0 引言
地质勘探的技术方法与工程量直接影响到地质条件的勘探效果，从煤炭生产角度出发，在众多的影响煤矿生产的地质因素中，地质构造，尤其是断层当属重要的影响因素。因此，在矿井生产之前或生产过程中的各类地质勘探均把断层列为首要探查任务。我国的煤炭资源勘探规范明确要求，资源勘探阶段要求查明井田范围和初期开采地段的断层落差分别为30 m和20 m，对于地层倾角平缓、构造简单、地震地质条件好的地区为10～15 m[1]。实际上，这一规范的要求并不能满足矿井生产的要求。因此，我国多数矿井在实施开采以前均施行生产勘探或生产补充勘探，从而进一步提高煤层和断层的勘探精度。21世纪以来，我国多数生产矿井应用了先进的三维地震勘探技术，此项技术的采用可将井田内断层落差勘探精度提高到5m，断层的探明率可得到明显提高[2-3]。尽管如此，由于受勘探技术和矿区地质条件复杂程度的影响，对矿井内的大中型断层的采前探查仍然存在不同程度的误差。因此，采用合适的方法对井田大中型断层的勘探结果与实际情况进行对比分析，即所谓的“探采对比”不仅对采前勘探效果的合理评价，更主要的是可以对未开采区的生产补充勘探方案提供技术支撑。
近年来，随着深部煤炭资源开发所占比重越来越大，资源开发的经济成本越来高，在已生产的矿区或矿井开展探采对比的研究逐渐增多，煤矿安全高效生产不断对地质勘探不断提出新的要求。彭苏萍[4]在深部煤炭资源赋存与开发地质评价研究现状及今后发展趋势研究中明确指出了深部煤炭资源地质条件较浅部的复杂性，并强调在有条件矿区开展探采对比作的重要性。在矿区探采对比分析内容与方法研究方面，魏迎春等[5]结合淮南煤田口孜东井田煤层、构造、工程地质等综合开采地质条件开展了研究，指出了深部资源勘探要增加地应力测量工作内容。在探采对比方法的研究方面，更多的学者或工程技术人员将三维地震的勘探结果与采掘生产揭露情况进行对比研究。彭苏萍等[6]研究了淮南矿区矿三维地震的勘探技术水平及应用情况，肯定了三维地震技术在淮南矿区应用的有效性及存在的不足；汤红伟[7]基于探采对比的分析研究了三维地震的精细解释方法，建立了三维地震资料的小断层识别依据，探讨了提高小断层解释精度的方法；在矿井地质构造的探采对比研究方面，苏贵芬等[8]采用灰色模糊理论，并选取褶皱平面变形系数、断层密度，以及断层强度等参数对比了探采之间的差异，评价了临涣矿采前勘探技术效果；薛喜成[9]曾定量研究矿井地质构造对比评价方法；曹代勇等[10]研究并开发了矿井地质构造定量评价信息系统。上述学者及工程技术人员的研究不仅提出了煤矿生产过程中开展探采对比研究工作的意义，更主要的是研究提出了探采对比研究的内容和方法。但就研究现状而言，缺少对矿井大中型断层探采对比方面的专门性研究，更缺少关于断层对比指标及相关方法的研究。考虑到断层要素的多重性和复杂性，笔者针对与矿井生产关系最为密切的断层作为对比的内容，并选择了一定区域断层数量探查的准确率和落差的误差率进行探采对比分析参数，抓住了影响矿井生产的核心问题，简化了探采对比的内容，提高了探采对比的效果。
笔者选取安徽淮北涡阳矿区的涡北和刘店2个生产矿井作为探采对比研究区域。该矿区煤炭资源丰富，除了涡北、刘店、袁一、袁二等生产矿井外，在建的有信湖矿井以及多个已提交勘探报告的井田。矿区内各井田不仅具有相同的成矿地质背景，矿井地质构造复杂程度以及开采技术条件也十分相近[11]。矿井生产实践表明，该矿区大中型断层的存在严重影响到矿井的安全高效生产。因此，开展的矿井大中型断层探采对比研究不仅进一步研究探讨了一种矿井断裂构造探采对比的新的方法，同时对该矿区的采前勘探成果评价有了新的依据。涡阳矿区是安徽省重要的矿区之一，矿业经济不仅对涡阳县，而且将是亳州地区的重要经济支撑[12]。该区的探采对比成果将为矿区后期的资源开发规划及矿井开采设计提供重要技术支撑。
1 探采对比的内容和方法
1.1 对比区域的选择与划分
矿井大中型断层的探采对比区域选择了矿区内涡北和刘店2个矿井开采浅部的4个采区，每个煤矿各选2个采区，8个工作面；分别是涡北煤矿的一采区8101、8102、8103工作面和二采区8203工作面，刘店煤矿的三采区1035、1037工作面和四采区的1042、1044工作面。对比区域的面积基本相当。在探采对比区的勘探方法与勘探程度方面均完全相同。其中前期的资源勘探和后期采用的三维地震技术的生产补充勘探均是同一施工单位。从开采地质条件而言，2个矿井的4个采区的煤层地质相对稳定，即煤层产状相对稳定，无岩浆侵入和岩溶陷落柱等因素影响的区域。故2个煤矿浅部的4个采区各方面条件基本相似，可以反映矿区浅部的地质基本条件和勘探效果。
1.2 对比断层的落差及指标的确定
从矿井安全、高效生产角度出发，准确查明生产区域内断层的位置、规模及断距至关重要。在某些水文地质条件复杂的矿区甚至要查明大中型断层的工程地质性质[13]。从目前的矿井三维地震勘探技术来看，多数矿区内落差大于5 m的断层基本可以查明[14]。因此，在所开展的大中型断层探采对比研究的断层落差定为5 m，即以落差不小于5 m的断层为统计分析对象，对比矿井生产揭露与采前综合勘探提交的断层资料的差异。对比分析的指标不仅针对采前各类勘探对断层存在的探明率，更加强调对断层准确率探查的分析。同时把对矿井生产影响意义较大的断层落差的探查误差率作为另一重要的分析指标。
2 探采对比结果
2.1 大中型断层数量的探采对比
正如前已述及，选择的涡北矿断裂构造对比范围为2个采区的4个工作面。区内的采前勘探查明不小于5 m断层共有9条，全部为正断层。其中，由资源勘探阶段查明的断层有3条，分别是F8、F50和BF10；由三维地震生产勘探查明的断层有6条；另有采掘工程新揭露断层12条，即探采共涉及断层21条，编号记作1—21，详细信息见表1。
表1 断层数量的探采对比情况
编号断层类型编号断层类型编号断层类型1PF11B14ⅡF55B27103F13B2I1F17B15B2F9B28103F14B3F4A16BF10A29DF08-39B4I1F46B17F7AB30104F8B5F8AB18F6AB31104F11B6F12B19DF27AB32DF08-41A7PF29B20DF21A33DF59AB8ⅡF29B21DF5AB34DF08-45A9ⅡF30B22DF23AB35DF08-46AB10ⅡF35B23DF26AB36DF24A11ⅡF40B24DF116AB37DF114AB12ⅡF50AB25DF128AB38DF127A13ⅡF51B26103F8B39DF129AA类型断层总数8B类型断层总数18AB类型断层总数13
注：A代表由勘探查明断层；B代表由采掘揭露断层；AB代表既由勘探查明又由采掘揭露断层。
刘店矿2个采区的4个工作面的采前勘探查明的大于等于5 m的断层有12条，这12条断层被生产揭露证实的有7条。另外，在采掘过程中新揭露大于等于5 m的断层的6条，即刘店矿探采共涉及断层18条，编号22—39，详细信息见表1。
2.2 大中型断层落差的探采对比
众所周知，断层落差是指垂直断层走向剖面上下两盘相当层位之间的铅直距离，也称铅直断距。在矿井开采区内，断层落差的大小直接影响采区划分和工作面布置等。一些断层当落差较大时往往具有较宽的破碎带，从而有可能成为导水裂隙带而引起矿井水害，以及造成瓦斯涌出量异常等问题[15]。当采煤工作面内存在断层且地层断距大于煤层的开采厚度时，有时需另外开切眼跳过断层。无论如何应对工作面内存在断层会严重影响开采效率，因此，准确获得断层落差的信息对煤矿的安全高效开采均有重要意义。
在涡北煤矿和刘店煤矿的13条同时被勘探指出并由采掘揭露的断层在断距落差方面均存在不同程度的误差，落差探采结果见表2。
表2 断层落差的探采对比情况
编号断层勘探落差hE/m采掘揭露落差hS/m相对误差/%平均相对误差/%误差/m中误差/m5F8120120012ⅡF504015166.77F7105100.018F612771.419DF2788021DF510825.022DF231515023DF261515024DF1161010025DF12851050.033DF5910825.035DF08-46105100.037DF114201450.0——————45.2——————02555020005256——————7.69——————
3 断层探采对比分析
由于断层的存在对生产的影响既包括断层的数量，同时又涉及到断层的落差或规模。根据断层对采掘生产的影响程度大小不同，笔者认为采前勘探对断层的数量与分布最为重要，其次是断层的落差。因此，针对涡北及刘店2个矿井断层勘探的正确率和落差的误差率开展了对比分析研究。
3.1 断层数量的探采对比分析
为了评价实际存在断层在勘探阶段的探明程度，提出断层探明率(Proved Rate，记为RP)的概念。探明率RP即由勘探查出的实际断层存在数NES与采掘揭露断层总数NTS之比，以百分数表示，即
(1)
此处阐明，实际存在断层即开采揭露断层，由表1可知，针对涡北及刘店2个矿井，由勘探指出并已证实的断层分别为6条、7条(共13条)，另有采掘揭露新增断层分别为18条、13条(共31条)，因此，2个矿断层探明率RP=13/31×100%≈41.9%。
为了评价由勘探指出的断层中实际存在断层的比例，提出断层勘探准确率(Accuracy Rate，记为RA)的概念。准确率RA即由勘探准确指出实际存在的断层数NES与勘探指出的断层总数NTE之比，以百分数表示，即
(2)
从表1可知，在涡北及刘店2个煤矿井，由勘探指出的实际存在断层分别为6条、7条(共13条)，其中勘探指出的断层总数分别为9条、12条(共21条)，因此，涡北及刘店2个矿井断层勘探准确率RA=13/21×100%≈61.9%。
3.2 断层落差的探采对比分析
为了分析勘探获得断层落差的准确程度，依据式(3)计算断层落差勘探值hE与采掘揭露实测值hS的相对误差δ，结果见表2，δavg为相对误差平均值，即
(3)
式中：n为断层落差相对误差样本数。
相对误差可广泛用于评价某参数的测量值或预测值与真实值误差的相对大小[16]。δ值越小，表明断层落差勘探值与实测值越接近。分析结果表明，断层落差勘探值与实测值的相对误差波动幅度较大，自0至166.7%，平均相对误差达到45.2%。
此外，中误差同样是衡量测量值或预测值精度的参数，亦称“标准差”或“均方根差”[17]。采用长度量纲展示勘探获得断层落差的准确程度[18]，依据式(4)计算断层落差勘探值hE与采掘揭露实测值hS的中误差m，即
(4)
可知m越小，表明勘探查明断层的落差与采掘工程揭露断层的落差偏离程度就越小，即勘探查明断层落差的精度越高，计算结果见表2，单次断层落差勘探值hE与采掘揭露实测值hS的偏离0～25 m，中误差m=±7.69 m。
据文献[19]对开滦矿区93.61 km2包括地震技术的综合勘探成果分析，该区的资源勘探经开采验证的成果准确率为40.8%，通过采前的三维地震补充勘探获得的综合成果准确率提高到56.8%。马彦良等[20]对山西阳泉五矿中央采区的岩溶陷落柱和断层做了探采对比研究，在地震勘探圈定陷落柱11个, 断层4 条。经采掘实际揭露或验证的陷落柱21个, 断层11条。在涡阳矿区的采前勘探对大中型断层数量的勘探的准确率61.9%，包括断层落差的中误差均较理想。
众所周知，任何矿床勘探的地质勘探效果均取决于勘探技术和地质条件的复杂程度2个方面。矿区内矿井地质构造复杂程度定量化评价结果及矿井的生产实践表明，矿井的地质构造条件为复杂[21]。加之该矿区的资源埋深较大及褶皱构造的复杂性，影响了区内断裂构造勘探效果。
4 结论
1)同一矿区或同一矿井内大中型断层分布具有可比性，可以通过采前勘探信息与生产实际揭露的信息进行对比分析；采用统计学理论及定量统计分析方法开展断层数量及断层落差2项指标探采误差分析符合客观实际，对比方法具有创新性。
2)断层数量的探明率与准确率是两个完全不同的概念。探明率RP即由勘探查出的实际断层存在数NES与采掘揭露断层总数NTS之比。而准确率RA即由勘探准确指出实际存在的断层数NES与勘探指出的断层总数NTE之比。
3)首次引入断层落差的探采对比“中误差”概念与表达方式，其符合统计学中的 “标准差”或“均方根差”误差分析原理与方法。
4)根据涡北及刘店2个矿井大中型断层数量探采对比结果，矿井大中型断层勘探准确率RA为61.9%，准确率为中等。断层落差勘探值hE与采掘揭露实测值hS的误差为0～25 m，平均相对误差达到45.2%，落差的中误差m=±7.69 m。
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