中国东部煤矿深部开采

第 2 0 卷 第2 期 地 球 物 理 学 进 展 Vol .20 No .2 2005 年6 月( 页码:370 ～373) PROGRESS I N GEOPHYSICS June 2005 中国东部煤矿深部开采中的地质勘探技术 吴钦宝1 , 陈同俊2 , 陈凤云2 ( 1 . 山东省煤田地质局物探测量队 , 泰安 271021 ; 2 . 中国矿业大学 , 徐州 221008) 摘 要 中国东部煤矿已经进入深部开采阶段, 高产高效矿井要求查明煤层中落差5 m 左右的断层、幅度5m 左右的 褶曲、陷落柱和采空区的空间分布形态, 同时查明与水文地质条件密切相关的煤层顶、底板岩性. 本文概述了煤矿深 部开采中的地质勘探技术, 给出了利用不同勘探方法查明地质构造、岩溶裂隙发育带的应用实例, 指出煤矿深部开采 地质勘探技术的发展方向是将地球物理方法、基础地质勘探手段与地理信息系统技术进行有机结合. 关键词 煤矿深部开采, 三维地震勘探, 瞬变电磁, 地理信息系统 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004- 2903( 2005) 02- 0370- 04 Geological exploration techniques used in deep coal mining in China WU Qin- bao1 , CHEN Tong-jun2 , CHEN Feng- yun2 ( 1 . Geophysi cal Pros pecti ng and Surve yi ng Te amof Shandong Coal Geol ogical Bureau , Tai an 271021 , China ; 2 . Chi na Universit y of Mi ni ng & Technolog y , Xuzhou 221008 , Chi na) Abstract Coal mines in eastern China have been the level of deep mining . In high- productive & high-efficient coal mines , faults with about 5 mthro wand folds with about 5 mrange in coal seams need to be detected , spatial distri- bution of the subsided col umns and mined areas need to be located , lithology of coal roof/ floor , with close relation to hydrological and gas- bursting conditions , need to be deter mined . In this paper , geological exploration techniques used in deep coal mining are generalized , and three cases of detecting geological structure , locating fractured zones and pre- dicting gas distribution , which different surveying methods are applied , are given . Keywords deep coal mining , 3Dseismic surveying , TEM, GIS 收稿日期 2004- 07- 10 ; 修回日期 2004- 10-20 . 作者简介 吴钦宝 , 男 ,1954 年生 , 山东泰安人 , 高级工程师 , 山东省煤田地质局物探测量队队长 , 山东省地球物理学会理事 , 主要从事煤田 地球物理的生产与管理工作 . 0 引 言 煤炭是中国的第一能源, 煤炭生产在中国国民 经济中具有举足轻重的地位. 中国东部许多老矿区 的开采深度均在 - 800 m 以下, 一些新建矿井的覆 盖层厚度便达600 m, 开采深度为 - 1 000 m 左右. 因此, 中国东部煤矿已经进入深部开采阶段. 深部开采矿井均为高产高效矿井, 对煤田地质 工作提出了更高的要求, 包括查明煤层中落差5 m 左右的断层、幅度5 m 左右的褶曲、陷落柱和采空 区的空间分布形态, 同时查明与水文地质条件与瓦 斯突出条件密切相关的煤层顶、底板岩性. 1 煤矿深部开采中的地质勘探技术 目前, 煤矿深部开采中的地质勘探技术是以地 球物理方法为先导, 其它基础地质手段加以配合, 依 托计算机技术实现地质工作的动态管理是煤矿深部 开采地质勘探的特点. 其工作模式可分为三个层面: ( 1) 井田范围主要可采煤层开采地质条件评价;( 2) 采区地质条件勘查;( 3) 综采工作面地质条件超前 探测. 1 .1 井田范围主要可采煤层开采地质条件评价 影响煤层开采地质条件的因素很多, 如构造、水 文、瓦斯、煤层顶底板条件等. 其中构造因素是最主 要的, 构造裂隙发育带是水与瓦斯突出的危险带, 也 是顶底板管理的重点地带. 因此, 查明煤层构造是本 阶段的主要工作, 主要勘查手段为二维地震勘探、电 法勘探与钻孔控制. 在充分占有地质资料的基础上, 确定井田地质构造的分布规律, 并结合其它地质条 件( 煤层、水文地质、瓦斯地质等) 的分析研究成果, 2 期 吴钦宝, 等: 中国东部煤矿深部开采中的地质勘探技术 对不同块段的开采地质条件进行综合评价. 1 .2 采区地质条件勘查 本阶段的主要工作是查明采区范围内的小构 造, 包括落差5 m 左右的断层、陷落柱和采空区的 空间分布形态, 根据采区衔接的要求, 应提前布置实 施. 现已成熟的探测技术包括三维地震勘探、瞬变电 磁法、矿井直流电法和钻探. 地面物探方法较矿井物 探方法施工简单, 探测效率也高, 但受到地表条件的 限制. 因此, 在地表条件允许的前提下, 三维高分辨 率地震勘探技术是首选方法. 1 .3 综采工作面地质条件超前探测 在综采设备安装或开采前, 查明工作面内一切 地质异常现象, 为工作面持续开采提供地质保障是 本阶段的主要工作. 现有的成熟探测技术有很多种, 其共同点是在井下而不是在地面完成勘测工作的, 主要包括矿井直流电法、槽波地震勘探、无线电波透 视、瑞利波地震勘探、矿井地质雷达、钻探及随钻测 井技术. 2 利用三维地震勘探技术查明构造 2 .1 断层探测 开滦矿业集团范各庄矿随着开采深度的增加, 地质条件越来越复杂, 断层多, 落差大, 严重阻碍着 高产高效矿井建设的发展. 因此, 在二水平采区开展 了三维地震勘探工作, 主要地质任务是:( 1) 查明主 要可采煤层7 煤、12 煤的构造形态;( 2) 查明落差 5 m以上的断层发育情况. 经三维地震工作, 取得了以下主要地质成果: ( 1) 探明了主要可采煤层的构造形态. 在测区 范围内有钻孔14 个, 对煤层构造的工程控制密度很 大, 其中7 煤层中验证点的平均误差为1 .98 m, 相 对误差为0 . 5 % ;12 煤层中验证点的平均误差为 1 .33 m, 相对误差为0 .3 % . ( 2) 共查明断层26 条, 其中落差大于10 m 的 断层1 条, 落差大于5 m 小于10 m 的断层6 条, 落 差小于5 m 的断层19 条. 与以往的勘探资料对比, 新发现断层23 条, 并对已知的3 条断层的走向进行 了修正, 图1 是7 煤层的底板等高线图. 根据测区内 已有工程, 可验证的断层有7 条. 2 .2 陷落柱探测 阳泉矿业集团五矿自1991 年投产到1996 年的 5 年间, 由于受密集分布的陷落柱影响, 平均年产量 仅为103 .4 万t . 在已经开采的5 .28 km2 范围内, 原 地质报告只提供了7 个陷落柱, 而实际揭露了99 个, 造成无效进尺6 605 m, 损失煤量819 万t , 使 1697 .5 万 t 储量无法采出, 矿井回采率仅为 30 . 5 % . 为了扭转这种被动局面, 决定利用三维地震技 术来查明中央采区15 煤中的陷落柱, 并进一步控制 15 煤的构造形态. 图1 二水平采区7 煤层底板等高线图 Fig .1 Structural contour of No .7 coal seamin 2 nd level mining block 经三维地震勘探工作, 取得了以下主要地质成果: ( 1) 查明了采区内27 个陷落柱的分布情况, 见 图2 . 其中7 个长轴大于20 m、短轴大于15 m 的陷 落柱被揭露. 图2 中央采区15 煤层底板等高线图 Fig .2 Structural contour of No .15 coal seam in central mining block ( 2) 查明了陷落柱的形态, 一般为上小下大的 反漏斗型,见图3 . 图中横坐标为距离, 纵坐标为时间. 3 利用综合物探方法解释裂隙发育带 兖州矿业集团济宁三号煤矿是设计能力年产 173 地 球 物 理 学 进 展 20 卷 600 万吨的大型生产矿井. 为了查明十六采区3 煤 层顶板砂岩富水区的分布情况, 使用了综合物探手 段( 三维地震和瞬变电磁) . 本次勘探工作中, 首先利 用三维地震资料获得3 煤层底板埋藏深度及其它构 造、岩性分布情况, 然后在瞬变电磁资料解释过程中 利用了三维地震资料的解释成果. 图3 地震剖面中陷落柱的形态 Fig .3 Shape of subsided column in the seis mic section 利用测井资料约束进行地震反演是解释裂隙发育带 的重要环节. 地震与测井是两种最重要的地球物理 勘探方法, 测井资料具有很高的垂向分辨率, 能较好 地放映井孔附近的地层、岩性和物性参数, 但空间范 围小; 地震资料的垂向分辨率较测井资料低, 但其分 布范围广泛. 如果将二者有机地结合起来, 可以显著 地提高地震资料的分辨率. 利用测区内的26 个钻孔 对三维地震资料进行约束反演, 获得波阻抗数据体. 图4 是波阻抗反演剖面, 既有较高的垂向分辨率, 又 有较好的横向连续性, 其中横坐标为距离, 纵坐标为 时间. 图5 是3 煤层顶板波阻抗分布图, 它反映了3 煤层顶板砂岩的空间分布形态和裂隙发育情况. 图4 波阻抗反演剖面 Fig .4 I mpedance inversion section 图5 3 煤层顶板波阻抗分布 Fig .5 I mpedance distribution of No .3 coal roof 图6 3 煤层顶板砂岩富水性评价图 Fig .6 Water- bearing evaluation in sandstone above No .3 coal seam 经综合物探工作, 取得了以下主要地质成果: ( 1) 查明3 煤层顶板砂岩富水区的分布情况, 见图6 . 图中的阴影区代表富水区, 蓝色阴影区代表 强富水区, 划分富水区的主要依据是电阻率的高低, 富水区电阻率≤18 Ω·m,强富水区电阻率≤16 Ω·m. ( 2) 富水区基本上呈南北向条带状分布, 和测 区内的主构造走向一致; 大部分富水区位于断层附 近, 说明测区内3 煤层顶板砂岩富水区的分布和区 内的构造密切相关. ( 3) 在测区西南部的强富水区进行抽水试验, 收到令人满意的地质效果. 273 2 期 吴钦宝, 等: 中国东部煤矿深部开采中的地质勘探技术 4 结 论 煤矿深部开采地质勘探技术的发展方向是将地 球物理方法、基础地质勘探手段与地理信息系统技 术进行有机结合. 利用三维地震、瞬变电磁、矿井物 探、地面钻探和井巷工程等多元数据, 查明采区内断 层分布、煤层埋藏深度与厚度、岩溶裂隙发育带的分 布和隔水层厚度等. 利用地理信息系统作为平台建 立矿井多元信息集成系统, 把三维地震、瞬变电磁、 矿井物探、构造地质、水文地质等多元信息进行复 合、综合分析后建立预测与评价模型, 实现地质资料 的信息化、数字化和可视化, 为开采地质条件的快速 评价、生产地质工作的动态管理、突发性地质灾害应 变对策的制定提供技术支撑. 参 考 文 献 ( References) : [ 1] 唐建益 , 方正 . 煤矿采区实用地震勘探技术[ M] . 北京 : 煤炭工 业出版社 ,1998 . [ 2] 张宝明 , 陈炎光 , 许永圻 . 中国煤矿高产高效技术[ M] . 徐州 : 中 国矿业大学出版社 ,2001 ,406 ～421 . [ 3] 赵存明 , 王安民 , 赵宗沛 . 双高矿井地质保证技术条件的探讨 [ J] . 煤田地质与勘探 ,1997 ,25( 5) :1 ～3 . [ 4] 张春福 . 综合勘探技术在范各庄矿区中的应用[ J] . 中国煤田地 质 ,1999 ,11( 增刊) :28 ～30 . [ 5] 南雁军 , 王振虎 . 山区三维 地震勘探在 阳泉五矿 的应用效果 [ J] . 中国煤田地质 ,1999 ,11( 增刊) :19 ～21 . [ 6] 张永刚 . 地震 波阻抗反演技术 的现状和 发展[ J] . 石油 物探 , 2002 ,41( 4) :385 ～ 390 . 373