同煤集团新井田潘家窑首采区综合勘探新技术运用实例

胡晓宏

摘 要：从山西省煤炭地质一一五勘查院在同煤集团新建矿田首采区勘查中采用的三维地震技术、GPS测量技术和数字测井技术综合的实例入手，反映了煤田地质勘探运用先进的技术手段、方法对提高勘查程度的作用，以期为相关单位提供参考。

关键词：综合勘探技术；三维地震技术；GPS测量技术；数字测井技术

中图分类号：P624 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.132

1 项目简介

大同煤炭集团有限公司（简称同煤集团）潘家窑井田是2010年国家发改委批准的新建矿井，设计规模为每年1.0×107 t。通过招标的方式，选定了山西省煤炭地质一一五勘查院进行首采区地段煤炭地质勘查，目的是为矿井建设可行性研究和矿井初步设计提供可靠的地质资料，满足矿井对煤炭资源的开发要求。

2 井田概况

潘家窑井田位于大同煤田西北部，山西省左云县境内，三面为低山区，西为西石山、南为洪涛山、东南为口泉山脉。井田内为低山丘陵地貌，相对高差为206.1 m。其周边为规划和在建的井田，南面为马道头井田，西北面为刘家窑井田，西面为大西庄井田，东面为同煤大唐塔山井田，东北面为东周窑井田。首采区位于井田西部，东西长5 000 m，南北宽4 000 m，面积为19.549 5 km2。相邻关系位置图层如图1所示。

图1 相邻关系位置图层

本井田范围内多为黄土覆盖，基岩出露零星。区内赋存地层从老到新有古生界奥陶系下统、石炭系中统本溪组、上统太原组；二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组；中生界侏罗系下统永定庄组、中统大同组；白垩系下统左云组和尖口山组，基岩地层总平均厚度为966.76 m；第四系中上更新统和全新统地层的平均厚度为26.99 m。

主要赋存煤层为石炭系太原组煤层，太原组含煤12层，其中3，5，8号煤层为较稳定煤层，其余煤层均为不稳定煤层，7，8-1煤层局部可采。3，5，7，8-1，8总体均为长焰煤。其工业用途主要为动力用煤。首采地段内5，8-1，8可采，其余煤层均不可采。

本区位于内蒙断块（Ⅲ）与太行吕梁断块（Ⅲ）中的云冈块坳（Ⅳ）偏关—神池块坪（Ⅳ）复合部位，构造作用力强烈，构造形迹复杂，序次杂乱，断裂和褶皱多以隐伏构造形式存在。山西省大同煤田左云县潘家窑勘查区煤炭详查（2006年山西省矿业权价款项目）时，采用二维地震技术，揭露井田有5条断距>10 m，延伸500～8 300 m断层和10个孤立断点，均为隐伏性质，影响着煤矿井巷工程的布设。

在此区域也有多期岩浆活动，主要为浅层或超浅层超基性岩，多沿构造面上升侵入煤层，与煤层发生热接触反应，使煤变硬、变脆、挥发分逸失，甚至蚀变成天然焦。在有关文献中多次提及其对煤层的破坏主要为印支期的煌斑岩（绝对年龄值2.0亿～2.4亿年）、喜山期辉绿岩等，影响了煤的采掘和煤的利用价值。

3 施工方案和施工流程

同煤集团对本次勘探共提出了十一项任务要求。其中，第四项、第八项是难以用常规勘探手段完成的，即详细查明先期开采地段可采煤层层位和厚度变化、确定可采煤层的连续性、控制先期开采地段内各可采煤层的可采范围（包括煤层因受岩浆侵入、古河流冲刷、古隆起和陷落柱等的影响，使煤层厚度和可采性发生的变化）、应控制厚度变化较大的主要可采煤层的煤层等厚线。

详细调查老窑、小煤矿和生产矿井的分布和开采情况，划出其采空范围，应尽可能地控制老窑采空区，并评述其积水情况，详细调查生产矿井和小煤矿的涌水量、水质和周期动态变化，并分析其充水因素。

鉴于上述情况和对以往资料的研究，决定采用更为先进的三维地震技术参与综合勘查。采用地面地质、水、工、环修测调查、三维地震勘探、工程测量、地下钻探施工、采样、测井验证与化验实验相结合的综合勘查方法。本次勘探始于2012-03-02，2013-05-31结束野外勘探工作。钻探工程施工钻孔40个，其中，水文孔3个，物探三维地震工程12 km2。

4 新技术、新工艺的应用

本次勘探为综合勘探，采用的新技术主要有三维地震技术、GPS技术和数字测井软件解译技术，具体如下。

4.1 三维地震技术

三维地震勘探与二维地震勘探相比，前者不仅能获得地震剖面图，还能获得三维空间的数据体，三维数据的信息点密度可达12.5 m×12.5 m（即每在12.5 m×12.5 m的面积内采集1个数据）；后者测线信息点的密度最高为1 km×1 km。由于三维地震勘探获得的信息丰富、地震剖面分辨率高，尤其对地下的古河流、古湖泊、古隆起、古喀斯特地貌和断层等均可直接或间接反映出来。

本次三维地震技术主要用以构造、褶曲、岩溶陷落、采空区分布查找、钻探、测井确定的煤层状况验证、煤层的连续性判断，岩浆岩的侵入范围、形态、规模和采空区分布。本文仅以断层、陷落柱查找为例加以说明。

4.1.1 区内地质地震条件

本区地貌以黄土丘陵为主，地形简单，相对高差在100～200 m，起伏变化不大。区内大部被黄土覆盖，厚20 m左右，激发条件一般。因此，浅表层地震地质条件一般，主要煤层（5号煤层）厚度较大，与围岩存在一定的波阻抗差异，可形成一定能量的地震反射波，且煤层赋存稳定，厚度变化不大。因此，深层地震地质条件较好。

4.1.2 工作量、工作方法

本次三维地震勘探地面施工，满覆盖面积为12.4 km2，勘探面积为12 km2，野外数据采集共完成三维线束10束，微地震测井3口。总计完成物理点6 682个，包括线上物理点6 633个、试验物理点37个和微地震测井折合物理点12个。除局部野外采集数据质量略受影响、单炮记录面貌有所变化外，区域单炮资料的整体性较好，符合《煤炭煤层气地震勘探规范》中的有关标准，具体如表1所示。解释使用5 m×5 m的网度三维偏移数据体，按照40 m×80 m的间距共评价了T5波797个断点和T8波812个断点。其中，A级断点（T5波、T8波）共计893个，占55.50%；B级断点（T5波、T8波）404个，占25.11%；C级断点（T5波、T8波）312个，占19.39%；A+B级断点（T5波、T8波）1 287个，占80.61%.

表1 三维地震线上原始记录质量评级表

线束号 设计

物理点 完成

物理点 甲级

/个 甲级率

/% 乙级

/个 乙级率

/% 废品

/个 废品率

/% 合格 合格率

/%

SW1 640 676 443 65.53 230 34.02 3 0.44 673 99.56

SW2 640 676 427 63.17 245 36.24 4 0.59 672 99.41

SW3 640 674 444 65.88 228 33.83 2 0.30 672 99.70

SW4 640 654 370 56.57 281 42.97 3 0.46 651 99.54

SW5 640 647 387 59.81 256 39.57 4 0.62 643 99.38

SW6 640 652 427 65.49 221 33.90 4 0.61 648 99.39

SW7 640 641 456 71.14 181 28.24 4 0.62 637 99.38

SW8 640 661 502 75.95 156 23.60 3 0.45 658 99.55

SW9 640 666 519 77.93 141 21.17 6 0.90 660 99.10

SW10 680 686 414 60.35 267 38.92 5 0.73 681 99.27

线束物理

点小计 6 440 6 633 4 389 66.17 2 206 33.26 38 0.57 6 595 99.43

4.1.3 主要成果和精度

4.1.3.1 构造方面

在构造方面，详查时仅发现5条断层，10个孤立断点。本次三维地震又新发现51条断层，其中，落差>20 m的断层16条，孤立断点落差>20 m的8条。三维地震成果按照落差划分：落差≥50 m的1条，为DF10；50 m>落差≥30 m的2条，分别为DF45、DF58；30 m>落差≥20 m的8条，分别为DF1、DF4、DF16、DF29、DF43、DF51、DF63、DF64；20 m>落差≥10 m的10条，分别为DF8、DF12、DF13、DF17、DFN19、DF21、DF53、DF57、DF62、DF68；10 m>落差≥8 m的2条，分别为DF38、DF48。其中，可靠断层19条，较可靠断层4条，具体如图2所示。

图2 断层落差详解图

4.1.3.2 确定陷落柱和异常区

发现陷落柱构造7个，均同时陷落5#煤层和8#煤层，长轴都>30 m。解释反射波异常区11个，根据钻孔资料，P401孔位置处三维地震解释异常区YC18，在报告中推断为陷落柱XLZ18。具体如表2所示。

表2 陷落柱、异常区解释成果一览表

陷落柱/

异常区

名称 长轴

方向 长轴长

度/m 短轴长

度/m 面积/m2 评级

间隔/m 评级

点数

/个 可靠

程度

5煤 8煤 5煤 8煤 5煤 8煤

YC1 NNW 185 178 116 123 16 758 16 296 20×20 26 异常区

YC2 NNE 153 150 117 115 14 042 13 954 20×20 28 异常区

YC3 NWW 282 320 35 66 15 270 20 376 20×20 42 异常区

XLZ4 SN 61 115 35 69 1 613 5 890 20×20 14 较可靠

XLZ5 NE 100 143 52 59 3 973 7 636 20×20 18 较可靠

XLZ6 SN 144 169 84 103 9 865 14 688 20×20 28 可靠

YC7 NNE 189 226 114 148 15 755 26 527 20×20 32 异常区

XLZ8 SN 113 139 106 119 8 084 12480 20×20 22 可靠

XLZ9 NNE 81 193 55 136 3 539 21 730 20×20 32 较可靠

YC10 NW 283 298 60 94 14 675 27 084 20×20 46 异常区

XLZ11 SN 139 183 52 88 5 522 11 693 20×20 20 可靠

YC12 SN 73 103 57 93 3 517 8 046 20×20 12 异常区

XLZ13 NNE 52 76 31 68 1 307 4 106 20×20 10 较可靠

YC14 NNW 417 412 174 170 72 821 72 648 20×20 52 异常区

YC15 SN 77 75 55 53 3 347 3 286 20×20 14 异常区

YC16 NNE 141 136 115 112 12 683 12 503 20×20 26 异常区

YC17 EW 102 45 103 47 4 007 4 015 20×20 18 异常区

YC18 SN 25 24 24 23 791 797 20×20 8 异常区

4.2 GPS的网络RTK技术

4.2.1 仪器和工作方法

在钻孔的施测方面使用的仪器为天宝GPS R8接收机、手簿、CORS卡和碳纤杆等，利用山西省煤炭地质115勘查院建立的CORS网络系统，并采用天宝VRS（虚拟参考站技术）。

野外工作利用流动站连接CORS网络，在测区找到国家控制点，利用流动站获取这些点的WGS-84坐标，通过手簿输入这些点的本地坐标，通过手簿里的点校正模块，从而获取1套由WGS-84到本地坐标的参数。获取参数后，通过水平和垂直残差检验参数精度的高低。点校正后，通过软件里的测量模式开始实地所施工的40个钻孔位置测量。

4.2.2 工作精度

通过对YOYU、XGT、MTS、DATN、S004点的WGS-84坐标和1954年北京坐标的校正，计算出了水平和垂直残差，可满足《全球定位系统实时动态（RTK）测量技术规范》中<20 mm的规定要求。具体如表3所示。

表3 控制点残差情况表

点号 水平残差/m 垂直残差/m 方法

YOYU 0.007 — 水平

XGT 0.005 0.007 水平&垂直

MTS 0.003 — 水平

DATN 0.014 0.009 水平&垂直

S004 0.004 — 水平

通过对校正点的水平和垂直残差的检校，本次测量精度较高，完全可满足《地质矿产勘查测量规范》（GB/T 18341—2001）对钻孔测量的精度要求。

4.2.3 数字测井解译

对于本区施工的40个钻孔数字测井资料，均采用了中国煤田地质总局开发的CLGIS1.0测井资料软件处理。该软件能完成对原始数据的读入、预处理和数字运算，可自动识别岩性、分层、分析岩性、分析煤层和分析岩石强度参数。本次勘探各钻孔测井资料的最终处理成果为：测井解释钻孔柱状图（1∶200，包括岩层砂、泥、水含量分析），煤质分析成果图（1∶50，包括煤层的碳、灰、水含量分析）。

文章编号：2095-6835（2015）12-0134-02