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深部隐伏构造特征地震解释及对煤矿安全的影响

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 第40卷第3期煤   炭   学   015年3月F   2015 杜文凤,彭苏萍,]015,40(3):6400. 13225/ of on ]. 015,40(3):640j. 苏萍,师素珍(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京  100083)摘 要:为了查明隐伏构造带的分布,针对研究区不同年份采集的三维地震资料进行了连片叠前时间偏移处理,采用全三维层位追踪和地震多属性断层识别,获得了研究区主要煤层构造形态和断裂构造分布。根据三维地震解释成果,依据隐伏构造带的塌陷范围及破碎程度,将隐伏构造划分为正常带、影响带和断陷带。隐伏构造带平面上展布复杂,剖面上浅层断距大,深层断距小,具有断陷带的发育特征。隐伏构造带内的断层可以将上到松散层含水层,下到灰岩岩溶裂隙含水层的各个含水层连通起来,因此隐伏构造带构成突水威胁。随着开采水平加深,采动影响加大,隐伏构造带突水的危险性也将增大。在煤矿开采进程中,为避免发生突水灾害,要采取必要的安全防范措施。关键词:隐伏构造;地震解释;煤矿安全;分布特征;隐伏构造“三带”划分中图分类号:4     文献标志码:A     文章编号:0253015)03014 责任编辑:韩晋平基金项目:国家科技支撑计划课题资助项目(2012国家自然基金煤炭联合基金资助项目(中国地质调查局基金资助项目(1212011220798)作者简介:杜文凤(1963— ),女,吉林扶余人,副教授,博士。 1026. of on 100083,n to of D in by in of in on D as a in in in in to to As of In to to 部隐伏构造特征地震解释及对煤矿安全的影响隐伏构造研究对古地理格局恢复、构造单元划分、地质演化和成矿作用控制因素分析等具有十分的重要意义[1]。在煤矿建设和开采过程中,隐伏构造带的存在对煤矿采区布置、采面划分、开采计划安排和采掘接替等工作具有直接影响和制约作用[2]。隐伏构造带一旦发生透水,往往是重特大事故,导致矿井被淹,甚至人员伤亡,给煤矿带来重大的人员和财产损失。近年来,三维地震勘探在煤矿采区中发挥了重要作用,利用三维地震不仅可以探测落差3 ~5 且可以探测陷落柱、隐伏构造和旋钮构造等复杂地质构造[3在淮南矿业集团顾桥矿和顾北矿进行采区三维地震勘探时,发现矿区存在由成“X”共轭交叉断裂带,地层走向角平缓,地层产状一般变化不大。断裂带中呈仅从地表错断到第四系底界,而且一直断至煤系地层深部,错断的主要可采煤层有131煤、6发现的断层带中有正断层、逆断层和直立断层等。由于断裂带展布较宽,形成了隐伏构造带。从区内钻孔取芯情况看,断裂带内断层发育,地层缺失频繁,大范围的岩芯破碎,破碎岩石存在糜棱化及水解现象,局部漏水严重。由于深部灰岩水的压力高,水温高,水量丰富,在黑龙潭断层带,将有可能导通地表淮河水。在顾桥矿和顾北矿轨道巷施工时,发现隐伏构造带内巷道淋水大,瓦斯大,岩石破碎,片帮掉顶严重,巷道变形、底臌严重,变形量高达300 ~ 800 15 d),巷道难以支护。由于巷道严重失稳、构造裂隙水和深部灰岩水发育,隐伏构造带将有发生突变性矿井地质灾害的可能,成为矿井生产的重大安全隐患,严重制约矿井生产建设的发展。因此,开展隐伏构造带分布特征研究,查清其空间展布规律,确定隐伏构造带的性质,对于矿井工程建设和煤矿安全开采具有重要的意义。1 研究区概况研究区位于安徽省凤台县西北,由淮南矿业集团顾桥矿和顾北矿组成(图1)。顾北矿和顾桥矿三维地震勘探分别在2005年和2006年进行,总面积为23. 325 区属全隐蔽含煤区,钻探所及地层由老到新依次有奥陶系、石炭系、二叠系和新生界。矿区位于淮南煤田阜凤推覆构造带[5处于陈桥背斜东翼与潘图1 研究区勘探范围1  of 体构造形态为走向层倾斜平缓,并发育有不均匀的次级宽缓褶曲和断层。区内含煤地层为石炭二叠纪含煤煤系,煤系地层的沉积环境为多旋回近海型三角洲相,煤层多、煤层间距小,含煤性高。矿区有可采煤层9层,全区可采的主要煤层有5层,即131煤、6部可采煤层有4层。2 三维地震资料处理与解释2. 1 叠前时间偏移连片处理三维地震资料连片处理技术是将不同年度施工采集的多块三维地震数据,以统一的处理网格、处理流程和参数进行处理,实现数据特征在空间分布上的连续性、一致性,从而提高地震数据的整体品质和整体解释的可信度。根据研究区已有地质资料综合分析认为,矿区存在的隐伏构造带,属于多期活动的断层带,由多条断裂及其间的裂隙带组成,地下构造极其复杂。地震资料处理若采用以叠加为基础的叠后时间偏移,很难对地下构造准确成像,因此,采用叠前时间偏移方法来提高地震资料成像质量。叠前时间偏移处理技术是利用叠前道集,使用均方根速度场,将各个地震数据道偏移到真实的反射点位置,形成共反射点道集并进行叠加,提高偏移成像效果。叠前时间偏移方法自身迭代过程也使最终得到的速度场精度比叠后时间偏移方法高,从而有利于提高构造解释成图精度。图2为地震资料连片处理前后地震剖面对比。与叠后时间偏移资料相比,叠前时间偏移连片处理有效地提高了资料的信噪比,地震资料浅、中、深层的信噪比得到不同程度的改善。特别是在复杂的构造带,不仅大断层构造成像清楚,小断层的成像质量也有很大的提高,有助于对构造和断裂进行准确地解释。2. 2 三维地震资料解释针对研究区煤层埋藏深(1煤埋深1 000 m)以及断层发育的特点,采用全三维层位追踪解释与地震多146煤   炭   学   报2015年第40卷图2 地震资料连片处理前、后地震剖面对比2  of 过由点到线、由面到体的全三维层位追踪实现对目的煤层层位的精细解释,利用地震振幅、方差体、相干体、瞬时相位、瞬时频率和瞬时振幅等地震属性,通过地震属性切片追踪地层的不连续性(图3),实现对断层的识别。和常规断层解释方法相比,由于断层追踪时利用的地震属性多,且根据切片上地层的不连续性对断层进行识别,因此断层解释的多解性大大降低,断层解释效率也大幅提高。通过全三维层位追踪和地震多属性断层识别,获得了研究区主要煤层构造形态和断裂构造(图4)。研究区总体构造形态为走向近层倾角在5° ~ 15°。由于受地应力挤压作用,区内的地层走向总体呈波状起伏形态,褶曲大多被断层所切割,区内断层密集,多数斜切地层走向,并且常常成组出现。图3  1煤层地震属性切片3  of 研究区共解释断层817条。按断层性质划分:正断层694条,逆断层120条,其中直立断层3条。按断层落差划分:≥ 50 0 ~50 0 ~ 30 0 ~ 20 ~10 差3 ~5 3 生界发育断层8条,呈区内煤系地层段未发现陷落柱。3 隐伏构造带分布特征和性质3. 1 隐伏构造带分布范围根据三维地震解释成果(图4(b)),研究区断裂构造以断层比较发育。主控断层带即隐伏构造带平面上呈顾北矿的西北角一直延伸到顾桥矿的东南角,延展长度约7 858 m,其中顾北矿范围内延展长度约3 978 m,在顾桥矿平面延展长度约3 880 m。断裂带最窄处在顾北矿西北部,宽度为307 m;最宽在顾桥矿东南角,宽度约1 700 m。3. 2 隐伏构造“三带”划分原则根据三维地震解释成果,依据隐伏构造带的塌陷范围及破碎程度,将矿区隐伏构造划分为正常带、影246第3期杜文凤等:深部隐伏构造特征地震解释及对煤矿安全的影响图4  1煤层解释成果4  of 响带和断陷带(简称“三带”)。对“三带”进行划分的基本原则是:将主控断层带即断裂发育的区域划为断陷带,将主控断层带附近断层相对发育且地层倾角变化较大的区域划为影响带,其他区域划为正常带,图5显示了研究区1煤的“三带”分布。图5  1煤层的“三带”分布5  of of 图6为“三带”在地震剖面上的显示,在剖面上,断陷带内的断裂发育,浅部煤层同相轴错断时差较大,深部煤层同相轴错断时差较小,地震同相轴连续性差;影响带的断层较为发育,地层倾角变化大;正常带地层连续,地震同相轴连续。各主要煤层的“三带”发育范围见表1。3. 3 隐伏构造带的性质根据三维地震解释结果,可以确定隐伏构造带的性质:(1)主控断层带由探测区的以断陷构造为主,由2)平面上呈扫帚状分布,剖面上断裂带浅层断距较大,而深层断距较小,具有断陷带的发育特图6  “三带”在地震剖面上的显示6  on 未见陷落柱存在的迹象。另根据地面钻探资料,研究区灰岩地层局部发育有裂隙、溶孔和溶隙,但溶洞不发育,不具有产生陷落柱(带)的岩溶空间条件。综上分析,矿区隐伏构造带的性质为断陷带。346煤   炭   学   报2015年第40卷表1 主要煤层“三带”范围统计  of of of 400 323 1 57711 577 306 1 514断陷带8煤497 1 592 305 1 479和影响6 606 279 1 456带以外1煤307 1 688 251 1 3963. 4 隐伏构造带验证情况为了探测和验证隐伏构造带的情况,研究区地面布置了12个钻孔,断陷带、影响带和正常带的地质特征综合对比见表2。位于断陷带内的1,2,孔揭露主要煤岩层层位、厚度、间距出现异常,该区域断层密度大、走向长度大、落差大、切割全部主要煤层,并发育切割新生界地层的“活断层”,构造十分复杂,而位于断陷带的2孔以及正常带的2,要煤岩层层位、厚度、间距基本正常。由此验证了由三维地震确定的隐伏构造带分布特征。表2 钻孔“三带”分布特征  of 1,1,3等6个孔影响带2,1,层密度大、走向长度大、落差大、切割全部主要煤层。发育切割新生界地层的“活断层”8条断层密度小、走向长度小、落差小构造较简单煤、岩层异常煤系m。 3孔太原组缺失4层灰岩,总厚偏薄。 55 m,为顾桥顾北矿区最薄孔。 70 m,为顾桥顾北矿区奥灰第2个最薄孔。 05 m,偏薄厚偏薄计5个孔1个孔基本正常褶曲发育背斜断隆带和向斜断陷带,形成主控构造带褶曲翼部基本正常破碎带3孔各在煤系中5处见破碎带;灰中2处见破碎带;破碎2孔寒灰2处见破碎带计4个孔2个孔隙越发育,岩石更为破碎4 隐伏构造带对煤矿安全的影响矿区隐伏构造带内的断层上至地表,下至煤层底板,甚至到太原组灰岩、奥陶纪灰岩以至寒武纪灰岩内。当断层受到外力影响,可以将上到松散层含水层,下到灰岩岩溶裂隙含水层的各个含水层连通起来,隐伏构造带内各含水层之间都可能存在联系,因此隐伏构造带构成突水威胁。随着开采水平加深,采动影响加大,隐伏构造带突水的危险性也将增加。根据研究区地质资料分析,认为断层突水和底板突水是诱发突水的主要原因[7一方面,由于断层的存在,当断层的构造岩带与含水层贯通时,工作面推进到断层影响范围内会发生直接突水;而当断层影响带与含水层贯通时,在力学作用下使断层活化,会发生间接突水。另一方面,由于隐伏构造带的岩体多发育高角度裂隙,且呈带状不均匀分布。在采动影响下,容易使其活化扩展,导致底板突水。因此,在煤矿开采中,当掘进巷道或回采工作面处于隐伏构造带的正常带时,可进行正常生产;进入影响带时,要加强地质异常安全防范;而进入断陷带时,要采取必要的安全防范措施,如合理布置开拓布局,优化完善支护设计,采用先进施工工艺等,避免矿井地质灾害的发生。5 结   论(1)针对不同年度施工采集的三维地震资料存446第3期杜文凤等:深部隐伏构造特征地震解释及对煤矿安全的影响在的差异性,采用地震资料连片处理技术,通过一致性处理和叠前时间偏移等方法,提高了地震资料的成像效果。通过全三维层位追踪解释与地震多属性断层追踪技术,实现对断层的识别。和常规断层解释方法相比,由于断层追踪时利用的地震属性多,且根据切片上地层的不连续性对断层进行识别,因此断层解释的多解性大大降低,断层解释效率也大幅提高。(2)基于三维地震解释成果,依据断陷带的塌陷深度及破碎程度,将隐伏构造带划分为正常带、影响带与断陷带(简称“三带”),建立了隐伏构造带“三带”划分原则,即将主控断层带即断裂发育的区域全部划分为断陷带,主控断层带附近即断层相对发育且地层倾角变化较大的区域划分为影响带,其他区域划分为正常带。(3)研究区隐伏构造带的性质为断陷带,在平面上呈扫帚状分布,剖面上浅层断距大,深层断距小,断层上至地表,下至煤层底板。隐伏构造带内的断层可以将上到松散层含水层,下到灰岩岩溶裂隙含水层的各个含水层连通起来,构成隐伏构造带突水威胁。参考文献:[1] 戴传固,秦守荣,陈建书,]013,32(6):et ]. 013,32(6):12] 陈莲芳,]014,33(8):on in ]. 014,33(8):103] 方良才,赵 伟,徐羽中,]010,22(8):u D ]. 010,22(8):734] 彭苏萍,杜文凤,赵 伟,]008,27(u ei,et 3D in ]. 008,27(27605] 桂和荣,宋晓梅,]005,26(2):]. 005,26(2):1696] 陈 萍,]013,39(12):of on ]. 013,39(12):387] 焦 阳,]013,38(377of in ]. 013,38(3778] 代长青,]然科学版),2003,23(4):e of s on of ]. 2003,23(4):69] 李连崇,唐春安,左宇军,]009,34(9): et ]. 009,34(9):121210] 李小明,朱 丽,李永军,]010,7(1):i, et ]. 010,7(1):811] 李永军,]006,34(4):]. 006,34(4):5312] 程广琪,刘登宪,傅先杰,]013,41(10):u et on J ]. 2013,41(10):10813] ]010,38(2):of in ]. 010,38(2):
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