煤矿地质测量.docx

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煤矿地质测量

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1.4地球物理勘探技术

1.4.1概述

地球物理勘探方法利用物理方法来解决地质问题，即通过观察与观测各种地球物理现象，分析它们随地质构造或岩性变化的基本规律，从而到达解决地质问题的目的。

所有的地球物理勘探方法简称“物探”方法，由于所研究的物理性质不同，物探方法种类多样，主要的方法包括：

（1）地震勘探：

地震勘探是研究人工激发的弹性波在不同地层中的传播规律，如波的速度、波的衰减和波的形状，以及在界面的反射、折射来研究地层埋深、构造形态和岩性等的一种物探方法。

（2）电法勘探：

电法勘探是以介质的电性差异为基础，通过观测和分析天然及人工电磁场的空间和时间分布传播来研究地质构造和寻找矿床的一种物探方法。

（3）重力勘探：

重力勘探是以地壳中岩（矿）石间的密度差异为基础，通过观测与分析重力场的变化来寻找和勘探矿床，研究地质构造的一种物探方法。

（4）磁法勘探：

磁法勘探是以岩（矿）石间的磁性差异为基础，通过观测和分析地磁场的变化规律，来寻找和勘探矿床，研究地质构造的一种物探方法。

（5）地球物理测井：

地球物理测井是利用钻井内岩石、矿层具有不同物性的特点来划分钻井地质剖面及解决其它地质问题的多种方法总称，也称为钻井地球物理，或简称测井。

它主要包括电测井、核测井、声测井等方法。

近几十年来，地球物理勘探方法得到飞速发展，方法和技术日臻完善，应用领域不断扩大，解决的问题日益增多，已成为煤炭地质勘探中一个不可缺少的组成部分。

在煤炭资源勘探工作中，已由钻探为主物探为辅，发展为物探为主，钻探验证为辅。

使得煤炭资源勘查工作在精度、效率及经济性等各方面都有很大提高。

目前，地球物理勘探方法更多地应用于煤矿生产阶段，在矿井和采区设计优化、综采工作面的合理布置、避免和减少地质风险、优选采煤方法、提高资源回收率、降低万吨掘进率、生产安全等方面起到了重大作用。

主要地质任务为：

查明小断层小褶曲；查清陷落柱、老窑及采空区的空间分布形态；解决煤层分叉与合并、煤层厚度变化、火成岩侵入、煤层顶底板水文地质条件及力学性质等一系列地质问题。

地球物理勘探通过观测由于地下探测对象与周围介质物理性质的差异所引起的物理场变化，来研究探测对象的形态和性质。

从本质上讲都是间接方法，都是通过少数观测点（在地面、空中或井下）获得的数据去推测探测对象的状况，又称为反问题。

由地球物理场的本质和观测误差的决定了地球物理反问题存在非唯一性，或称多解性。

加之每种物探方法一般只能反映地质体某个方面的物理性质，而且每种物探方法的数据观测采集受到地形、地质条件等因素的影响，这些都使得物探多解性更加严重。

为了减少物探结果非唯一性（多解性）的影响，除了提高观测精度、资料精细处理等技术手段外，更需要综合采用多种物探方法。

由于地质体是一个统一的整体，密度、电性、弹性、磁性等物理性质均是这一整体在不同方面的反映，各种物性参数间均有一定联系，利用这种联系进行综合解释，能大大缩小单一物探方法的多解性。

同时，不同物探方法解决地质问题的能力和探测范围也是不同的，这往往需要采用不同物探方法组合应用，提高解决某个地质问题的能力。

因此，对于物探结果

有时还需要采用钻探、巷探等基础地质手段进行验证和标定。

142地震勘探的基本原理

1.421地震波的传播特征

地震波是在岩层中传播的弹性波。

当用炸药作为震源激发时，震源附近的岩石受到巨大激发力的作用产生破裂和塑性形变，而远离震源的岩石受到瞬间微小外力的作用可以近似看成完全弹性体。

弹性体在外力作用下发生形变并产生一个反抗形变的弹力。

当外力取消时，弹力使弹性体恢复原状。

这个过程使质点产生随时间

变化的弹性位移（振动），由于质点间存在着弹性联系，每个质点把振动传递到周围质点。

于是，激发力引起的质点弹性振动由震源向周围介质传播，逐渐形成地震波。

地震波分为体波和面波，体波在弹性介质的内部传播，面波沿着弹性介质的某些界面传播，见图2-1-23。

纵波（P波）――质点振动方向和波传播方向相同。

横波（S波）――质点振动方向和波传播方向相垂直。

质点振动在水平平面中的横波分量称为水平横波（SH波），质点振动在垂直平面中的横波分量称为垂直横波（SV波）。

瑞雷面波（R波）――质点在通过传播方向的铅垂面内沿椭圆轨迹逆转运动。

图2-1-23地震波的传播示意图

a—纵波；b—水平横波；c—垂直横波；d—瑞雷面波

煤田地震勘探主要采用纵波勘探。

地震波在传播过程中遇到两种地层分界面时，就会产生反射波。

在地面上用仪器把各个地层分界面的反射波到达时间t记录下来，利用地震波传播速度v,便可以计算出地层分界面的埋藏深度hvt/2。

图2-1-24是地震勘探示意图。

图2-1-24地震勘探示意图

1.4.2.2地震勘探的地震地质条件

决定一个地区能否开展及如何进行地震勘探工作的客观条件，统称为地震地质条件，它分为表层条件和深部条件两部分。

表层地震地质条件是指地表附近的地质和地貌的特点，它主要影响地震勘探的施工效率、激发与接收条件。

深部地震地质条件是指地震界面与地质界面的对应关系，以及地质构造的复杂程度。

1.4.2.3地震数据的采集

1•震源

用于地震勘探的震源基本上分为两大类：

炸药震源和非炸药震源。

1）炸药震源

炸药是一种特殊的化合物或混合物，它能在外界的影响（如用电雷管起爆）下放

出气体和高热，形成高压气团而急剧膨胀，在很短的瞬间将压缩作用施用于周围物体，即所谓的冲击波。

在爆炸中心，物体将被粉碎和破坏，形成破坏带。

在破坏带以外，物体只产生弹性形变，形成岩石的震动带，此时冲击波变成弹性波。

在陆地地震勘探时，多数情况下在注满水的浅井中爆炸激发地震波，无法钻井或钻井困难的地区多采用坑中爆炸。

在水面地震勘探时，采用水中爆炸。

井中爆炸是地震勘探中最常用的一种激发方式，它的主要优点有两条：

一是减小面波的强度，基本不产生声波；二是反射波能量强、频率高，可以减少药量。

要确保这些优点的实现，需要选择良好的激发条件。

首先要考虑的就是爆炸介质的岩性，若在松软的干燥沙层或淤泥中激发，地震波频率很低，且爆炸能量大部分被吸收；若在坚硬的岩石中激发，地震波频率很高，但是随着地震波在岩石中的传播，高频振动很快地被吸收。

因此，激发最好选在潮湿的可塑性岩层，如胶泥、粘土等。

其次要考虑的是激发井深，通常选择在潜水面以下2~3m。

为了使能量集中向下传

播及减小声波干扰，井中要注满水、泥浆或用土填塞。

虽然目前我国在陆上大部分地区仍主要采用炸药井中爆炸的激发方式，但是随着勘探规模的扩大和技术的发展，炸药震源逐渐暴露出以下问题：

（1）钻井和使用炸药的费用较大、时间较长，在需要钻深井才能获得良好激发条件的地区，耗费更大。

（2）缺水地区，地形复杂的山区，流沙沼泽等钻井困难地区，施工不便。

（3）工业矿区、人口稠密区和鱼塘不宜使用炸药。

此外，炸药的运输、保管和使用中容易发生危险。

为了解决上述问题，出现了非炸药震源。

2）非炸药震源

非炸药震源有很多种，煤田地震勘探中主要使用可控震源。

可控震源是一种机械震源，由安装在汽车上的振动器冲击地面产生频率可以控制的波列作为地震震源。

可控震源已从早期的小吨位震源发展到目前的28吨（6万

磅）级的大吨位震源，从而大大提高了激发能，见图2-1-25。

多台组合同步控制精度

达到微秒级水平，平均相位误差不到1度，从而提高了组合激发的效果。

图2-1-25可控震源

2.地震数据采集系统

地震数据采集系统是由地震检波器和地震记录仪器组成。

1）地震检波器

地震勘探获取原始数据的方法，是由采用人工激发方式引起地面振动，由地震检波器接收此振动，并把机械振动转换为电信号，传输到地震记录仪器上记录。

地震检波器是一种机电转换装置，能把地震波引起的地面微弱的机械振动转换为电流强弱变化的电信号。

不同的检波器对地震波有频率选择作用，即检波器的频率特性各不相同。

通常按照检波器的固有频率进行划分，固有频率为10Hz的称低

频检波器，固有频率为40~60Hz的称中频检波器，固有频率为100Hz的称高频检波器。

2）地震仪器

根据地震勘探的需要，对地震记录仪器有三点基本要求：

（1）具有对弱信号的

放大性能；

（2）具有记录能量相差悬殊信号的动态范围；（3）具有合适的通频带。

随着机械制造业和计算机技术的发展，地震仪从20世纪50年代前最早的光点

记录方式、50年代的磁带模拟记录方式发展到70年代的数字记录方式；从70年代的24道地震记录仪、90年代的千道地震记录仪发展到今天的万道地震记录仪，地震记录仪的每一步发展都推动了地震勘探技术的进步和发展。

为了满足高精度地震勘探的要求，地震仪器向着超多道、遥测、高位模数转换

（从24位到32位）、完善的质量控制系统方向发展。

主要的地震仪器生产厂家有SERCEL、I/O、GEOX、FAIRFIELD等，主要产品包括SN388、SN408UL、SYSTEM2、SYSTEM2000、IMAGE、ARAM24、ARAMARIES、TELSEISBOX等。

1.4.2.4地震数据的处理

地震数据处理技术是对野外采集的地震资料进行各种处理，最终利用一次反射信号对地下反射界面进行成像，处理结果为地震剖面（二维）或偏移数据体（三维）。

利用处理后的成果，可以解释地下岩层的构造形态和岩性特征。

地震数据处理包括观测系统定义、预处理、能量关系恢复校正、叠前去噪、反褶积、静校正、速度分析、动校正、DMO校正、叠加、偏移、叠后修饰等主要步

骤。

今天的地震数据处理一般是以大型地震处理软件平台为依托，在高性能的计算机上实现的。

随着技术的不断发展和进步，地震数据处理系统的功能也在不断完善，使用也越来越方便，同时也变得越来越庞大和复杂，对处理人员的素质要求也越来越高。

目前国内使用的代表性地震资料处理系统见表2-1-11。

表2-1-11地震资料处理系统

国家和公司

软件名称

法国CGG公司

GEOVECTEURPLUS

美国LANDMARK公司

PROMAX

美国WesternGeophysical公司

OMEGA

以色歹UParadigmGeophysical公司

FOCUS

中国东方地球物理公司

GRISYS

1.4.2.5二维地震勘探

二维地震勘探是一套以数字方式记录地震信号，经数字处理获得地震时间剖面，查明小型煤田构造和异常的技术方法。

1•解释内容和方法

构造解释是地震资料解释最基本的内容，以水平叠加时间剖面、偏移时间剖面为主要资料，分析时间剖面上的各种波动特征，确定主要目的层层位，进行波的对比和追踪；解释时间剖面上反映出来的各种地质构造现象，确定断层、褶曲位置；将时间剖面变为深度剖面，绘制标准层位构造平面图和其它地质构造图件。

构造解释主要是运用地震波的运动学特征来解决岩层的空间分布问题。

2.地震时间剖面的解释

地震时间剖面是构造解释的基础资料。

通常，一条地震测线可得到一张时间剖面（图2-1-26）。

图2-1-26中，横坐标为共中心点（CDP），纵坐标为双程旅行时间，以秒（s）为单位。

时间剖面不同于深度剖面，但能直观地反映地下构造形态。

在时间剖面上，利用反射波的各种特征，识别和追踪同一界面反射波的过程，称为时间剖面的对比。

来自同一界面的反射波，虽受界面埋藏深度、岩性、产状及覆盖层等因素的影响，但在一定范围内具有相对的稳定性，使得同一层位反射波在相邻接收点上反映出类似的特征。

反射波的主要特征有三个，即相位相同、振幅增强和波形相似。

利用这些反射波特征，可以确定和连续追踪反射标准层，识别各种波的类型，搞清波组之间的关系，解释时间剖面所反映的地质现象。

3.解决的主要地质问题

二维地震勘探从初期主要解决断层和煤层赋存情况，在地震地质条件较好的地区，目前可以解决的主要地质问题是：

（1）查明落差大于等于10m的断层，提供落差小于10m的断点，平面摆动误差小于50m；

（2）查明幅度大于等于10m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于2%；

（3）查明新生界（第四系）厚度；

（4）探明直径大于30m的陷落柱、无煤带、煤层分叉合并，为回采工作面布置提供可靠的地质资料。

1.4.2.6三维地震勘探

1.三维地震勘探的特点

由于地下的地质构造本身是三维的，而二维地震勘探技术先天不足，具有不

可克服的缺陷，所以只有三维地震勘探才是最合适的方法。

三维地震勘探是把沿测线观测的二维地震方法扩展到三维空间。

通过面积测量技术获得反映地质体时空变化的三维数据体，见图2-1-27。

利用该数据体，可以提取垂直剖面、时

间切片和立体数据，以满足解释工作的需要，见图2-1-28。

图2-1-27三维地震数据体图2-1-28垂直剖面和地震切片

垂直剖面分为三种，垂直于构造走向的剖面称为主测线剖面，通常表示为

Inline方向；与主测线剖面相垂直的为联络测线剖面，通常表示为Crossline方向；实现地震资料与地质资料直接对比而连结部分钻孔的测线称为联井测线，对应的剖面为联井剖面。

地震切片分为两种，水平切片是地下不同层位的信息在同一时间内的反映，它相当于某一等时面的地质图，即同一张切片里显示了不同层位的信息；沿层切片把地下同一层位的信息显示到一张切片上。

2.解决的主要地质问题目前，煤田三维地震勘探技术已经成为详细查明小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带等重要地质资料的主要手段。

但是，其整体水平仍处于构造解释阶段，尚不能解决煤矿安全生产中的所有地质问题。

在地震地质条件较好的地区，三维地震勘探可以解决的主要地质问题是：

（1）查明落差大于等于5m的断层，提供落差小于5m的断点，平面摆动误差小于30m；

（2）查明幅度大于等于5m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于1.5%；

（3）查明新生界（第四系）厚度；

（4）探明直径大于20m的陷落柱、无煤带、煤层分叉合并及煤层厚度变化（误差小于1m）。

3.煤矿三维地震数据动态解释技术近年来，在应用煤田三维地震勘探成果的过程中也暴露出许多问题，主要包括：

（1）地震成果的利用率低

通常勘探单位仅提供煤层底板等高线图和固定间距（40mX80m）的地震时间剖

面，煤矿无法利用三维地震数据体的所有信息。

（2）无法实时获得沿巷道方向的地震剖面三维地震勘探为煤矿采区的合理布置、主巷道开拓提供了依据，但是煤矿需要

的沿巷道方向（即任意方向）的地震剖面在勘探阶段是无法实时获得的。

（3）无法利用煤矿生产阶段获得的地质资料煤田三维地震勘探通常采用钻孔标定方法计算平均速度，即利用已知钻孔揭露

的地质层位深度及对应的反射波旅行时，经内插、拟合平滑后做出不同层位的速度平面分布图。

对构造等时图直接进行时深转换即可得到构深度造图。

在煤矿勘探阶段，钻孔的数量不多，故地震资料构造解释精度也不高。

然而，在煤矿生产阶段可以获得大量的井巷和回采工作面的地质资料，利用它们可以大幅度提高构造解释精度。

但是，这些宝贵的地质资料均无法利用。

（4）无法修改原构造解释方案在掘进和回采过程中，可以发现许多小于5m的断层，但是无法自动修改原构

造解释方案（即无法自动修改煤层底板等高线图）。

煤矿三维地震数据动态解释技术是指“三维地震信息与煤矿生产过程中所获得的矿井地质信息相互融合”，服务于煤矿生产阶段，彻底改变了传统的三维地震解释仅服务于煤矿勘探阶段的模式，提高了三维地震成果的利用水平，能够解决更多的地质问题。

4.应用实例

实例1——探明陷落柱

2002年，淮南矿业集团谢桥矿东二采区进行三维地震勘探，在资料解释时，发现该区内有两个地质异常体，即1号、2号隐伏构造体，见图2-1-29和图2-1-30。

后经地面钻孔及井下巷道验证为陷落柱，首次确定了淮南地区有陷落柱的存在。

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图2-1-29陷落柱在地震剖面上的显示

图2-1-30陷落柱的平面位置

实例2探明新构造

淮南矿业集团顾北煤矿和顾桥煤矿进行的三维地震勘探中，陆续在新生界地层中发现了断距较大的断层，这是过去地质勘探未曾见到的地质现象，如图2-1-31

和图2-1-32所示。

为了进一步探明该地质现象，设计了3个地质钻孔，其中补5孔见破碎带，深度为518.9〜632.8m，与三维地震勘探资料基本吻合。

通过对地质资料的分析，发现新生界地层中的断层既有正断层，也有逆断层，表现为新构造运动形迹，同时也表现出老构造的继续或复活现象。

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图2-1-31新生界地层中的正断层

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图2-1-32新生界地层中的逆断层

1.4.3岩性地震勘探

1.4.3.1构造地震勘探与岩性地震勘探

中国东部主要矿区经过多年的开采，浅部资源已亮红灯，迫切需要开采深部的煤炭资源。

如何提高地质成果的勘探精度，在深部实现安全开采是我国煤炭行业今后的主要奋斗目标。

影响深部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。

目前，主要的成熟勘探手段是地震勘探，也仅限于解决构造问题。

而煤矿深部安全开采中的主要地质问题，包括煤层顶底板水文地质条件、瓦斯突出条件与力学性质均属岩性勘探范畴。

构造地震勘探主要利用地震波的运动学特征，即利用地震波的旅行时和波速，计算出地层分界面上各点的埋藏深度，从而确定出地层的构造形态。

岩性地震勘探除了利用地震波的运动学特征外，还利用地震波的动力学特征来研究地层的岩性。

地震属性技术和地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段。

近年来，随着三维地震勘探方法的进步与发展，煤矿中也引进了高密度三维地震勘探、三维三分量的地震勘探方法。

1.4.3.2地震属性技术

地震属性的分类没有统一的标准，不同的学者分别提出过不同的属性分类。

结合煤田地震勘探的特点，可以根据运动学/动力学特征把地震属性分成八个类别：

时间、振幅、频率、相位、波形、相关、吸收衰减、速度。

地震属性的类型很多，要根据解决的地质问题来选择相应的地震属性。

地震属性技术的关键在于属性提取，提取方式包括同相轴属性提取和数据体属性提取。

（1）提取同相轴属性同相轴属性是与某个界面有关的地震属性，具体提取方法包括瞬时提取法、单道分时窗提取法和多道分时窗提取法。

瞬时提取法即传统的“三瞬”参数，瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率。

单道分时窗提取法是在一个地震道上用“可变时窗”提取各类属性参数，通过解释出的反射同相轴来定义可变时窗的上界和下界。

常用的有时间域属性参数、频率域属性参数和分形分维属性参数。

多道分时窗提取法是在多个地震道上用可变时窗提取各类属性参数，除了要定义可变时窗的上界和下界外，还需要定义处理道数。

将所得到地震属性放到中心道位置上。

常用的有品质因素和二维分形参数。

（2）提取数据体属性基于数据体的地震属性将产生一个完整的属性体，其最大优点是能产生相关型的数据，从而提供逐道之间地震信号相似性和连续性的有用信息。

将固定的三维数据体转化为能反映一定地球物理特征的新三维数据体。

最常见的是相干数据体和方差数据体。

煤层反射波中含有大量地质信息，无论是煤层的构造、结构或岩性变化都会引起地震属性的变化。

在煤田地震勘探中,煤层中的小构造异常、结构和岩性变化，用常规的人工识别方法往往是无能为力的。

但是，利用地震属性的变化来区分构造、进行煤层结构和岩性解释是可行的。

地震属性技术是煤矿开发阶段的重要手段，可用于识别断层及其它构造、预测奥陶系灰岩岩溶裂隙发育带、解释煤层变薄冲刷带、预测瓦斯富集带等，应用前景十分广泛。

1.解释小断层

图2-1-33是淮南矿业集团张集煤矿西三采区13-1煤层的（a）沿层相干切片与（b）底板等高线图的对比，可以看出小断层的相关属性非常明显。

（a）

（b）

图2-1-33

相干沿层切片与底板等高线图的对比

2.解释煤层变薄冲刷带

阳煤集团开元公司于2004年完成了七、八采区三维地震勘探工作，对3煤层

进行了构造解释。

在地震数据解释过程中，主要根据钻孔资料在3煤层中划分出3

个薄煤区（0.8m）,初步认定薄煤区或无煤区是古河道冲刷造成的，见图2-1-34。

七采区3806工作面在掘进过程中，回风顺槽遇到冲刷带，与三维地震解释冲刷位

置相差240=。

图2-1-35为本区的标准反射波时间剖面。

图2-1-36为3煤层变薄冲

刷缺失的地震剖面，与正常地震剖面比较后可以发现，对应3煤层的T3波有以下变化：

（1）振幅即能量明显变弱；

（2）相位发生转移；（3）波形特征改变。

针对T3波的这些变化，提取了3煤层反射波的属性参数，包括振幅、相位和相干特征，得到七、八采区沿3煤层的振幅切片、相位切片和相干切片，见图2-1-37、图2-1-38和图2-1-39。

分析后可以看出，3煤层的变薄冲刷缺失在地震属性上有明显反应，综合利用正常区域和变薄区域的地震属性差异，可以得到七、八采区3煤

层的变薄冲刷缺失范围，见图2-1-40。

从图2-1-40中可以清楚地看到，薄煤区或无煤区基本是东西向展布的，具有河

道冲刷的典型特征。

图2-1-343煤层变薄冲刷缺失的分布范围

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图2-1-35标准地震剖面

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图2-1-363煤层变薄冲刷缺失的地震剖面

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图2-1-37沿3煤层的振幅切片

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图2-1-38沿3煤层的相位切片

图2-1-39沿3煤层的相干切片

图2-1-403煤层变薄冲刷缺失区

1.4.3.3地震反演技术

地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件，对井旁地震资料进行约束反演，并在此基础上对孔间地震资料进行反演，推断地层岩性在平面上的变化情况，这样就把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来，实行优势互补，大大提高三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度，在煤矿深部

安全开采中发挥重要作用。

煤田地震反演工作起步较晚，处在叠后地震反演的研究和初步应用阶段。

近年来，地震反演技术应用于多家煤矿，其关注的重点是煤矿安全开采的有关地质问题，获得了丰富的地质成果，主要包括：

（1）提高弱反射煤层的可检测性；

（2）利用反演剖面提供的岩性信息来划分地层，研究煤层顶板的稳定性；（3）确定奥陶系灰岩

顶部岩层中的含隔水性，查明含、隔水层的空间分布和厚度分布；（4）圈定火成岩侵入煤层的范围；（5）预测煤层厚度；（6）预测煤层瓦斯富集带。

1.确定奥陶系灰岩顶部含、隔水层的空间分布和厚度分布

传统煤田地质学认为，奥陶系灰岩岩溶地下水水压高，易对下组煤顶、底含水层产生垂向顶托或侧向补给，且补给水源充足，对采煤威胁最大。

因此，长期以来下组煤层是开采禁区。

在临沂矿业集团新驿煤矿下组煤水文地质补充勘