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        綜合物勘方法在煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查中的應(yīng)用研究

        2022-03-19 03:13:06屈花榮沈永坤
        煤炭與化工 2022年1期
        關(guān)鍵詞:測區(qū)富水采區(qū)

        屈花榮,沈永坤

        (韓城礦業(yè)有限公司 桑樹坪煤礦,陜西 韓城 715407)

        0 引 言

        查明地質(zhì)構(gòu)造、水、瓦斯、井下火區(qū)等隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素并開展預(yù)測預(yù)報(bào),是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)工作之一。但是由于煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素具有復(fù)雜性、多樣性和隱蔽性等特點(diǎn),在普查過程中探查難度大、成本高,且隨著煤礦開采深度的逐漸增加,隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的類型不斷增加,致災(zāi)程度也在不斷加重。因此,多種探查手段、方法在煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素普查中的應(yīng)用,可以更好的實(shí)現(xiàn)地質(zhì)條件的精準(zhǔn)探查。三維地震勘探和瞬變電磁勘探均為地球物理勘探中應(yīng)用較為成熟和主流的探測方法,為了精準(zhǔn)查明韓城桑樹坪煤礦未來接續(xù)生產(chǎn)的北二采區(qū)范圍內(nèi)各類隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素,此次研究依據(jù)三維地震勘探和瞬變電磁綜合物探方法的探查成果,對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)異常體進(jìn)行了全面分析和評(píng)價(jià),為北二采區(qū)未來采掘范圍內(nèi)的安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

        1 研究區(qū)地質(zhì)概況

        韓城桑樹坪煤礦為渭北煤田韓城礦區(qū)的主要生產(chǎn)礦井之一,礦井目前主采下二疊統(tǒng)山西組(P1s)的3 號(hào)煤層,煤層平均厚度6.33 m。

        礦井在開采3 號(hào)煤層時(shí),面臨的主要地質(zhì)問題包括瓦斯(該礦為煤與瓦斯突出礦井)、水(礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜)、地質(zhì)構(gòu)造(井田內(nèi)小斷層較發(fā)育) 等,此外,由于本區(qū)地處華北石炭二疊系巖溶裂隙水害區(qū),以往的開采實(shí)踐中揭露過巖溶陷落柱,因此煤層底板隱伏導(dǎo)水構(gòu)造(斷裂、陷落柱) 也是主要的潛在隱患之一。

        北二采區(qū)位于桑樹坪煤礦北部(圖1),目前處于準(zhǔn)備階段,是礦井未來的主要接續(xù)采掘區(qū)域。依據(jù)以往勘探資料顯示,北二采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為簡單,基本構(gòu)造形態(tài)為一走向北北東、傾向北西西、沿走向和傾向有寬緩波狀起伏的單斜構(gòu)造,地層傾角一般在7°左右,未見落差大于10 m 的斷裂;主要地下含水層為第四系砂礫層孔隙潛水中等含水層組、二疊系砂巖層裂隙承壓弱含水層組、石炭系砂巖(灰?guī)r) 裂隙承壓極弱含水層組和奧陶系石灰?guī)r溶隙溶洞承壓強(qiáng)含水層組。

        2 綜合物探探查工程

        為保證北二采區(qū)未來接續(xù)生產(chǎn)的安全進(jìn)行,進(jìn)一步探查北二采區(qū)范圍內(nèi)主采煤層賦存情況和隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素,桑樹坪煤礦開展了三維地震和瞬變電磁綜合勘探工程。

        北二采區(qū)位于井田北一采區(qū)4321 工作面切眼運(yùn)順口向北250 m、北一上部井田邊界以西1 100 m 處,采區(qū)南北走向長3 147.2 m,東西傾向?qū)? 770 m,采區(qū)面積5.57 km2。此次勘探范圍與北二采區(qū)范圍保持一致,如圖1 所示。

        圖1 探查范圍位置Fig.1 Exploration range location

        此次完成三維地震線束27 束,檢波線88 條,總計(jì)完成物理點(diǎn)4 759 個(gè);瞬變電磁勘探全區(qū)共完成試驗(yàn)點(diǎn)物理點(diǎn)60 個(gè),完成檢查點(diǎn)344 個(gè),總物理點(diǎn)7 604 個(gè)。

        3 探查成果分析

        此次探查重點(diǎn)對(duì)桑樹坪北二采區(qū)主采煤層埋藏深度、構(gòu)造形態(tài)及落差5 m 以上斷層、奧灰頂界面起伏形態(tài)及構(gòu)造發(fā)育情況、陷落柱及2 號(hào)煤至奧灰頂界面以下100 m 范圍內(nèi)的含水、導(dǎo)水構(gòu)造的平面分布范圍及橫向、垂向聯(lián)通關(guān)系進(jìn)行了綜合解譯和分析。

        3.1 煤層起伏和褶皺

        區(qū)內(nèi)3 號(hào)煤厚度較大,一般為2.7~8.4 m。南部的98 孔與北部的B12P-2、B14-3 鉆孔兩處附近為3 個(gè)厚煤帶,煤層厚度在8 m 左右;薄煤帶分布在B13p-5 孔附近,煤層厚度約2.7~4.0 m。

        2、3、11 號(hào)煤層底板起伏形態(tài)基本一致,煤層間距相對(duì)穩(wěn)定,構(gòu)造較簡單。區(qū)內(nèi)煤層底板標(biāo)高變化穩(wěn)定,3 號(hào)煤底板標(biāo)高180—340 m,煤層的最高點(diǎn)在測區(qū)東北部背斜的軸部,最低點(diǎn)均在測區(qū)西南部向斜的軸部。

        區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育一般,褶曲較發(fā)育,控制著整個(gè)煤層的起伏形態(tài)。根據(jù)褶曲發(fā)育情況,全區(qū)可分為3 部分。第一部分為勘探區(qū)西南部,為f3 向斜,軸向NWW,北翼產(chǎn)狀比較穩(wěn)定,南翼有軸向北東的更次一級(jí)褶皺疊加,傾角變化較大;第二部分為勘探區(qū)東北部,為f4 馬家塔背斜,軸向NWW,此次勘探區(qū)主要位于南翼;第三部分為勘探區(qū)中部f3向斜和f4 馬家塔背斜之間的過渡區(qū),煤層傾角較緩。

        此外,除了上述2 個(gè)較大的褶皺之外,撓曲較發(fā)育,形式多樣,并多以組合形式出現(xiàn),造成煤層厚度多變。此次共解釋撓曲共11 處。

        3.2 斷 層

        此次共抽取斷點(diǎn)73 個(gè),A 級(jí)斷點(diǎn)27 個(gè),B 級(jí)斷點(diǎn)46 個(gè),組合斷層16 條,其中15 條為新發(fā)現(xiàn)斷層。斷層性質(zhì)均為正斷層,落差<5 m 的斷層有10 條(DF1~DF6、DF10、DF12、DF14、DF15),落差5 ~ 10 m 的斷層有6 條(DF7 ~ DF9、DF11、DF13、DF16)。

        由于大部分?jǐn)鄬勇洳罴把由炀嚯x較小,通過將揭露斷層與異常平面圖上低阻異常區(qū)的位置關(guān)系并參照斷面圖進(jìn)行對(duì)比分析,評(píng)價(jià)得出本區(qū)解譯的斷層含水性主要以弱含水和局部含水為主。

        3.3 采空區(qū)

        桑樹坪煤礦東部為淺埋煤層區(qū),早期存在較多的周邊小煤窯,勘探共解釋采空區(qū)共2 處,分別位于勘探邊界的東北側(cè)和東南側(cè),如圖2 所示。東南側(cè)的采空區(qū)為老窯采空區(qū)擴(kuò)張區(qū);東北側(cè)的采空區(qū)為2 號(hào)井采空區(qū)邊界冒落影響帶。由于采空區(qū)對(duì)下伏地層反射波存在屏蔽作用,對(duì)3 號(hào)煤層采空區(qū)下方11 煤反射波信息影響較大。

        圖2 3 號(hào)煤層隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查成果Fig.2 Exploration results of geological factors hiddenly causing damage of No.3 coal seam

        3.4 奧灰頂界面形態(tài)

        結(jié)合鉆孔資料對(duì)其進(jìn)行分析,奧灰的頂界面標(biāo)高40—250 m,起伏比較平緩。

        3.5 各主要層位異常含、富水性及垂向聯(lián)通關(guān)系分析

        經(jīng)過對(duì)瞬變電磁法勘探數(shù)據(jù)的處理及分析解釋,基本查明了勘查區(qū)目標(biāo)地層的含、富水性及分布范圍。各異常區(qū)及推斷成果見表1。

        表1 各目標(biāo)層異常解釋推斷成果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of abnormal interpretation and inference results at each target seam

        測區(qū)內(nèi)主要異常分別為2 號(hào)煤層附近的2-1、2-2、2-3 和2-4 號(hào)低阻異常區(qū)、3 號(hào)煤層附近的3-1、3-2、3-3 和3-4 號(hào)低阻異常區(qū)、11 號(hào)煤附近的11-1、11-3 號(hào)低阻異常區(qū)、奧灰頂界下50m附近的O50-1、O50-3、O50-4 號(hào)低阻異常區(qū)和奧灰頂界下100 m 附近的O100-1、O100-3、O100-4號(hào)低阻異常區(qū),如圖3 所示。為便于分析各異常區(qū)垂向上的連通關(guān)系,根據(jù)它們垂向上的分布位置,將2-1、3-1、11-1、O50-1 和O100-1 號(hào)低阻異常區(qū)統(tǒng)稱為Ⅰ號(hào)低阻異常區(qū);2-2、3-2 號(hào)低阻異常區(qū)統(tǒng)稱為Ⅱ號(hào)低阻異常區(qū);2-3、3-3、11-3、O50-3 和O100-3 號(hào)低阻異常區(qū)統(tǒng)稱為Ⅲ號(hào)低阻異常區(qū);2-4、3-4、O50-4 和O100-4 號(hào)低阻異常區(qū)統(tǒng)稱為Ⅳ號(hào)低阻異常區(qū)。

        圖3 各異常平面立體示意Fig.3 Each anomaly plane stereoscopic diagram

        Ⅰ號(hào)低阻異常區(qū)位于測區(qū)西北部,該異常在2號(hào)煤層異常平面和奧灰頂界下50 m 異常平面中分布范圍相對(duì)較大,異常相對(duì)較強(qiáng)。根據(jù)上節(jié)分析可知,該異常區(qū)所在位置地層傾角變化較大,推斷其主要成因與地層局部起伏導(dǎo)致的裂隙發(fā)育富水有關(guān)。該異常雖然在不同層位均有表現(xiàn),但并無明顯構(gòu)造,僅在南側(cè)有斷距較小的小斷層發(fā)育,不具備上下導(dǎo)通的條件。

        Ⅱ號(hào)低阻異常區(qū)位于測區(qū)中西部、1 號(hào)異常的南側(cè),局部層位有與3 號(hào)異常相連趨勢。該異常分布范圍比較分散,異常相對(duì)較強(qiáng)。根據(jù)上節(jié)分析可知,其主要成因與地層局部裂隙發(fā)育富水有關(guān),在南側(cè)有斷層和撓曲發(fā)育,構(gòu)造的存在有利于裂隙發(fā)育,因此推斷其在局部層位存在上下導(dǎo)通的可能性。

        Ⅲ、Ⅳ號(hào)低阻異常區(qū)位于測區(qū)中東部地層埋深相對(duì)較淺位置。該異常分布范圍較大,異常相對(duì)較強(qiáng)。從各層位低阻異??臻g分布圖來看,2-3、2-4、3-3、3-4 號(hào)異常區(qū)在平面分布位置較一致,且斷面圖顯示上下層位有著上下聯(lián)通的趨勢;3-3、3-4、11-3 號(hào)異常區(qū)在平面分布位置較一致,但由于3 號(hào)煤和11 煤距離較遠(yuǎn),并且這兩個(gè)層位含水層組之間有多個(gè)隔水層,在正常情況下各煤層頂、底板砂巖裂隙含水層之間水力聯(lián)系較差,推斷其不具備上下導(dǎo)通的條件;11-3、O50-3、O50-4、O100-3、O100-4 號(hào)異常區(qū)平面分布較一致,由于11 煤和奧灰頂界面距離較近,可能會(huì)溝通上下兩個(gè)層位,從而使上下兩個(gè)層位在垂向上存在水力聯(lián)系。

        3.6 其他地質(zhì)異常體

        此次探查雖然未見巖溶陷落柱,但發(fā)現(xiàn)了局部的層滑構(gòu)造。在三維地震解釋過程中發(fā)現(xiàn),2、3、

        11 號(hào)煤層反射波比較穩(wěn)定,局部出現(xiàn)波形異常,主要表現(xiàn)為波形變化、能量變化。這些變化有可能與層滑構(gòu)造有關(guān)。共發(fā)現(xiàn)2 處異常區(qū),C1 異常區(qū)位于測區(qū)中部偏西南,平面形態(tài)近橢圓狀,長軸方向近WE 向,長軸長約190 m,短軸長約135 m;C2 異常區(qū)位于測區(qū)中部偏西北,平面形態(tài)為扇狀,長軸方向近SN,軸長約80 m。

        4 結(jié) 論

        此次探查解釋的煤層底板形態(tài)更加精細(xì),構(gòu)造更豐富,采空區(qū)邊界也較該礦之前圈定區(qū)域有所擴(kuò)大。

        (1) 查明了北二采區(qū)3 號(hào)煤層構(gòu)造形態(tài),整體表現(xiàn)為f3 向斜和f4 馬家塔背斜及兩者之間的過渡區(qū),傾角小于10°;3 號(hào)煤底板標(biāo)高180—340 m,煤層的最高點(diǎn)在測區(qū)東北部背斜的軸部,最低點(diǎn)均在測區(qū)西南部向斜的軸部。

        (2) 區(qū)內(nèi)新發(fā)現(xiàn)撓曲11 個(gè);查明了落差5 m以上斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀、延伸方向,共解釋斷層16 條,新發(fā)現(xiàn)斷層15 條,全部為正斷層,落差均小于10 m。

        (3) 查明了區(qū)內(nèi)2 處3 煤層開采的采空區(qū)邊界及其影響區(qū)。

        (4) 查明了北二采區(qū)3 號(hào)煤層頂?shù)装搴畬拥母凰闆r,并解釋了5 處裂隙富水區(qū);解釋了奧灰含水層的起伏形態(tài)和富水性,解釋了奧灰頂界面下50 m 處奧灰灰?guī)r富水區(qū)4 處和下100 m 處奧灰灰?guī)r富水區(qū)5 處;解譯了2 處層滑構(gòu)造,但未發(fā)現(xiàn)直徑大于30 m 的陷落柱。

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