煤矿物探方法之三维地震法的应用

煤矿物探方法之三维地震法的应用

刘朋 ZS09010046

我国煤炭地质勘探行业除了在井下采用坑透、电法、地质雷达、煤层钻探等手段外，还将地震勘探应用于采区工作面的地质勘探当中。该方法在平原地区的勘探效果尤为理想，而山区由于受地形、浅层地震地质条件限制（如煤层与岩层相比厚度很小，相对埋深又太大，用地面物探方法也不易达到综采要求），出现的问题较多，也曾一度阻碍了地震勘探在煤矿矿井中的应用发展。不过随着物探技术的发展、成熟以及煤矿生产中越来越多地质问题的解决，煤矿矿井物探技术也得到了长足的发展。

众所周知，煤田地震勘探主要任务便是解决煤系地层的地质构造问题。根据勘探区的地形和浅层地震地质条件的复杂程度，地质任务一般是要求查明主要目的层的起伏形态，深度误差在1%~2%，幅度大于等于5 m的小褶曲。在控制煤层的起伏形态方面对不同地区准确率可达85%~95%。而三维地震勘探作为一种面积观测方式，对所得资料能够实现反射点的真正归位,从而获得地下地质构造在三维空间的特征，通过利用三维可视化技术可以全方位地分析时间剖面上小断层的微小变化及其走向。

国内，尤其是在华东等地震地质条件良好的地区，落差5～10ｍ的断层被准确探测出来的几率可达到90％左右；在平原勘探区浅层地震地质条件好的情况下，3～5ｍ断点的准确率在50％左右，山区及复杂浅层地震地质条件下，大于等于5ｍ 断层的准确率在70％～80％，3～5ｍ 断层的准确率在20％左右。

而另一方面对于陷落柱的判别，由于勘探分辨率所限及浅层地震地质条件的复杂性，目前主要是解决长轴大于等于25m的陷落柱（勘探准确率可达80%）。所谓陷落柱，其实是属于非构造变动作用下形成的表生构造，其内混杂堆积着破碎岩块，岩块间由泥质紧密地充填。地震反射波在穿过陷落柱时，由高速层进入低速层发生了时间延迟，从而在地震时间剖面上能推断出陷落柱的几何形态及塌陷深度。

接下来介绍得是采空区。采空区系指可开采的煤层被采掘以所余的空间区域。采空区的赋存情况特别复杂，一般分为以下两种情况：一种是大型矿井的采空区，相对大型及特大型的矿井而言，机械化程度较高，采掘率在85%以上，其采空区自然坍塌,即煤层顶板及上覆地层自然塌陷充填采空区，致使上覆地层松散。由于顶底板岩性的密度差异较小，波阻抗减小，以致于不能形成能量强、连续性较好的反射波组，相对正常煤层反射波而言，采空区的

波组特征易于识别；另一种是小型煤矿的采空区，相对小煤窑而言，采掘技术落后，一般采用房柱方式开采，采挖过程中为了确保安全生产留有大量煤柱，对较厚的煤层采挖一部分,有的沿顶板往下采挖上半部分，有的沿底板往上采挖下半部分，大多数小煤窑不放顶任其自然坍塌采掘率相当低。对于采空区范围的划定，由于采空区地球物理特征相当复杂，所形成的波阻抗差异不大，仍能形成能量较强、连续性较好的煤层反射波阻，因此在时间剖面上不易识别。

由于煤矿地质情况的复杂性，矿井物探单凭某一种物探技术很难解决更复杂的地质问题，因此在实际的工作中，往往结合地震、电法以及重磁等多种手段与方法来处理遇到的各种不同问题。例如地震法与电法的结合使用。下面所介绍的是高密度直流电法，该方法轻便、快速、准确，不受电线电缆、掘进机械的影响，对工作条件要求不高，对含水等低阻异常体敏感，可以有效解决以下几方面的问题：

ａ）探测矿井突水、导水通道；巷道底板有效隔水层厚度、含水层厚度及其富水性分布规律；

ｂ）探测带压灰岩水的原始导升高度、潜在突水点；

ｃ）探测煤层底板断裂破碎带等小构造影响范围；

ｄ）探测工作面底板导水构造、潜在突水构造；工作面带压开采条件物探评价及工作面探放水孔位置选择；

ｅ）工作面底板注浆效果检测；

ｆ）小煤窑等老窑积水区探测；

ｇ）陷落柱及其富水性探测。

下图1即为在山西省西山局的西曲矿矿北一盘区东翼高分辨率三维地震勘探研究中，通过与高密度直流电法综合使用，探测下组煤层老窑采空巷道的结果，矿井地震的2 号采空巷道异常与高密度直流电法检验11号异常位置对应，打钻验证在底板下7.3m 见到采空（冒落）巷道．

图1 矿井三维地震与高密度直流电法探测煤层底板采空区示意图

（a）地震勘探结果 （b）高密度直流电法勘探结果

各种各样的矿井物探方法，在近几年理论和技术发展的带动下，均取得了较为丰富的成果，如：

（1）探测范围日益增多。目前能探测的地质问题包括以下方面：

煤层中的各种小断层

煤层厚度变化及煤层形态

煤层中的夹石、包裹体与火成岩

煤系地层中的岩溶与陷落柱

煤层顶底板裂隙及其稳定性

瓦斯、煤与岩石突出带

煤层自然发火地带

巷道离煤层的距离、巷道与灾害性地质构造的距离

被淹没巷道的位置及其突水通道位置

围岩的含水性与疏干效果

带压水潜在突构造及老窑采空积水区位置等等．

（2）节省时间、资金，更为安全、可靠。尤其与钻探和巷探相比，矿井物探的这种优点更为突出。因为矿井物探方法属非接触性探测，所以不仅能大大节省巷探和钻探工程量及时间，还能减少因直接揭露高压水或瓦斯构造产生突出的危险。

（3）矿井物探方法有多种多样，各种方法都能有成效地解决一定的地质问题。可根据要解决的问题与地质及地球物理条件进行选择，或采用几个方法的综合探测，获得较为完善、精确的地质资料。

当然，在实际操作中，我们也发现，许多方法还不够完善，尚有待进一步研究提高。以目前已经在煤矿领域得到广泛应用的三维地震法举例来说，便已暴露出了许多问题，主要包括：

(1) 地震成果的利用率低，仅限于煤层底板等高线图和固定间距的地震时间剖面，无法利用三维地震数据体的所有信息；

(2) 无法实时获得沿巷道方向(即任意方向)的地震剖面；

(3) 无法对煤层底板等高线的误差进行修正；

(4) 在掘进和回采过程中，可以发现许多小于5m的断层，但是无法自动修改原构造解释方案(即无法自动修改煤层底板等高线图)。

此外在围绕煤矿各种灾害方面（瓦斯与煤尘、冒顶、自然发火、水害、冲击地压等），我国矿井物探技术仍存在许多盲点。如在确定较宽综采工作面内局部煤层缺失带分布规律、定量超前预测掘进巷道侧前方灾害性地质构造、准确预测不规则小煤窑采空区位置及其含水性、提前预测煤与瓦斯突出灾害性地质构造的空间位置、提前预测冲击地压影响范围等方面。同时，物探在煤矿井下应用条件的研究也还不够深入，例如：仪器的作用距离短、分辨能力不高；许多仪器还达不到轻便防爆的要求；方法试验较多，理论研究相对较少；资料解释定性的多，定量解释的少；理想化理论多，具体问题理论少；不同的方法还没有形成相应的技术规范等等。

尽管存在的不足还很多，不过我们也欣喜的看见，近年来，在分形技术、小波理论、模式识别、反演方法、预测理论等许多方面不断有新的提高，为矿井物探技术发展提供了新思路、新方法、新模式。我们有理由相信随着这些新理论、新方法的引入，加之其它高新技术的广泛应用，并结合、强化与其他学科的交叉和渗透（如：矿井地质、水文地质、计算机、数学地球物理方法、地理信息系统等），矿井物探未来的前景必定蔚为壮观。而随着物探技术的不断进步， …… 此处隐藏：1362字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……