蔣澤金

（中國煤炭地質(zhì)總局 一二九勘探隊，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

煤礦安全、高效生產(chǎn)的前提，需要掌握礦井內(nèi)隱蔽致災(zāi)體的形態(tài)、產(chǎn)狀等空間參數(shù)。目前，為了提高煤礦井田對隱蔽致災(zāi)體的精確和精準(zhǔn)掌握，聯(lián)合多種探測手段和方法成為研究的重要內(nèi)容。煤礦井田常用的物探技術(shù)方法有三維地震勘探、瞬變電磁探測、高密度電法、CSAMT，井下采用音頻透視探測、槽波勘探、電法勘探及瞬變電磁法勘探技術(shù)等，取得了較好的應(yīng)用效果[1-2]。同時，為了增加探測的精確度和準(zhǔn)確度，通常運用不同物探方法的組合勘探技術(shù)，利用不同物探勘探方法中不同的物性參數(shù)，綜合解釋同一隱蔽致災(zāi)體的綜合效應(yīng)，大大提高了綜合勘探的解釋效果和準(zhǔn)確性。啜小宇（2019） 在研究華北煤田強(qiáng)導(dǎo)（含） 水隱伏陷落柱底板突水機(jī)理研究指出陷落柱水平截面形狀決定其突水的關(guān)鍵因素[3]，而且截面形狀是圓形時最容易發(fā)生突水。同時，趙金貴（2020） 研究西山煤田巖溶陷落柱柱體形態(tài)指出柱體活化是陷落柱導(dǎo)水的重要因素之一[4]，尋找與對比巖溶陷落柱柱根位置，可作為地球物理方法探測與分辨區(qū)域煤系新老陷落柱的依據(jù)。

基于礦井三維地震勘探和CSAMT 勘探數(shù)據(jù)，針對復(fù)雜的地表地質(zhì)條件和深部地質(zhì)條件的分析，采用精細(xì)地震數(shù)據(jù)處理和電磁數(shù)據(jù)處理后，得到高質(zhì)量的物探數(shù)據(jù)體。通過綜合物探數(shù)據(jù)的綜合分析與解釋，對主要的陷落柱構(gòu)造進(jìn)行了綜合識別，解釋的效果好，探測精度高。

1 礦井地質(zhì)概況

河北省梧桐莊礦井全區(qū)被新生界掩蓋，由老到新地層有奧陶系、石炭系、二疊系及新生界。井田主要開采煤層為山西組2 號煤和太原組9 號煤，2號煤厚3.10 m，9 號煤厚1.54 m。構(gòu)造總體呈北東向的單斜構(gòu)造，發(fā)育有落差大小不等的斷層、陷落柱等，中等構(gòu)造復(fù)雜程度。全區(qū)屬丘陵地形，地表起伏較大，相對高差大，沖溝非常發(fā)育，切割深度，溝壑縱橫、梯田密布。

2 綜合探測勘探方法

依據(jù)研究區(qū)內(nèi)主要地層、巖性、地形地質(zhì)條件及其不同巖性之間存在的地球物理參數(shù)變化特征，勘探區(qū)內(nèi)采用地面三維地震勘探和可控源音頻大地電磁測深勘探組合勘探技術(shù)。由于陷落柱的形成過程中，對一定深度的巖體具有切割破壞作用，常表現(xiàn)為下伏極厚灰?guī)r層受水動力學(xué)作用形成的塌陷，與圍巖之間形成了一定的物性參數(shù)變化。利用三維地震對煤層敏感，特別是對于小斷層構(gòu)造、小陷落柱構(gòu)造易于識別的特征，采用三維地震精細(xì)處理后的地震數(shù)據(jù)體，構(gòu)建識別陷落柱的地震屬性敏感性參數(shù)分析，確定采空區(qū)的空間分布特征[5-6]。同時，由于陷落柱塌陷作用會形成地下水體的倒水通道，表現(xiàn)一定的富水性特征，利用CSAMT 對水體富集程度敏感的特性，布置不同網(wǎng)格的CSAMT 勘探。

采用聯(lián)合勘探方法，不僅對陷落柱的形態(tài)特征反映清晰，同時對陷落柱的富水性進(jìn)行綜合研究，可為礦井的額安全生產(chǎn)提供良好的地質(zhì)條件。

2.1 三維地震勘探

目前三維地震勘探技術(shù)識別陷落柱地質(zhì)構(gòu)造還存在著一定的難點，主要是對于形狀不規(guī)則、規(guī)模不大的孤立陷落柱體，常會在地震資料去噪處理中易于被“平滑”掉；陷落柱在地震剖面上的表現(xiàn)特征不太明顯，有時與次級橈曲或小斷層易于混淆；勘探網(wǎng)度較大時，還需要識別較小陷落柱，往往會漏掉比網(wǎng)格密度小的小型陷落柱。

通過前人研究成果，陷落柱的地震時間和疊加剖面上表現(xiàn)為，煤層及其頂?shù)装宸瓷洳ɑ蚍瓷洳ńM終止；連續(xù)追蹤的煤層反射波同相軸發(fā)生扭曲或產(chǎn)狀突變、或者產(chǎn)生分叉、合并和圈閉現(xiàn)象；地震反射波出現(xiàn)繞射波或其振幅發(fā)生突變；地震時間剖面可見類似于“倒漏斗”半圈閉形態(tài)特征[7]。

三維地震野外數(shù)據(jù)采集為了增加解釋精確度，采用10 線8 炮的束狀觀測系統(tǒng)，CDP 網(wǎng)格為5 m×5 m，接收檢波器為高頻帶的數(shù)字檢波器，采用高密度地震勘探施工方法，SN388 數(shù)字地震儀0.5 ms 采樣間隔，記錄長度為1.2 s。

2.2 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法是研究人工場源在大地中激勵的交變電磁場分布，由觀測到的電磁場分布研究地下電性及地質(zhì)特征的一種勘探方法。由于CSAMT 法利用人工場源，在地面較強(qiáng)干擾區(qū)可開展工作；測量參數(shù)為電場與磁場之比，得出的是卡尼亞電阻率。勘探深度范圍大，橫向分辨率高，高阻屏蔽作用小，可穿透高阻層。

野外體CSAMT 的布置采用圖1 的布置方式，通過實驗確定收發(fā)距為8 km，供電電流10 A，接收采用4 個電棒和1 個磁棒的組合，道間距為10，采用頻率為0.01 ～4 096 Hz。對測量過程出現(xiàn)的異常點位采用重測方式確定異常的可靠程度，同時對可靠位置采用加密測點的方式。

圖1 瞬變電磁原理示意Fig.1 Transient electromagnetic principle

3 綜合物探技術(shù)在煤礦陷落柱及富水性應(yīng)用

3.1 陷落柱構(gòu)造的地震特征

陷落柱的特殊性表現(xiàn)在其孤立出現(xiàn)和分布規(guī)律性差，依靠傳統(tǒng)的鉆探手段往往難以查清，即使依靠先進(jìn)的三維地震勘探手段探查，也存在很大的技術(shù)困難。對于一個形狀不規(guī)則規(guī)模不大的孤立地質(zhì)體，常在地震資料處理去噪過程中會將其“平滑”掉；由于常規(guī)三維地震資料解釋中應(yīng)用的解釋網(wǎng)格間距的限制，常會漏掉比解釋網(wǎng)格更小的地質(zhì)體；小規(guī)模的陷落柱在地震時間剖面上的表現(xiàn)特征不太明顯時，易與次級橈曲或小斷層等構(gòu)造造成混淆。

在陷落柱的精細(xì)解釋中正確、精細(xì)解釋陷落柱的關(guān)鍵點是尋找陷落點位置，陷落點是指在地震時間剖面上陷落地層與正常賦存地層的分界點。根據(jù)以往經(jīng)驗，在地震時間剖面上解釋陷落點的主要依據(jù)有反射波或反射波組終止；反射波同相軸扭曲或產(chǎn)狀突變；反射波同相軸產(chǎn)生分叉合并和圈閉現(xiàn)象；反射波相位轉(zhuǎn)換或反射波振幅突變；特殊反射波的出現(xiàn)，如繞射波、衍射波、散射波等[8-10]。

另外，在水平時間切片和幾個主要目的層的反射波振幅切片上，陷落柱的發(fā)育也會明顯反映出地震反射波能量的變化。例如，三維地震解釋的位于某采區(qū)已知孔附近的X1 陷落柱，該陷落柱規(guī)模較大，長軸174 m，短軸96 m，在疊加時間剖面上表現(xiàn)為出現(xiàn)明顯的繞射波特征（圖2a），位于陷落柱斷陷位置。而在偏移剖面上，陷落柱表現(xiàn)為典型的斷陷點特征。解釋的陷落柱為可靠陷落柱，且在生產(chǎn)中得到了驗證。

圖2 陷落柱在疊加時間剖面和偏移時間剖面的反映Fig. 2 Reflection of subsided column in stack time section and migration time section

3.2 陷落柱的三維地震綜合解釋

對陷落柱的精細(xì)解釋中，對地震疊加剖面、偏移剖面與小波變換剖面進(jìn)行聯(lián)合解釋，確定陷落柱；對構(gòu)造平面圖上有規(guī)律出現(xiàn)的“環(huán)形構(gòu)造”，初步解釋為陷落柱而不是小斷層；在沿煤層方向的振幅切片上，表現(xiàn)為反射能量明顯減弱的一個圓形或橢圓形“圈閉構(gòu)造”的平面特征。

利用三維地震勘探資料精細(xì)解釋陷落柱時，除利用陷落柱在地震時間剖面上的特征外，同時采用多種綜合反映陷落柱特征的不同類型的剖面、平面進(jìn)行精細(xì)解釋。

綜合解釋的陷落柱Ⅰ平面圖上呈不規(guī)則橢圓形，長軸約45 m，短軸約35 m。采用的精細(xì)解釋指標(biāo)主要有，在圖3（a） 中的疊加時間剖面上，箭頭所指位置出現(xiàn)了明顯的繞射波，附近的煤層及巖層解釋的產(chǎn)狀變化較大；在圖3（b） 的偏移時間剖面上，陷落柱處出現(xiàn)了一定范圍反射波空白條帶，且煤層反射波反射波終止；圖4 的振幅平面上，陷落柱Ⅰ呈現(xiàn)出一個比較規(guī)整的低能量團(tuán)圈閉。從以上幾個特征綜合分析確定了陷落柱I 的存在。

圖4 陷落柱I 在地震振幅平面圖上識別特征Fig.4 Recognition characteristics of collapse column I on seismic amplitude plan

3.3 CSAMT 的綜合解釋

根據(jù)野外探測數(shù)據(jù)，采用專業(yè)軟件的綜合處理和解釋，得到各測線視電阻率擬斷面圖及深度切片平面圖的等值線走向與視電阻率值的變化等特征，確定陷落柱富水性特征。

圖5 為采區(qū)探測線電阻率反演斷面圖，從圖5上看，該線也有1 個低阻異常帶，分布在400～1 040 樁號。該異常與地震解釋陷落柱基本一致，且該陷落柱穿過了太原組和山西組煤層，與奧灰系灰?guī)r含水層聯(lián)系較好，富水性強(qiáng)，在后續(xù)開采中需要進(jìn)行富水性的專題研究。

圖5 CSAMT 某測線電阻率反演斷面圖Fig.5 resistivity inversion section of a CSAMT survey line

5 結(jié) 論

煤田礦井的隱蔽致災(zāi)體的危害較大，為了更準(zhǔn)確、有效、精確的掌握陷落柱構(gòu)造的基本特征，采用三維地震勘探和CSAMT 聯(lián)合勘探方法進(jìn)行綜合分析，解釋的效果明顯。

（1） 三維地震資料經(jīng)過小波分析、相干分析、層拉平處理與屬性分析等綜合處理手段后，三維地震數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率得到了一定的提高。

（2） 采用三維地震數(shù)據(jù)體地震屬性分析、圖像處理技術(shù)與層拉平技術(shù)，對該區(qū)資料的三維地震資料進(jìn)行了精細(xì)解釋，提高了解釋精度。

（3） 三維地震對小構(gòu)造的位置解釋清晰，對構(gòu)造形態(tài)反映靈敏，結(jié)合CSAMT 的視電阻率分析，對陷落柱構(gòu)造的富水性及水力聯(lián)系提供了依據(jù)。