劉 毅，曹武慶，薛 江，穆曉強(qiáng)，弓江豪

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

山西下合煤礦位于山西省武鄉(xiāng)縣城東南的韓北鄉(xiāng)下合村境內(nèi)。井田位于太行山西麓，為地形切割較強(qiáng)的中低山黃土地貌。區(qū)內(nèi)黃土陡坎、沖溝發(fā)育，黃土塬、梁、峁廣泛分布，井田總的地勢為東部和西北部梁峁高，中南部的下合溝河床低，最高點(diǎn)位于井田北部的山梁頂，標(biāo)高為+1 030.25 m，最低點(diǎn)位于井田南部邊界下合溝底，標(biāo)高為+899.00 m，最大相對高差為131.25 m。在井田內(nèi)大面積出露第四系地層，厚度變化大，第四系地層以角度不整合于下伏不同地層之上。第四系中上更新統(tǒng)一般為10.00～65.00 m，平均厚度為35.00 m，巖性主要為灰黃色、棕色粉質(zhì)黏土，局部夾砂、礫石層。第四系全新統(tǒng)主要為現(xiàn)代沖積物，分布于下合溝河谷，為砂礫、卵石、泥沙混合物，厚度0～15.00 m，平均厚度為8.00 m。井田總體呈北西傾伏的單斜構(gòu)造，井田地層總體走向NE-NNE，傾向?yàn)镹W-NWW，傾角4°～8°，井下巷道揭露斷層共3條，陷落柱4個(gè)，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入。

水文地質(zhì)情況為井田內(nèi)無常年性河流及地表水體，只發(fā)育季節(jié)性排洪沖溝或溝河，平時(shí)干涸，雨季匯聚洪水，大部向井田中南部的下合溝排泄，局部向井田東南部邊界處的另一條主沖溝排泄，2條主沖溝(河)在井田南部邊界附近匯合后注入洪水河，向西南匯入濁漳河北源，濁漳河向東南—東流出本省。井田屬海河流域漳河水系濁漳河支流。主要含水層為第四系松散層孔隙砂礫石含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組砂巖及石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。主要隔水層為二疊系砂巖含水層層間隔水層、上石炭統(tǒng)的太原組底部泥巖隔水層、中石炭本溪組隔水層組。

探測的目的煤層主要為石炭系上統(tǒng)太原組的15號(hào)煤層。為了查明15號(hào)煤層的斷層、陷落柱、采空區(qū)等構(gòu)造及采空積水的具體分布范圍，需對該礦新增區(qū)進(jìn)行三維地震及瞬變電磁綜合勘探工作。

1 數(shù)據(jù)采集與分析

1.1 儀器設(shè)備與參數(shù)

三維地震勘探試驗(yàn)所用儀器為英國BP公司研制的Stryde節(jié)點(diǎn)儀器，檢波器類型為1c壓電式加速度檢波器，該儀器輕巧便攜，性能穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)范圍大，頻帶寬度為1～125 Hz。在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，可以大大提高地形復(fù)雜的黃土塬地段施工效率。

瞬變電磁勘探試驗(yàn)所用儀器為美國ZONGE公司研發(fā)的GDP-32Ⅱ電法工作站，信號(hào)發(fā)射采用配套的GGT-10發(fā)射機(jī)。該儀器對異常體反應(yīng)靈敏，體效應(yīng)小，分辨率高，施工高效快捷，特別是采用大定源內(nèi)回線裝置探測分辨率更高。為提高信噪比，加大勘探深度，可通過加大發(fā)射功率來增強(qiáng)二次場[1 -3]。同時(shí)可通過多次脈沖激發(fā)場的疊加和空間域多次覆蓋技術(shù)來提高信噪比，可應(yīng)用于各種噪聲干擾大、工作復(fù)雜的施工環(huán)境[4 -7]。

1.2 試驗(yàn)工作

1.2.1 三維地震勘探試驗(yàn)工作

為確?？碧饺蝿?wù)的完成，獲取高品質(zhì)的原始資料，為資料采集及處理提供可靠的施工參數(shù)和處理參數(shù)，通過處理能夠獲得高信噪比、高分辨率、高保真度的原始數(shù)據(jù)，真實(shí)地呈現(xiàn)勘探區(qū)內(nèi)時(shí)間域的地下構(gòu)造成像，需進(jìn)行詳細(xì)的生產(chǎn)前激發(fā)和接收參數(shù)試驗(yàn)及淺層地質(zhì)調(diào)查工作。激發(fā)試驗(yàn)主要根據(jù)勘查區(qū)內(nèi)的地形及地震地質(zhì)條件進(jìn)行井深6 m、8 m、10 m、12 m(紅土層內(nèi)2 m)、14 m、18 m、20 m等不同井深的對比試驗(yàn)、藥量1 kg、2 kg、3 kg的藥量對比試驗(yàn)及單井和3井組合的對比試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)結(jié)果的頻率、能量和信噪比分析，最終選擇單井、井深12 m或紅土層內(nèi)2 m、藥量2 kg的激發(fā)參數(shù)。圖1為單井、井深12 m(紅土層內(nèi)2 m)、藥量2 kg的原始單炮地震記錄。

圖1 原始單炮地震記錄Fig.1 Original single gun earthquake record

1.2.2 瞬變電磁勘探試驗(yàn)工作

地面瞬變電磁勘探試驗(yàn)的主要目的是檢測儀器的穩(wěn)定性、一致性、方法有效性以及選擇最佳數(shù)據(jù)采集參數(shù)，了解勘探區(qū)的地電條件、干擾背景以及勘探區(qū)的地球物理特征，采用不同的裝置參數(shù)組合進(jìn)行采集，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，繪制不同參數(shù)條件下的處理圖件，再結(jié)合34鉆孔和511鉆孔揭露地層情況，確定適合本次勘探工作的最佳施工參數(shù)。由于勘查區(qū)內(nèi)煤層埋深變化較大，北部埋藏較深，最大深度約400 m；南部埋藏較淺，最淺深度約180 m。為了兼顧深部和淺部煤層的探測，將勘查區(qū)分為北部深區(qū)和南部淺區(qū)。通過對各參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析，最終確定對于北部深區(qū)采用發(fā)射線框320 m×320 m，發(fā)射頻率16 Hz，電流12 A，采樣延時(shí)300 μs，疊加次數(shù)12次。北部深區(qū)試驗(yàn)線成果如圖2所示。對于南部淺區(qū)采用發(fā)射線框240 m×240 m，發(fā)射頻率為16 Hz，電流為12 A，采樣延時(shí)270 μs，疊加次數(shù)128次。南部淺區(qū)試驗(yàn)線成果如圖3所示。

1.3 探測效果分析

1.3.1 三維地震探測效果分析

三維地震勘探采用12L×6S×80T×3R×24次線束狀觀測系統(tǒng)，該觀測系統(tǒng)方位角更寬，有利于煤層埋深變化較大區(qū)域的探測。圖4為該觀測系統(tǒng)炮檢距及方位角分布。本次野外施工共完成地震測線15束，總計(jì)獲得地震物理點(diǎn)1 650個(gè)：其中生產(chǎn)物理點(diǎn)1 619個(gè)，甲級(jí)物理點(diǎn)1 001個(gè)，甲級(jí)率61.83%；乙級(jí)物理點(diǎn)617個(gè)，合格率99.94%；試驗(yàn)物理點(diǎn)有31個(gè)，合格率100%?？碧矫娣e2.07 km2，CDP覆蓋面積4.12 km2，滿覆蓋面積2.22 km2，施工面積5.45 km2。各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均符合“規(guī)范”和“設(shè)計(jì)”要求。區(qū)內(nèi)主要可采煤層15號(hào)煤層厚度較穩(wěn)定，圍巖基本上以砂巖為主，煤層與圍巖巖性特征差異較明顯，可形成穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)反射波。圖5為勘查區(qū)疊加剖面，明顯可見目的層15號(hào)煤層。

圖2 北部深區(qū)試驗(yàn)線成果Fig.2 Results of the northern deep zone test line

圖3 南部淺區(qū)試驗(yàn)線成果Fig.3 Results of the southern shallow zone test line

圖4 炮檢距及方位角分布Fig.4 Gun detection distance and azimuth distribution

1.3.2 瞬變電磁探測效果分析

瞬變電磁勘探共完成瞬變電磁物理點(diǎn)2 909個(gè)，其中試驗(yàn)點(diǎn)85個(gè)(全部合格)，坐標(biāo)點(diǎn)2 713個(gè)，檢查點(diǎn)111個(gè)(占總物理點(diǎn)數(shù)的4.09%)。經(jīng)評級(jí)，甲級(jí)點(diǎn)2 218個(gè)，甲級(jí)率為81.75%，乙級(jí)點(diǎn)483個(gè)，乙級(jí)率為17.80%，丙級(jí)點(diǎn)12個(gè)，丙級(jí)率為0.45%，全區(qū)檢測點(diǎn)平均均方相對誤差6.09%，符合規(guī)范要求。不同巖層具有不同的導(dǎo)電性，一般泥巖、粉砂巖、中粗砂巖電阻率值依次增高。煤系地層有層狀分布特點(diǎn)，在橫向上沿地層走向?qū)щ娦韵鄬?，縱向上視電阻率的變化規(guī)律基本一致。如果巖層中有充水裂隙、采空積水區(qū)等構(gòu)造存在，或受斷層切割，破碎帶含水、導(dǎo)水時(shí)，由于水體良好的導(dǎo)電性，使其與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，也是用電法進(jìn)行水文地質(zhì)探測的地球物理前提。區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組地層，煤層采空后如若存在積水情況，視電阻率會(huì)出現(xiàn)明顯降低的特征反映；圖6為勘查區(qū)196線(鉆孔34附近)典型TEM等視電阻率斷面，由圖易知，視電阻率值從縱向上呈逐漸升高趨勢，與地層情況相吻合；橫向上，煤系地層層位穩(wěn)定，等值線平滑成層。部分地段(圖中藍(lán)色圈閉區(qū)域)出現(xiàn)等值線下凹，與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，視電阻率降低特征，分析為上覆巖層較富水的特征反映。

圖5 勘查區(qū)疊加剖面Fig.5 Stacked section of exploration area

2 勘探成果解釋

2.1 三維地震勘探結(jié)果解釋

三維地震數(shù)據(jù)通過CGG軟件處理后，形成可供解釋的三維地震偏移數(shù)據(jù)體。利用已知鉆孔進(jìn)行人工合成記錄，確定出15號(hào)煤層反射波。根據(jù)反射波同向性、振幅強(qiáng)、波形相似及連續(xù)性，對全區(qū)目的層反射波進(jìn)行追蹤，并按照40 m×80 m的網(wǎng)格抽取時(shí)間剖面。根據(jù)同相軸的錯(cuò)斷、終止、扭曲、產(chǎn)狀突變、分叉合并、相位轉(zhuǎn)換、斷面波、繞射波等標(biāo)志識(shí)別斷點(diǎn)[8]，并結(jié)合地震屬性技術(shù)[9 -11]進(jìn)行斷層和陷落柱、采空區(qū)等構(gòu)造的解釋。圖7為不同構(gòu)造在不同地震屬性上的顯示。

圖6 196線(鉆孔34附近)典型TEM等視電阻率斷面Fig.6 196-line(near drilling hole 34)typical TEM isoapparent resistivity section

圖7 不同構(gòu)造在不同地震屬性上的顯示Fig.7 Display of different structures on different seismic properties

2.2 瞬變電磁勘探結(jié)果解釋

對已知鉆孔孔旁瞬變電磁法單點(diǎn)曲線分析，得到區(qū)內(nèi)各地層與電性層的對應(yīng)關(guān)系，總結(jié)出本區(qū)總的解釋原則，再結(jié)合地質(zhì)、含水層視電阻率值的大小及層厚和埋深等因素，由點(diǎn)到線，由線到面，劃分、圈定各含水層富水異常區(qū)。一般情況下，地層含水時(shí)的電阻率值較不含水時(shí)低，含水性越強(qiáng)，電阻率值越低。瞬變電磁勘探所用的參數(shù)為視電阻率，該物性參數(shù)與電阻率密切相關(guān)，基本可以反映地層的電性變化。結(jié)果解釋主要依據(jù)視電阻率斷面圖和異常平面圖進(jìn)行綜合分析。由于瞬變電磁勘探獲得的測線有43條，經(jīng)處理解釋后獲得的斷面圖有43幅?，F(xiàn)僅以204線作為代表性斷面圖予以解釋。圖8為204線瞬變電磁綜合解釋斷面。

地質(zhì)解釋斷面圖中土黃色填充部分為第四系，黑色實(shí)線為15號(hào)煤底板。根據(jù)測區(qū)地質(zhì)資料，結(jié)合資料解釋情況，將勘查區(qū)內(nèi)各測線等視電阻率斷面自上而下大致劃分為3組電性層：第1組電性層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組地層，其視電阻率較低，一般為25～45 Ω·m；第2組電性層為石炭系太原組和本溪組上統(tǒng)含煤地層，視電阻率較高，為35～55 Ω·m左右；第3組電性層為奧陶系地層，視電阻率一般大于50 Ω·m，為明顯高阻層。

從視電阻率斷面圖中可以看出視電阻率等值線變化特征為：縱向上，視電阻率隨深度的增加呈逐漸升高趨勢，淺部低阻層為二疊系地層特征反映，而深部高阻層則為奧陶系地層反映；橫向上視電阻率等值線基本呈水平層狀，反映了地層層狀分布的特點(diǎn)；在部分地段如在1960～2040段石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組附近出現(xiàn)等值線明顯下凹陷特征，分析認(rèn)為該段附近地層含水可能性較大，而在15號(hào)煤附近的3040～3680段則出現(xiàn)等值線向下凹陷及低阻圈閉狀，電阻率降低的特征反映，結(jié)合井下探水孔和已知資料分析認(rèn)為該段附近為15號(hào)煤頂板巖層較富水的特征反映。

2.3 三維地震及瞬變電磁勘探成果綜合解釋

將三維地震勘探成果及瞬變電磁勘探成果放在一起進(jìn)行綜合分析對比，可以進(jìn)一步提高解釋精度?？梢园l(fā)現(xiàn)，地震時(shí)間剖面Inline 396線的Cdp 490至610段波組紊亂，同相軸變形；瞬變電磁196測線的3 120～3 700段呈低阻反應(yīng)，如圖9所示。經(jīng)換算后發(fā)現(xiàn)2種方法解釋的異常位置基本吻合，初步判斷為采空積水。

圖8 204線瞬變電磁綜合解釋斷面Fig.8 Comprehensive interpretation section of line 204 transient electromagnetic

圖9 采空積水在地震時(shí)間剖面和TEM等視電阻率斷面Fig.9 Seismic time profile and TEM isoapparent resistivity profile of water in goaf

3 結(jié)論

(1)通過三維地震及瞬變電磁勘探技術(shù)，解釋5條落差大于5 m的斷層，8個(gè)長軸直徑大于30 m的陷落柱，圈定1處面積約0.132 km2采空積水范圍，基本完成地質(zhì)任務(wù)要求。

(2)通過后期鉆孔驗(yàn)證，施工所得結(jié)論正確，為礦方下一步施工提供參考。同時(shí)證明三維地震及瞬變電磁綜合勘探在構(gòu)造解釋中的適用性和準(zhǔn)確性。