhì)保障工作現(xiàn)階段突出的、具有普遍性的問(wèn)題是：勘探地質(zhì)報(bào)告和采區(qū)三維地震勘探報(bào)告都是固化的一次性產(chǎn)品，交付礦方使用的地質(zhì)成果是基于有限勘查數(shù)據(jù)得出的有限地質(zhì)認(rèn)識(shí)，在報(bào)告交付時(shí)這些成果尚沒(méi)有、也無(wú)法得到驗(yàn)證；采區(qū)三維地震數(shù)據(jù)中含有大量、豐富的信息，提交報(bào)告所提取并利用的尚不足三分之一，大多數(shù)有用信息沒(méi)能夠挖掘應(yīng)用，甚為可惜；礦井建設(shè)和生產(chǎn)采掘過(guò)程中揭露的大量地質(zhì)現(xiàn)象，是對(duì)原報(bào)告地質(zhì)認(rèn)識(shí)的檢驗(yàn)和約束，在目前煤炭生產(chǎn)與勘探相分離的情況下，礦井揭示的地質(zhì)現(xiàn)象不能及時(shí)反饋給地質(zhì)人員，地質(zhì)人員無(wú)法進(jìn)一步深化對(duì)地質(zhì)成果的認(rèn)識(shí)，無(wú)法精細(xì)預(yù)測(cè)地質(zhì)條件的變化。

筆者認(rèn)為，煤礦地質(zhì)工作實(shí)質(zhì)是一個(gè)將預(yù)測(cè)地質(zhì)模型逐步修正、不斷轉(zhuǎn)化并最終形成一個(gè)真實(shí)地質(zhì)實(shí)體的過(guò)程。在礦井采掘過(guò)程中揭露的日益豐富的地質(zhì)信息約束下，深度挖掘煤田地質(zhì)勘查、采區(qū)三維地震勘探及井下物探所內(nèi)蘊(yùn)的地質(zhì)信息，提高礦井地質(zhì)條件的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，才能為礦井建設(shè)提供更準(zhǔn)確、更詳細(xì)、更全面、更及時(shí)、更有效的地質(zhì)保障[2-3]。

研究區(qū)選定陜西省黃龍侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)郭家河煤礦，面積94.72km2，侏羅系中統(tǒng)延安組為礦區(qū)主要含煤地層，主要可采煤層3號(hào)煤層，煤層埋深178～588m，平均可采厚度11.66m；礦井設(shè)計(jì)規(guī)模500萬(wàn)t/a，服務(wù)期限為61.3a，單水平開(kāi)采，采用綜采放頂煤采煤工藝。該礦曾進(jìn)行了系統(tǒng)完整的地質(zhì)勘查工作，積累了豐富的勘查地質(zhì)資料。采礦實(shí)際遇到的影響煤礦安全生產(chǎn)主要地質(zhì)問(wèn)題有：煤厚變化、地質(zhì)構(gòu)造、頂板水害、瓦斯涌出及礦山壓力等。

1 采區(qū)三維地震勘探成果分析

在Ⅰ、Ⅱ盤(pán)區(qū)范圍共進(jìn)行三維地震勘探面積31.64km2。在生產(chǎn)三維地震勘探解釋階段，基于單機(jī)工作站的計(jì)算能力，僅利用了密度和波速兩個(gè)物性參數(shù)，得到地震數(shù)據(jù)的波阻抗，以煤層特有的低波阻抗的特征，對(duì)其頂?shù)捉缑媸叭〔⑦M(jìn)行厚度轉(zhuǎn)化，得到煤層厚度變化趨勢(shì)；地震解釋地質(zhì)構(gòu)造時(shí)以垂直時(shí)間剖面為主，結(jié)合地震屬性提取技術(shù)，在區(qū)內(nèi)解釋出不同規(guī)模的斷層70條、褶曲27條。斷層以走向NW、NE、NNE向的張性正斷層為主，落差多集中在5～20m；褶曲走向主要為近EW、NS。

目前礦井采掘活動(dòng)集中在Ⅰ盤(pán)區(qū)，開(kāi)采3號(hào)煤層，截止2016年，完成1301、1303、1304、1305、1306共5個(gè)工作面的開(kāi)采，1307工作面正在掘進(jìn)中，實(shí)際開(kāi)采面積1.4km2。分析已經(jīng)開(kāi)采區(qū)域的地質(zhì)條件的預(yù)測(cè)和驗(yàn)證結(jié)果，以1307工作面為例，按50m間隔讀取煤層開(kāi)采數(shù)據(jù)與三維地震解釋成果對(duì)比，三維地震預(yù)測(cè)的煤層厚度絕對(duì)誤差為-0.4～12.5m，相對(duì)誤差最大137.07%、最小2.37%，平均相對(duì)誤差34.0%。地震地質(zhì)成果能反映煤層厚度變化趨勢(shì)，但在個(gè)別地段誤差偏大；在已開(kāi)采范圍內(nèi)，三維地震勘探解釋10條褶曲、5條斷層，均得到生產(chǎn)的揭示，另有巷道生產(chǎn)揭示的4條褶曲和2條斷層三維地震未給予解釋?zhuān)耷槊髀蕿?1.5%、斷層查明率為71.4%。

礦井采掘?qū)嶋H揭示情況說(shuō)明，對(duì)影響郭家河煤礦安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)條件的預(yù)測(cè)精度有待進(jìn)一步提高。精細(xì)解釋中，基于計(jì)算速度為25萬(wàn)億次/s的HPC高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)，先對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新處理，特別注重炮檢點(diǎn)空間位置的檢查，注重對(duì)Ⅰ、Ⅱ盤(pán)區(qū)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行接邊處理、靜校正和干擾波消除等工作，確保地層及構(gòu)造的精確成像。緊密結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與礦井采掘信息，對(duì)處理后的三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和分析，對(duì)煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、水害等礦井地質(zhì)條件進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究。

2 煤層厚度精細(xì)解釋與預(yù)測(cè)

煤層厚度精細(xì)解釋采用了波阻抗綜合反演預(yù)測(cè)技術(shù)，以測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為約束，以地震數(shù)據(jù)控制，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法，根據(jù)煤層在測(cè)井曲線(xiàn)上的低密度、低波速、高電阻率、低伽馬等特征，進(jìn)行模型估算及反演，反演波阻抗、伽馬等多種特性數(shù)據(jù)體，再利用多種物性參數(shù)對(duì)巖性的敏感程度及礦井生產(chǎn)揭示煤層的物性特征得到轉(zhuǎn)換閾值(其中煤層的閾值為：密度<1.8g/cm3，電阻率>50Ω·m，伽馬<90gapi)，計(jì)算得到巖性轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)體，把垂向時(shí)窗比例放大，拾取煤層的頂?shù)装宀⑦M(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，得到煤層厚度變化情況，見(jiàn)圖1。

在精細(xì)解釋的煤厚變化趨勢(shì)上，1307皮帶順槽煤厚在1 300m后出現(xiàn)跳水現(xiàn)象，1 400m附近出現(xiàn)無(wú)煤區(qū)，該結(jié)論與實(shí)際生產(chǎn)中所揭示的情況基本吻合(圖2)。以50m為間隔讀取1305、1306、1307工作面生產(chǎn)揭示情況，二次解釋較一次解釋的煤厚平均誤差分別從-8.3%、7.6%、34%降低到0.9%、1.0%、8.1%；精度提高了6.6%～25.9%，解釋精度平均提高15%。

3 煤層缺失帶精細(xì)解釋與預(yù)測(cè)

為降低多解性，精細(xì)解釋綜合利用了垂直時(shí)間剖面、波阻抗反演數(shù)據(jù)體、地震屬性圖和煤層聚煤規(guī)律分析共同解釋煤層缺失。在垂直時(shí)間剖面上，煤層缺失特征是煤層反射波波組連續(xù)性變差、能量變?nèi)踔料АＴ诜讲顚傩詧D上，煤層沉積穩(wěn)定時(shí)，波組同相性好、差異性小、色彩均勻；煤層無(wú)沉積或煤厚變小、不連續(xù)，則地震波能量變差、 方差圖上表現(xiàn)出色彩斑瀾、雜亂。還進(jìn)行了巖相古地理分析。從巖相古地理格局來(lái)看，礦區(qū)煤層的沉積相具有沉積環(huán)帶狀特征，礦井中部沿東西向?yàn)楦幻簬?，且東西向沉積穩(wěn)定、煤層厚、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，向南北分別過(guò)渡為穩(wěn)定聚煤區(qū)至含煤過(guò)渡帶，煤層位于在古隆起與河漫沼澤的過(guò)渡帶沖積相區(qū)，到礦區(qū)邊界附近，煤層迅速變薄至不可采，甚至尖滅，煤層賦存受古地形影響較大。

圖1 煤層厚度反演連井剖面Figure 1 Coal seam inversion cross-well section

圖2 1307工作面一、二次解釋煤層厚度精度對(duì)比Figure 2 Comparison of working face No.1307 coal seam thickness primary and secondary interpreted result accuracies

圖3為Ⅰ盤(pán)區(qū)方差體切片，圖中黃色區(qū)域?yàn)槊簩映练e穩(wěn)定區(qū)；紅、黃色相雜處為煤層沉積變薄至缺失帶。精細(xì)解釋后，調(diào)整了原來(lái)的9處缺失邊界、新增缺失區(qū)3處。以1307工作面為例， 在掘進(jìn)至約1090m時(shí)，煤層變薄至尖滅，采掘被迫停工，僅從周邊施工鉆孔來(lái)看，煤層沉積連續(xù)無(wú)異常；實(shí)際上，缺失段正處于B6背斜核部，該處為南部大型古隆起延伸至礦區(qū)的一個(gè)狹長(zhǎng)帶，見(jiàn)圖4。

4 地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)解釋與預(yù)測(cè)

在眾多的地震屬性中，只有少量的地震屬性能反應(yīng)礦井的構(gòu)造特征，而且單一屬性不能完全反映礦井所有構(gòu)造，因此有必要優(yōu)選一些對(duì)構(gòu)造特征比較敏感的屬性，綜合對(duì)地質(zhì)構(gòu)造反映的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)礦井構(gòu)造精細(xì)解釋。研究中采用RGB屬性融合技術(shù)，它能將三種不同屬性融合形成新影像，并基于三基色(紅、綠、藍(lán))原理，使三基色彼此耦合，形成色彩豐富的新圖形，直觀(guān)反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)[4-5]。融合前，先提取單一地震屬性、采用相關(guān)性分析方法，對(duì)地震屬性進(jìn)行優(yōu)選，再以礦井采掘揭露的斷層產(chǎn)狀及空間展布特征等信息作為判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)屬性進(jìn)一步優(yōu)選，選定傾角、方位角、相似性、彎曲度等地震屬性，進(jìn)行RGB 三元色融合(見(jiàn)圖5)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)有效地震屬性求同存異，對(duì)屬性異常進(jìn)行放大，提高了對(duì)小構(gòu)造的反映能力。

圖3 Ⅰ盤(pán)區(qū)方差屬性平面圖Figure 3 Panel I variance attribute plan

圖4 煤層厚度與古地理疊合圖(局部)Figure 4 Stacking chart of coal seam thickness and paleogeographic map

圖5 Ⅰ盤(pán)區(qū)單一地震屬性與屬性融合效果對(duì)比Figure 5 Comparison of panel I single seismic attribute and attribute fusion effects

在地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上，采用專(zhuān)業(yè)地震軟件，根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造特征，利用測(cè)井、地質(zhì)和鉆探資料，計(jì)算拉梅常數(shù)和剪切模量等參數(shù)，建立地質(zhì)模型、力學(xué)模型及數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法對(duì)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究構(gòu)造、地層厚度、區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)等地質(zhì)因素，預(yù)測(cè)地應(yīng)力的分布規(guī)律。從反演得到的地應(yīng)力方向與應(yīng)力值分布規(guī)律看，礦區(qū)主要應(yīng)力方向由近N-S向和NW-SE向兩組組成，且以N-S向?yàn)橹饕獞?yīng)力方向，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育帶附近地應(yīng)力集中，地應(yīng)力分析與地質(zhì)構(gòu)造特征一致。

精細(xì)解釋后，對(duì)個(gè)別斷層及褶曲的空間展布進(jìn)行了調(diào)整，全區(qū)新解釋斷層38條、褶曲10條，新解釋出的構(gòu)造規(guī)模相對(duì)較小，以5m左右的斷層居多。對(duì)比地質(zhì)揭示情況，地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)解釋小型(小于5m斷層，小于10m褶皺)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)率提高30%以上。在此基礎(chǔ)上，采用模糊評(píng)判對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行分類(lèi)，為礦井水害防治工作提供參數(shù)。

5 礦井水害危險(xiǎn)性精細(xì)預(yù)測(cè)

5.1 多參數(shù)巖性反演技術(shù)

常規(guī)波阻抗反演僅僅只利用了測(cè)井曲線(xiàn)中的聲波和密度曲線(xiàn)，而忽略了其他有價(jià)值的測(cè)井曲線(xiàn)，得到的也只有波阻抗一種物性參數(shù)結(jié)果，通常主要用來(lái)進(jìn)行煤層厚度解釋。研究過(guò)程中把測(cè)井和地震數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，用地震數(shù)據(jù)的解釋層位為控制手段，以測(cè)井曲線(xiàn)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行外推內(nèi)插，通過(guò)主組分分析形成初始地質(zhì)模型，然后進(jìn)行模型估算，并反演出波阻抗、伽馬、電阻率、自然電位等多種屬性數(shù)據(jù)體；再利用閾值計(jì)算得到巖性轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)體，這樣充分利用了多個(gè)物性參數(shù)的對(duì)于巖性的敏感程度，可反演得到密度、電阻率、自然伽馬三維數(shù)據(jù)體，將所有測(cè)井曲線(xiàn)的密度、電阻率和自然伽馬進(jìn)行交匯分析，確定各巖性的閾值，礫巖閾值：密度≥2.2g/cm3，電阻率>150Ω·m，伽馬小于160GAPI；泥巖閾值：密度≥1.8g/cm3，電阻率<100Ω·m，伽馬≥160GAPI；砂體閾值：密度≥1.8g/ cm3，電阻率≥50Ω·m，伽馬≤160GAPI；其他為砂質(zhì)泥巖或者泥質(zhì)砂巖(圖6)，基于此分析，可以分別圈定出洛河組砂礫巖底界面和延安組砂巖頂界面(圖7)。

圖6 密度、電阻率和自然伽馬測(cè)井交匯示意圖Figure 6 A schematic crossplot of density, resistivity andgamma-ray well logging

5.2 洛河砂巖富水性預(yù)測(cè)

充水含水層的富水性分區(qū)是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤層頂板涌(突)水條件的一個(gè)重要因素。影響地層富水性的因素是多方面的，包括區(qū)域構(gòu)造、巖性、孔隙性等[6]，研究基于MAPGIS與AHP(層次分析法)耦合的“富水性指數(shù)”方法[7]，根據(jù)地震數(shù)據(jù)反演結(jié)果、礦區(qū)水文地質(zhì)試驗(yàn)和相關(guān)資料， 優(yōu)選含水層富水性的5個(gè)主要控制因素：含水層厚度、平均孔隙度、視電阻率、沖洗液消耗量和構(gòu)造發(fā)育程度，構(gòu)建白堊系洛河組含水層富水性AHP(層次分析法)評(píng)價(jià)的判斷矩陣，并計(jì)算出各層單排序的權(quán)值，建立含水層富水性層次分析結(jié)構(gòu)模型。

基于A(yíng)HP計(jì)算各主控因素權(quán)重，再對(duì)各主控因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，利用MAPGIS的空間信息疊加功能將各主控因素按其權(quán)重綜合成一個(gè)富水性量化指標(biāo)，即富水性指數(shù)。建立礦區(qū)煤層頂板洛河組充水含水層富水性評(píng)價(jià)模型為：

(式中，f1(x,y)、f2(x,y)、f3(x,y)、f4(x,y)、f5(x,y)分別為含水層厚度、平均孔隙度、沖洗液消耗量、視電阻率和斷層密度在位置(x,y)的同化值。)

根據(jù)富水性指數(shù)大小，選擇分區(qū)閾值為0.26、0.38、0.50，將該含水層分為富水程度不同的4個(gè)區(qū)域：①相對(duì)較強(qiáng)富水區(qū)(CI>0.50)；②中等富水區(qū)(0.38

5.3 突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

回采期間，1303、1304、1306工作面均發(fā)生頂板涌突水事故。工作面瞬時(shí)突水強(qiáng)度大于300m3/h的有3次，最大突水強(qiáng)度達(dá)700m3/h，均屬大突水點(diǎn)。單次突水總量為5 300～200 000m3。造成重大財(cái)產(chǎn)損失和安全隱患。 工作面涌突水具有如下特征：

①涌突水總量小而強(qiáng)度大；②涌突水與工作面推進(jìn)速度及距離密切相關(guān)；③涌突水水量較大時(shí)往往伴隨著礦壓顯著增大，涌水量較大的涌突水事故與礦壓關(guān)系密切；④涌突水危害嚴(yán)重，大的突水全部伴隨著冒頂、抽頂、煤避片幫、支架壓死等現(xiàn)象。分析表明，這數(shù)次水害的發(fā)生均以洛河組砂巖含水層水的涌入為主。礦井突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)應(yīng)以含水層富水區(qū)空間分布、煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)及厚度、地質(zhì)構(gòu)造部位等幾個(gè)因素作為主要判定因素。

(1)富水性強(qiáng)的洛河含水層處于導(dǎo)水裂隙帶之上下沉彎曲帶內(nèi)，是洛河砂巖水突水的有利條件。盡管礦井直接充水含水層為直羅組砂巖裂隙含水層及延安組砂巖裂隙含水層，但是該組地層厚度小、連續(xù)性較差、有砂泥巖互層，富水性弱，對(duì)礦井開(kāi)采威協(xié)不大；洛河組砂礫巖含水層分布廣、厚度大、富水性較強(qiáng)，是影響礦井安全生產(chǎn)的主要含水層；富水性分區(qū)平面圖上相對(duì)富水區(qū)處工作面回采時(shí)突水危險(xiǎn)性較大。

當(dāng)洛河組砂礫巖含水層作為主要充水含水層、組成煤層覆巖時(shí)，若該含水層處于導(dǎo)水裂隙帶之上下沉彎曲帶，則有條件形成突水水源。根據(jù)礦區(qū)周?chē)嗨茥l件的崔木煤礦、下溝煤礦、大佛寺煤礦等5個(gè)煤礦9 個(gè)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征，研究了深埋特厚煤層綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度(Hf)與煤層采厚(M)、工作面傾向長(zhǎng)度(L)、煤層開(kāi)采深度(H)等相關(guān)因素間的關(guān)系計(jì)算公式[9-10]：Hf=-154.534+18.777 19M+0.446 365L+0.157 095H，可知煤層采厚是影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的主要因素、工作面傾向長(zhǎng)度、煤層開(kāi)采深度是次要影響因素；由數(shù)值模擬、相似材料模擬及鉆孔實(shí)測(cè)等多種技術(shù)手段，分析得出了研究區(qū)特定條件下煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采厚的比值范圍為9.17～13.06(表1)。3煤采厚取12m，則導(dǎo)水裂隙帶最大高度為156.72m。比較區(qū)內(nèi)煤層覆巖結(jié)構(gòu)與冒裂帶發(fā)育高度，可知一般情況下，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育在煤系之中或達(dá)洛河組底部、安定組上部，則洛河組含水層處于導(dǎo)水裂隙帶之上下沉彎曲帶內(nèi)，這形成了洛河組承壓水突水的有利條件。

表1 郭家河煤礦導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)比及綜合確定

(2)洛河組砂巖之下發(fā)育厚度較大且穩(wěn)定的軟性巖層，易形成覆巖“離層帶”。分析表明，當(dāng)沉降彎曲變形帶內(nèi)的洛河砂巖層內(nèi)出現(xiàn)了“離層帶”，洛河組砂巖水匯聚而后才能突入礦井形成水害。是否能形成離層帶取決于彎曲變形帶內(nèi)的覆巖結(jié)構(gòu)及特征。根據(jù)組合梁原理，離層帶形成基于特定的覆巖力學(xué)結(jié)構(gòu)，通常易形成于具有軟硬互層結(jié)構(gòu)地層中，且主要發(fā)育于厚層堅(jiān)硬巖層底部。區(qū)內(nèi)洛河組砂巖之下、安定組上部多為厚度較大且穩(wěn)定發(fā)育的砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)沙巖等軟性巖層，隨著煤層開(kāi)采及地層塌落變形，可在洛河組砂巖底部與下伏砂泥巖間形成規(guī)模較大的離層[8]，在這種離層空間內(nèi)部，容易積聚大量來(lái)自洛河組砂巖含水層的補(bǔ)給，一般含水量較大。

(3)斷層和褶曲構(gòu)造軸部是突水危險(xiǎn)性較大部位，尤其是大型向斜的軸部附近。褶曲軸部構(gòu)造應(yīng)力集中，工作面頂板壓力顯現(xiàn)明顯，通常是離層空間形成的有利部位或突水薄弱地帶；礦區(qū)張性正斷層在拉張應(yīng)力的作用下，斷面破碎，易形成水源通道也是突水危險(xiǎn)性較大部位。研究區(qū)已發(fā)生的4次突水事故，突水位置均靠近向斜軸部區(qū)域。如1304工作面“9·7”水害發(fā)生于工作面回采405m處，1306工作面“1·12”涌突水發(fā)生于工作面回采1 011m處，分別位于X2和X+1向斜軸部。

此外，結(jié)合水害發(fā)生前常伴隨的瓦斯突出、冒頂、抽頂、煤壁片幫、支架壓死及觀(guān)測(cè)水位急劇下降等規(guī)律，可以建立對(duì)離層水害突水核心預(yù)報(bào)的指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)離層水害的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)預(yù)警；也可以有的放矢地提前采取工程措施，消除水害發(fā)生的條件，做到防患于未然。

6 結(jié)論

煤礦地質(zhì)條件精細(xì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是煤礦安全高效開(kāi)采的基礎(chǔ)。針對(duì)影響郭家河煤礦安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)問(wèn)題，利用資源勘查采區(qū)三維地震勘探成果和礦井采掘信息的集成和融合，對(duì)煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、水害等礦井地質(zhì)條件進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究。建立了多參數(shù)反演煤層厚度的綜合預(yù)測(cè)技術(shù)，使煤厚預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率提高15%，采用地震屬性融合技術(shù)提高小構(gòu)造的識(shí)別能力，預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造準(zhǔn)確率提高30%?；谌S地震信息識(shí)別含水砂體的空間分布，建立了充水含水層富水性層次分析結(jié)構(gòu)模型和水害危險(xiǎn)性地質(zhì)預(yù)測(cè)方法。有效解決了三維地震勘查成果浪費(fèi)和礦井采掘地質(zhì)信息脫節(jié)、導(dǎo)致礦井地質(zhì)保障弱化的問(wèn)題，取得了煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件精細(xì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的突破。研究成果為煤礦工業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工作面布置及煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治提供了地質(zhì)依據(jù)；對(duì)國(guó)內(nèi)煤礦尤其是復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了低成本但有效的地質(zhì)支撐。

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PrecisePredictionandForecastingTechnologiesandTheirApplicationunderCoalmineComplexGeologicalCondition

Duan Zhonghui1,2, Ma Li1,2, Gao Yang1,2, Shi Xiuchang1,2and Lyu Guangluo1,3

(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources,Xi’an, Shaanxi 710026; 2.Shaanxi Coal Geology Group Co. Ltd., Xi’an, Shaanxi 710021; 3.Shaanxi No.186 Coal Geology Co. Ltd., Xi’an, Shaanxi 710065)

The underutilized 3D seismic prospecting information and disjointed with coalmine mining work geological information are common phenomena in geological support works. In allusion to main geological issues impacting safety production in the Guojiahe coalmine, using winning district 3D seismic prospecting results and coalmine mining work information integration and fusion, carried out studies on precise prediction and forecasting of coalmine geological conditions of coal seam thickness, geological structure, water disaster etc. Taking coalmine extraction and well logging data as constrained conditions established multi-parameter inversion coal seam thickness comprehensive prediction technology. Thus make the accuracy rate of coal seam thickness prediction 15% improved. Through seismic attribute fusion has improved minor structure identification ability, accuracy rate of predicted geological structure 30% improved. Based on 3D seismic information identified water-bearing sand mass spatial distribution, established water filling aquifer water yield property AHP structural model and water disaster hazard geological prediction method. The studied results have provided low cost but effective geological support to safe and efficient production of coalmines with complex geological condition.

3D seismic prospecting; geological guarantee; coal seam thickness; coalmine water disaster; precise prediction

國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(ZZ2013-3、ZZ2016-2)。

段中會(huì)(1963—)，男，陜西商洛人，教授高級(jí)工程師，從事煤田地質(zhì)與勘探技術(shù)研究，現(xiàn)任國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.11

1674-1803(2017)09-0053-08

A

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)