袁 燕，聂广斌，巩一帆
(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000)
河南省巩义地区上庄煤矿位于华北板块南缘的嵩箕构造区西缘[1-2]。区内地形较复杂[3-5]，梯田冲沟多，人员活动频繁。在采用二维地震勘查技术对井田内断层确切位置、产状、性质、落差等参数进行评估时，使用炸药震源审批难度大。鉴于井田内主煤层二1、二2埋深不大，地表多被致密黄土覆盖，激发地震条件较好[6-9]，具备二维地震勘探中采取重锤方式激发震源的条件。此外，为更有效识别地震波、进行推断解释，特增加1条激发量更大的可控源地震剖面，二者相辅相成，进行数据资料联合解释，效果较好。本文将详细阐述、介绍实验情况及勘探成果，以供参考。
1.1 地层
矿区位于偃龙煤田上庄井田东部，地层区划属华北地层区豫西分区嵩箕小区。发育地层有寒武系、奥陶系中统马家沟组、石炭系上统、二叠系和第四系，现由老至新分述如下。
(1)寒武系。下统出露于五指岭断层以东，岩性为灰黄色铁泥质灰岩、厚层灰岩、白云质灰岩、豹皮灰岩；
上部为浅黄色、紫红色泥质灰岩夹黄绿色泥岩及薄层灰岩；
中统出露于矿区外东北部。与下伏地层呈整合接触。岩性为紫红色、黄绿色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、海绿石砂岩、深灰色厚层鲕状灰岩。与下伏地层呈整合接触。上统下部为厚层状白云岩、白云质灰岩；
中部和上部为厚层状白云质灰岩。区域上厚度为340.42 m，在矿区外东北有出露。与下伏地层呈整合接触。
(2)奥陶系。中统马家沟组在区域平均厚85.00 m。下部为石灰岩泥灰岩，泥质呈不规则分布；
中部为黑色隐晶质石灰岩；
上部为黄色薄层状泥灰岩，底部含砾石，砾石成分为黑色燧石团块。与下伏地层呈平行不整合接触。
(3)石炭系。分为本溪组和太原组。与下伏地层呈平行不整合接触。本溪组主要为铝质岩及铝质泥岩[10]；
太原组厚39.60～95.85 m，平均厚56.46 m，为石灰岩、砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成。
(4)二叠系。地层保存不全，矿区中仅揭露山西组、下石盒子组及上石盒子组。山西组厚度为67.50～99.96 m，平均厚83.23 m。为中、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成，二1煤层赋存于该组的下部，属大部可采煤层。下石盒子组由灰色及灰白色细—粗粒砂岩、深灰色砂质泥岩、紫斑泥岩及煤层组成。砂锅窑砂岩位于本组底部，为浅灰色中粗粒砂岩，含石英岩细砾，为区域标志层，厚0.55～17.92 m，平均厚13.40 m。分为三、四、五、六4个煤段。上石盒子组区域平均厚度为215.24 m。在矿区北部存在剥蚀区，由中粒砂岩、砂质泥岩组成。田家沟砂岩位于本组底部，为浅灰色中粒砂岩，厚16.00 m，为标志层。
(5)第四系。分布较广，上部为由坡积、洪积物及黄土层组成，在黄土层中常见钙质结核，下部为浅灰色砾石层。厚度0～41.20 m，平均厚16 m。角度不整合于下伏各地层之上。
1.2 煤层
(2)主要煤层特征。二1煤层位于山西组下部，大占砂岩之下，上距砂锅窑砂岩约73 m，距大占砂岩平均3.65 m，距香炭砂岩约38 m；
下距L7灰岩11.35 m，距L8石灰岩5.40 m，间距基本稳定。
表1 含煤地层发育情况Tab.1 Development of coal bearing strata
1.3 构造
研究区区域构造位置处于华北板块南缘的嵩箕构造区西部。矿区总体为一向斜，发育有断裂构造。依据以往地质成果及矿井资料，对构造形迹叙述如下。
(1)褶皱。①上庄向斜：由于受五指岭断层影响，产生一箕形褶皱，向斜轴走向北西，轴面倾向北东，东北翼地层走向为145°～165°，倾向为235°～255°，倾角15～30°；
西南翼地层走向45°～80°，倾向315°～350°，倾角10°。沿北庄、老井沟、罗泉一带倾角增大，有的地段地层甚至倒转，西南翼倾角平缓，在地表向斜轴出露于红石嘴至平顶山一线，表现为两翼倾角平缓，倾角5°～6°。
(2)断层。①五指岭断层(F1)位于矿区东北部，走向310°，倾向40°，倾角85°，北东盘上升，南西盘下降，为平移断层。区内延伸长度2.08 km，沿走向两端延伸出区外。此断层虽无勘探工程控制，但经地质测量，发现地表奥陶系中统顶部地层与寒武系上统地层接触；
有的地段虽被第四系覆盖，经访问上庄煤矿，该矿已开采到姜沟上岭东的震旦系地层之下，因煤层采空，地表震旦系地层出现塌陷和裂缝。断层落差约800 m，沿武当山方向延伸落差逐渐变小。控制程度较高。②姜沟上岭逆断层(F14)位于矿区东北部11001、10905、上1孔一带，为黄土掩盖，向北方向延伸至五指岭断层，延展长度约1.21 km。断层走向310°～355°，倾向40°～85°，南西盘下降，北东盘上升，为逆断层。10905孔二1煤层重复出现，该孔242.82 m见到二1煤层，煤厚8.10 m，365.82 m又见到二1煤层，煤厚3.30 m，两煤层相距122 m。控制程度较高。③前武当断层(F15)位于矿区东北部，为黄土覆盖，向南东方向延伸至姜沟上岭逆断层，延展长度0.54 km，断层走向293°，倾向23°，南西盘下降，北东盘上升，为正断层，11001孔太原组中砂岩段缺失，该孔穿过太原组上部灰岩后，直接见到下部L1灰岩，断层落差30 m左右。控制程度较高。
1.4 地震条件
(1)地形较复杂，梯田冲沟多，高差起伏较大，相对高差约130 m，影响地震施工。
(2)山地表层结构复杂多变。矿区采空区较多，对有效波的衰减、吸收、波形变化影响强烈。
(3)矿区植被发育，给勘探通行和施工测量造成较大困难。
2.1 试验工作及结论
(1)试验目的。此次试验目的有以下几个方面[11-12]：①优选仪器记录因素和检波器接收因素；
②选取最佳的激发因素；
③验证此次选用的二维观测系统是否合理。
(2)试验点及试验段位置。试验选取了3个位置：①工区南部采空区的DZ3线2300处；
②工区北部DZ1线2000处；
③可控震源施工DZ4测线2000处。试验工作位置如图1所示。
图1 试验工作位置示意Fig.1 Schematic diagram of test working position
(3)试验施工因素。①观测系统。中间激发；
接收点距5 m；
排列长度595 m；
接收道数120道。②仪器因素。428UL系列数字地震仪；
A/D转换24位；
记录长度1.5 s；
采样间隔250 μs；
记录格式SEG-D；
前放增益12 dB。③激发因素。重锤激发和可控震源激发；
激发设备为单位自主研发的加速度重锤，法国进口NOMAD15可控震源。④接收因素。检波器类型为自然频率60 Hz检波器；
组合个数4个；
组合图形为同点埋置。
(4)试验内容。重锤激发点试验共采集试验物理点10个，具体试验情况见表2。
表2 重锤施工点试验工作统计Tab.2 Statistical of heavy hammer construction point test
可控震源激发点试验共采集试验物理点14个，具体试验情况见表3。
表3 可控震源激发点试验工作统计Tab.3 Working statistics of vibroseis shot point test
(5)重锤激发试验。重锤激发试验详情见表4。
表4 重锤激发试验详情Tab.4 Details of heavy hammer excitation test
(6)可控震源激发试验。试验点3位于DZ4线桩号2000处。①驱动电平60%；
扫描频率10～160 Hz；
扫描长度8、10、12、14、16、18 s；
震动台次分别为1、2、3、4次。采用可控震源激发时，反射波能量普遍较强，震动台次1次时，能量稍弱，震动台次2～4次、扫描长度8～18 s时，反射波能量相当。②驱动电平70%；
扫描频率10～160 Hz；
扫描长度16、18 s；
震动台次分别为1、2、3次。采用扫描长度16 s，震动台次1次时，反射波能量稍弱；
扫描长度16、18 s，震动台次2～3次时，能量均较强，目的层反射突出。综合考虑，采用扫描长度16 s，震动台次2次为宜。
(7)试验结论。重锤施工根据试验效果，选择了40 kg重锤，压簧10 cm进行施工；
可控震源施工选取了扫描长度 16 s，扫描频率10～160 Hz，驱动电平70%，震动台次2次。
2.2 测网布设
设计二维地震测线4条，检波器间距5 m，炮距10 m，叠加次数30次，设计炮点410个(包含试验点)。
2.3 资料采集方法
(1)仪器因素。使用428XL数字地震仪，采样间隔250 μs，记录长度1.5 s，前放增益12 dB，全通带接收。
(2)激发因素。拟采用重锤和可控震源激发；
激发设备为单位自主研发的加速度重锤，NOMAD15可控震源；
加速度重锤40 kg，压簧10 cm；
NOMAD15可控震源扫描长度16 s，扫描频率10～160 Hz，驱动电平70%，震动台次2次。
(3)观测系统。采用检波点距5 m，激发点距10 m，中间激发，排列长度595 m，接收道数120道，30次叠加。
(4)接收因素。单道采用4个60 Hz检波器2串2并连接的检波器串，同点埋置。
根据资料特点和处理要求[14-15]，采用的处理流程如图2所示。
图2 资料处理常规流程Fig.2 General flow chart of data processing
区内资料解释[16-20]结合区内已知钻孔揭露地层情况，本地震时间剖面反射波组与地质层位的对应关系进行综合的解释分析，总结出目的层反射波的反射特征，而后进行目的层反射波的对比追踪、构造解释。
4.1 二1煤层构造形态及埋深变化
研究区面积约1.5 km2，仅做了5条地震测线，剖面总长5.777 km，对区内二1煤层构造形态及其埋深变化进行研究。
依据5条地震剖面编制的二1煤层底板等高线平面如图3所示。该区基本由走向近南北的逆断层F14将二1煤层构造形态分成东西2部分，东西2部分均为由东向西倾斜的单斜地层，逆断层F14以西底板等高线标高+75～+210 m，地层倾角10°左右，相对比较平缓，断层不发育，仅存在1个小断层，断距25 m左右，倾角约50°；
逆断层F14以东底板等高线标高+100～+300 m，地层倾角为7°～25°，DZ2线以北倾角稍大，DZ2线以南倾角较小，断层不发育，时间剖面上没有发现新断点。
图3 二1煤层底板等高线平面Fig.3 Contour plane of Ⅱ1 coal seam floor
4.2 断层
研究区构造复杂程度较简单，根据二1煤层反射波出现的时间错动确定断点5个。其中，A级断点2个，B级断点3个，根据断点的情况，在二1煤底板等高线平面图上组合断层2条，分别命名为F14、F16断层。断点情况统计见表5，断层控制程度统计见表6。
表5 断点统计Tab.5 Breakpoint statistics list
表6 断层控制程度Tab.6 Fault control degree
(1)F14逆断层。由3个断点组成，跨越F14断层的地震测线有DZ1、DZ4及DZ2线。测线DZ1上F14断层的显示非常明显，其余2条测线均有反映，断点的主要特征是断点的上盘与下盘逆冲现象二1煤层反射波显示很清晰，上盘逆冲在下盘之上。时间剖面断点处上升盘二1煤层反射波距下降盘反射波的时差为0.03～0.07 s。DZ1线上F14断层的显示如图4所示。该断层走向近南北，倾向东，南端过DZ2线，于DZ3线附近尖灭，北端延伸至五指岭断层，断层落差0～122 m，倾角50°～70 °。该断层区内控制长620 m，有3条测线控制，1个A级断点，2个B级断点组成，故F14断层为可靠断层，断层性质为逆断层。
图4 DZ1线上F14断层的显示Fig.4 Display of F14 fault on DZ1 line
(2)F16断层。由断点FPDZ2-1、FPDZ4-1组成，在DZ4线剖面桩号2785附近T2波组有2个强相位的明显错断，断距约25 ms，在DZ2线剖面桩号2500附近T2波组亦有约20 ms的错断显示，但波组较弱。DZ4线上F16断层的显示如图5所示。该断层倾向北西，走向北北东，北端过DZ4线尖灭，南端过DZ2线尖灭，落差0～40 m，倾角40°～60 °。该断层区内全长210 m，有2条测线控制，1个A级断点，1个B级断点组成，故F16断层为可靠断层，断层性质为正断层。
图5 DZ4线上F16断层的显示Fig.5 Display of F16 fault on DZ4 line
(1)本文对河南省巩义市上庄煤矿采用二维地震勘探技术，查明区内二1煤层构造形态及其埋深变化、断层确切位置、产状、性质、落差等参数。该区基本由走向近南北的逆断层F14将二1煤层构造形态分成东西2部分，均为由东向西倾斜的单斜地层构成，为该区煤矿勘探开发提供可靠资料。
(2)研究区开展落锤实验、可控源实验获取了有效的试验参数，应用效果较好。表明在工矿区，经合理实验后采用机械震源亦能取得较好的勘探效果，具有一定的推广应用价值。
猜你喜欢 重锤断点倾角 乘用车四轮定位参数设计时代汽车(2022年14期)2022-07-06一种高精度光纤断点检测仪学苑创造·C版(2022年8期)2022-06-18断点辽河(2022年4期)2022-06-09响鼓也需重锤敲党的生活·青海(2021年9期)2021-09-14系列长篇科幻故事，《月球少年》之八：地球轴倾角的改邪归正科学大众·小诺贝尔(2021年10期)2021-01-22用Eclipse调试Python电脑报(2019年20期)2019-09-10一类无限可能问题的解法初中生世界·九年级(2019年6期)2019-08-15“重锤”之轻现代兵器(2016年11期)2016-11-23汽车行驶性能中车轮的重要影响速读·中旬(2015年10期)2015-10-21蛙式打夯机的简单动力学分析科技与创新(2015年16期)2015-08-19