彭洪濤
(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司,山西 長治 046103)
煤礦隱蔽致災(zāi)體探測準(zhǔn)確度和有效性是綜合地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展趨勢,特別是對小構(gòu)造等地質(zhì)異常體的精確定位,是探查的難點。隨著煤田探測手段和方法的不斷發(fā)展,綜合探測方法和手段越來越多的應(yīng)用于煤田隱蔽致災(zāi)體的探測中,多種方法的綜合解釋與相互驗證,使得地質(zhì)構(gòu)造解釋的準(zhǔn)確度得到了提高。煤田地震勘探技術(shù)對于煤田的斷層構(gòu)造特別是小構(gòu)造的反映比較敏感,而瞬變電磁法探測對于構(gòu)造內(nèi)含水情況比較敏感。震電聯(lián)合探測方法可以利用三維地震勘探確定出隱蔽斷層構(gòu)造的位置和空間參數(shù),再利用瞬變電磁法探測確定主要斷層構(gòu)造的富水性,從而對影響礦井安全的地質(zhì)因素進(jìn)行綜合分析與確定,有效避免了單一探測方法的解釋位置有偏差的問題,提高了小構(gòu)造解釋的有效性和準(zhǔn)確性。礦井中震電組合探測主要應(yīng)用于礦井內(nèi)構(gòu)造比較大、復(fù)雜的地段,而對小構(gòu)造的探測及其敏感度的識別上還存在著一定問題。例如三維地震確定了小構(gòu)造的范圍和空間參數(shù),而多種小構(gòu)造的組合識別還存在著不完善的確定方法。瞬變電磁探測結(jié)果主要反映的是體積效應(yīng),而小構(gòu)造探測需要精確確定地質(zhì)體的邊界位置,如何通過視電阻率的分析確定其邊界成為有效探測含水構(gòu)造的難點。
針對震電聯(lián)合探測中的重點和難點問題,以余吾煤礦的南五采區(qū)地面三維地震勘探和瞬變電磁探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),針對該礦礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)特征,分別采用三維地震和瞬變電磁聯(lián)合探測方法,利用地震數(shù)據(jù)解釋地質(zhì)構(gòu)造體,結(jié)合瞬變電磁探測對含、富水性敏感的特性,解釋含、富水性構(gòu)造,對主要的陷落柱構(gòu)造進(jìn)行了綜合識別,解釋的效果好,探測精度高。
山西省余吾煤礦隸屬于潞安集團(tuán),主采3 號和15 號煤層,平均煤厚分別為6.00 m 和1.55 m。礦井全區(qū)為掩蓋區(qū),依據(jù)鉆孔揭露,主要地層為奧陶系、石炭系、二疊系及第四系。井田內(nèi)發(fā)育有規(guī)模大小不等的背斜、斷層和陷落柱構(gòu)造,屬于中等復(fù)雜程度,特別是在背斜軸部構(gòu)造發(fā)育密度大,規(guī)模不等。
依據(jù)淺表層和深層地質(zhì)存在的地球物理參數(shù)變化特征,南五采區(qū)采用地面三維地震勘探和瞬變電磁聯(lián)合勘探方式。利用三維地震對構(gòu)造特別是對于小斷層構(gòu)造敏感的特性,通過地震時間剖面和地震屬性特征易于識別小斷層的空間分布特征。同時,利用瞬變電磁法對對應(yīng)構(gòu)造的含水性及其富水特征敏感特性,對識別的構(gòu)造富水性進(jìn)行綜合確定。
陷落柱的探測和識別主要依據(jù)三維地震勘探取得的數(shù)據(jù),利用三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行縱、橫疊加時間剖面上識別,總體表現(xiàn)為煤層或者煤層組反射波波組中斷,同相軸發(fā)生扭曲、突變,反射波組發(fā)生分叉、合并和圈閉現(xiàn)象,繞射波或其反射波組振幅發(fā)生突變,“倒漏斗”半圈閉形態(tài)等特征。
三維地震數(shù)據(jù)采集采用5 m×10 m(CDP) 網(wǎng)格的8 線8 炮束狀觀測系統(tǒng),高頻帶數(shù)字檢波器,中間點10~16 m 深鉆孔炸藥激發(fā)方式;428UL 數(shù)字地震儀接收系統(tǒng),0.5 ms 的采樣間隔,1.0 s 的記錄長度。
瞬變電磁是利用時間域電磁感應(yīng)原理,通過感應(yīng)二次場的變化反演出地下地質(zhì)體空間分布特征的一種勘探方法。該方法對地下低阻異常體探測競速高,采用大定源回線裝置進(jìn)行測量,如圖1 所示。
圖1 大定源回線裝置測量方式示意圖Fig.1 Measuring method of large fixed source return line device
野外數(shù)據(jù)采集采用TerraTEM 瞬變電磁測量系統(tǒng),Terra TX-50 大功率發(fā)射機(jī),采樣率每道500 KHz,固定;接收發(fā)射線圈電阻、發(fā)射電流、關(guān)斷時間、電池電壓、自動增益調(diào)節(jié)、位移標(biāo)定等測量內(nèi)容;實驗參數(shù)有發(fā)射線框840 m×840 m、720 m×720 m 的正方形框;發(fā)射頻率25、6.25 和2.5 Hz;增益64、100 和1 000 db 時間序列。確定發(fā)射頻率確定為6.25 Hz,增益為100 db,發(fā)射邊長840 m×840 m。
陷落柱的精細(xì)識別重點需要識別出陷落點位置,一般認(rèn)為在地震時間剖面上會出現(xiàn)反射波或反射波組同相軸出現(xiàn)終止、扭曲或產(chǎn)狀突變、分叉合并和圈閉現(xiàn)象或者出現(xiàn)相位轉(zhuǎn)換、振幅突變繞射波、衍射波、散射波等特征波,都是識別陷落柱位置的識別標(biāo)準(zhǔn)。陷落柱在疊加時間剖面的反映如圖2 所示。
圖2 陷落柱在疊加時間剖面的反映Fig.2 The reflection of collapse column in superimposed time profile
三維地震數(shù)據(jù)體中包含了大量的地震屬性信息,通過已知陷落柱的地震勘探數(shù)據(jù)驗證信息,可優(yōu)選出此次識別陷落柱構(gòu)造的敏感性地震屬性,主要應(yīng)用三維地震數(shù)據(jù)中的順層能量、順層方差、相干屬性、最小曲率屬性等基本屬性信息在水平切片圖中陷落柱的特點,進(jìn)行綜合識別與確定。
綜合解釋的陷落柱X32 平面圖上呈不規(guī)則橢圓形,空間形態(tài)表現(xiàn)為反漏斗狀特征。識別出該陷落柱為長160 m、寬110 m 的近橢圓形。識別標(biāo)志有疊加時間剖面(圖3a) 反映出陷落柱邊界處煤層及巖層的產(chǎn)狀變化較大;偏移時間剖面(圖3b)反映出陷落柱邊界處出現(xiàn)煤層反射波中斷、分叉;地震相干平面圖(圖3c) 反映出陷落柱X32 比較規(guī)整的相干能量團(tuán)圈閉現(xiàn)象;地震水平切片平面圖(圖3d) 表明陷落柱X32 呈現(xiàn)比較規(guī)整的能量團(tuán)圈閉內(nèi)外的能量突變特征。
圖3 陷落柱X32 在疊加時間剖面(a)、偏移時間剖面(b)、相干切片(c) 和能量切片(d) 的反映Fig.3 The reflection of collapse column in superimposed time profile(a),offset time profile(b),coherent slice(c)and energy slice(d)
瞬變電磁采集的數(shù)據(jù),經(jīng)過精細(xì)處理、專業(yè)軟件的綜合解釋,得到數(shù)據(jù)體內(nèi)各測線視電阻率擬斷面圖,結(jié)合處理后的視電阻率變化等特征,識別陷落柱位置及其富水性特征。
圖4為電阻率反演斷面圖,可看出X32 陷落柱邊界位置地段視電阻率值線扭曲、變形,幅值低于圍巖,推斷X32 陷落柱為含水構(gòu)造。
圖4 陷落柱X32 的視電阻率反演斷面圖Fig.4 Inversion cross section of apparent resistivity of collapse column X32
為判定X32 陷落柱的含、導(dǎo)水性,將相應(yīng)地段各含水異常范圍進(jìn)行疊置,依據(jù)主要可采煤層、電法探測標(biāo)志層間距等參數(shù),將各層位富水區(qū)疊置在3 煤層底板構(gòu)造上,繪制綜合水文地質(zhì)剖面圖,如圖5 所示。
圖5 陷落柱X32 綜合水文地質(zhì)剖面圖Fig.5 Comprehensive hydrogeological profile of collapse column X32
煤礦井陷落柱構(gòu)造成為影響礦井安全生產(chǎn)重要的地質(zhì)因素,為準(zhǔn)確、有效、精細(xì)確定余吾煤礦的南五采區(qū)陷落柱構(gòu)造空間位置和富水性特征,采用三維地震和瞬變電磁聯(lián)合探測方式進(jìn)行綜合分析、解釋,效果明顯。
(1) 三維地震勘探具有對陷落柱構(gòu)造邊界反映靈敏的特點,通過三維地震時間平、剖面和三維地震屬性識別技術(shù),確定了陷落柱的空間分布特征。
(2) 利用地面瞬變電磁探測數(shù)據(jù)對含水性構(gòu)造敏感特性,確定了陷落柱及其周邊空間分布特征的同時,對周邊含水層、陷落柱構(gòu)造與各含水層之間的空間分布關(guān)系進(jìn)行綜合確定與評價。
(3) 綜合探測結(jié)果表明,三維地震數(shù)據(jù)體對陷落柱構(gòu)造邊界敏感,瞬變電磁探測可分析評價構(gòu)造的含、富水性。