韋乖強(qiáng)， 趙秀玲

(山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì),濟(jì)南 250104)

0 引言

我國(guó)華北石炭紀(jì)—二疊紀(jì)煤系基底的奧陶紀(jì)石灰?guī)r溶洞非常發(fā)育，受地下水的長(zhǎng)期溶蝕影響溶洞會(huì)愈來(lái)愈大，在地質(zhì)構(gòu)造力和上覆巖層自身重力的長(zhǎng)期作用下，上覆地層隨之整體陷落，剖面形態(tài)通常為上大下小的漏斗狀陷落體稱為陷落柱[1]。

陷落柱給煤礦安全開采帶來(lái)嚴(yán)重影響，它破壞了煤層及圍巖的穩(wěn)定性、連續(xù)性，減少了可采煤炭資源量，給煤礦工作面的布設(shè)、機(jī)械化開采帶來(lái)諸多影響。陷落柱極易導(dǎo)通含水層，使礦井突水，造成嚴(yán)重的淹井事故。因此，探明陷落柱的位置、形態(tài)、導(dǎo)含水性等特征對(duì)保障礦井安全生產(chǎn)尤為重要。

物探相比其他勘探手段可以快速查明陷落柱的分布形態(tài)，常用的探測(cè)方法有三維地震、地面(礦井)瞬變電磁法、CSAMT法、高密度電法、微動(dòng)探測(cè)、無(wú)線電磁波透視法勘探等。近年來(lái)，諸多同行專家采用兩種或兩種以上物探方法聯(lián)合勘探陷落柱及其富水性取得了良好的效果。選用三維地震、瞬變電磁法、大功率高密度直流電法等綜合地球物理手段查明了突水陷落柱的空間發(fā)育形態(tài)，獲得了陷落柱內(nèi)部構(gòu)造，為陷落柱治理工程的設(shè)計(jì)與施工提供了技術(shù)依據(jù)[2]；選用礦井瞬變電磁法和礦井直流電法探測(cè)出了陷落柱的發(fā)育位置和范圍，并對(duì)陷落柱富水性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[3]；選用瞬變電磁法和礦井震波超前探測(cè)組合技術(shù)探測(cè)小型隱蔽陷落柱也取得了較好的效果[4]。

以山西某礦為例，利用煤系地層巖溶陷落柱與圍巖之間存在明顯電性差異的這一地球物理特征[5]，通過(guò)地面CSAMT和井下高密度電法兩種物探方法對(duì)陷落柱進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)研究，以避免單一物探手段受物探儀器性能、地電條件、環(huán)境干擾等多方面因素影響導(dǎo)致成果資料的多解性和局限性，同時(shí)利用三維可視化軟件Voxler對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行了綜合對(duì)比分析解釋，結(jié)合井下鉆探驗(yàn)證及采煤工作面地質(zhì)資料，綜合分析了陷落柱的分布特征、柱底范圍及對(duì)煤層開采的影響，取得了良好的應(yīng)用效果[6-12]。

1 測(cè)區(qū)概況

山西某礦井田為低山丘陵和黃土丘陵地貌，地表大部為第四系黃土覆蓋，基巖多出露在溝谷山梁處。井田內(nèi)斷層、陷落柱發(fā)育，褶曲較發(fā)育，無(wú)巖漿巖侵入。據(jù)鉆孔、露頭、礦井生產(chǎn)揭露，自下而上本區(qū)發(fā)育地層為奧陶系、石炭系、二疊系、第四系；石炭系、二疊系為主要含煤地層，3#煤層全井田穩(wěn)定可采，平均厚6.21m，埋深500m左右。原三維地震勘探成果推斷在擬掘30105工作面附近存在陷落柱X3，為保障采掘安全，采用井地聯(lián)合物探、鉆探驗(yàn)證相結(jié)合的綜合分析方法對(duì)該陷落柱進(jìn)行探查及富水性評(píng)價(jià)。

2 工作布置

該礦前期三維地震勘探資料顯示，在30105工作面距開切眼430m位置發(fā)育X3陷落柱，推斷該陷落柱南北長(zhǎng)約300m，東西寬介于70～100m。

因CSAMT探測(cè)深度大、分層效果好、低阻反映敏感、壓制干擾能力強(qiáng)，高密度電法測(cè)點(diǎn)密度大，分辨率高，采集速度快，解譯快捷，故本次研究選用CSAMT和高密度電法開展聯(lián)合勘查,以減少資料分析解釋時(shí)的多解性和局限性。

本次工作布置以三維地震勘探推斷解釋的X3陷落柱位置為中心，在東西300m、南北500m范圍內(nèi)開展地面CSAMT探測(cè)研究，測(cè)線遵循垂直于陷落柱長(zhǎng)軸和煤層底板等高線的原則布設(shè)，共設(shè)計(jì)測(cè)線11條，分別標(biāo)記為L(zhǎng)1、L2……L11,依次由南向北布置，線距50m，點(diǎn)距10m(圖1)。同時(shí)在30105工作面膠帶順槽布置高密度測(cè)線一條，小號(hào)點(diǎn)在北西位置，為了確保達(dá)到探測(cè)深度，點(diǎn)距設(shè)為10m，測(cè)線總長(zhǎng)度910m。

圖1 工作布置

3 解釋分析

3.1 CSAMT探測(cè)成果分析

通過(guò)對(duì)11條CSAMT測(cè)線數(shù)據(jù)的精細(xì)處理，獲得了探測(cè)位置豐富的地質(zhì)信息，利用三維可視化軟件Voxler繪制了成果資料的三維可視化圖件，為了直觀反映各測(cè)線電性異常的相關(guān)性和變化規(guī)律，本次僅展示深度-200～-750m的地層電阻率剖面。從三維可視化圖件可以看出，CSAMT的L1、L2、L10、L11線的探測(cè)剖面無(wú)陷落柱反映，L3-L9線的剖面圖均清晰的反映了探測(cè)位置陷落柱的位置、形態(tài)等特征信息。

圖2主要展示了L1、L5、L7、L11線的視電阻率剖面圖，反映了發(fā)育陷落柱和正常地層剖面的對(duì)比情況。從圖中展示的剖面圖來(lái)看，從上至下視電阻率呈現(xiàn)由低到高的變化趨勢(shì)，反映了探測(cè)位置地層的電阻率變化特征。在深度-200～-670m，視電阻率值介于50～1 000Ω·m，視電阻率等值色譜呈層狀分布，推斷為石炭系、二疊系煤系地層的電性反映，其中在深度-250m附近存在橫向上的低電阻率條帶異常，視電阻率值小于15Ω·m，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷為二疊系砂巖裂隙含水層的電性反映，該含水層富水性較強(qiáng)。在深度-670m以下，視電阻率等值線在測(cè)線中部出現(xiàn)波動(dòng)，推斷為奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育，該段整體上視電阻率值相對(duì)較高，大于1 000Ω·m，推斷探測(cè)位置奧灰?guī)r富水性弱。

圖2 CSAMT法勘查三維可視化成果

在L5、L7測(cè)線的中部位置，視電阻率等值線呈現(xiàn)漏斗狀，視電阻率整體表現(xiàn)為相對(duì)低電阻率特征，該異常處于S2向斜的軸部及轉(zhuǎn)折端附近，該位置易發(fā)育巖溶陷落柱，故推斷該異常為X3陷落柱的電性反映。根據(jù)3#煤層視電阻率順層切片圖反映的視電阻率特征，推斷中部相對(duì)低電阻率區(qū)域?yàn)閄3陷落柱，該陷落柱由L3～L8線控制，南北軸長(zhǎng)約300m，東西軸長(zhǎng)在60～110m，形狀如順層切片綠色閉合圈所示。L1 線視電阻率等值線梯度變化較大，根據(jù)已知地質(zhì)資料推斷為S2向斜的反映。L11線剖面圖視電阻率等值線從上至下呈層狀分布,為正常地層的電性反映。該組斷面圖完整展示了探測(cè)區(qū)域正常地層、陷落柱、向斜構(gòu)造的電阻率變化特征。

3.2 高密度電法勘查成果分析

測(cè)線在井下沿30105工作面膠帶順槽布置。由圖3可知，視電阻率變化規(guī)律性強(qiáng)，層狀分布特征明顯，反映了探測(cè)順槽位置地層的電性特征。在樁號(hào)370～500m位置， 視電阻率呈現(xiàn)低電阻率條帶異常，因陷落柱是煤系地層巖塊混雜的泥質(zhì)膠結(jié)堆積物，低電阻率特征的膠結(jié)物上下易連通，增加了其導(dǎo)電性，推斷該低阻異常為X3陷落柱的電性反映。在深度-670m以下電阻率逐漸升高，為奧陶系灰?guī)r的電性反映。

以上井地兩種物探方法對(duì)陷落柱均有明顯的反映。

4 對(duì)比研究與驗(yàn)證

4.1 對(duì)比研究

圖4重點(diǎn)展示地面、井下兩種探測(cè)方法對(duì)陷落柱在順層和垂向剖面反映的位置是否對(duì)應(yīng)。從施工布置圖可以看出，高密度電法測(cè)線樁號(hào)230～585m位置和CSAMT法L11線的樁號(hào)9 155m至L6線的樁號(hào)9395m呈北偏東45°相交。

兩種方法的探測(cè)成果對(duì)陷落柱均有明顯的反映，CSAMT法3#煤層視電阻率順層切片圖反映的陷落柱(綠色)與高密度電法圈定的陷落柱位置相交，兩種方法從近水平和垂向不同方位反映的陷落柱位置存在交線。因井下高密度電法距離目標(biāo)體更近，反映的地質(zhì)異常更接近實(shí)際，據(jù)此由點(diǎn)到面說(shuō)明地面CSAMT法探測(cè)成果圈定的陷落柱是可靠的。

本次研究圈定的陷落柱形態(tài)、范圍同原三維地震勘探圈定的X3陷落柱的形態(tài)、范圍對(duì)比來(lái)看，兩者反映的陷落柱的位置、形態(tài)基本一致，僅在L6線位置CSAMT推斷的陷落柱變窄，驗(yàn)證了原三維地震勘探推斷的X3陷落柱是存在的。

4.2 鉆探驗(yàn)證

在30105工作面膠帶順槽高密度電法測(cè)線的樁號(hào)260m(孔1)、340m(孔2)位置各布置了一個(gè)鉆孔，以不同的方位、傾角鉆進(jìn)，以探查X3陷落柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密實(shí)程度、邊界范圍等?？?方位角195°，傾角0°，孔深97m，鉆進(jìn)至17m時(shí)進(jìn)入陷落柱，86m出陷落柱， 鉆孔見陷落柱長(zhǎng)度約69m， 終孔在3#煤層頂板上12m位置；孔2方位角240°，孔深96m，傾角-25°，鉆進(jìn)至9m時(shí)進(jìn)入陷落柱，84m出陷落柱，鉆孔見陷落柱長(zhǎng)度75m，終孔在3#煤層頂板下14m位置。鉆孔揭露的陷落柱位置和本次物探成果推斷的陷落柱位置基本吻合。本次鉆探采用清水鉆進(jìn)，巖心采取率不高，僅取出礫石塊，膠結(jié)物被水沖涮掉， 鉆進(jìn)時(shí)對(duì)沖洗液消耗量進(jìn)行了觀測(cè)，鉆進(jìn)全程沖洗液無(wú)明顯漏失，且未見滲水，說(shuō)明陷落柱充填物裂隙不發(fā)育、膠結(jié)好，柱體與煤層接觸面結(jié)合致密。

圖3 高密度電法視電阻率反演解釋剖面

圖4 兩種方法成果對(duì)比

4.3 富水性評(píng)價(jià)

上述圖2列舉的地面CSAMT各測(cè)線視電阻率剖面圖來(lái)看，3#煤頂板以上存在多層低電阻率條帶，視電阻率值介于15～50Ω·m，推斷為二疊系砂巖裂隙含水層、第四系松散巖、露頭基巖風(fēng)化裂隙含水層的影響所致，其富水性相對(duì)較強(qiáng)。3#煤層頂板以下地層電阻率逐漸升高，未見明顯的條帶狀低阻異常，推斷太原組砂巖含水層富水性相對(duì)較弱。奧灰?guī)r溶含水層整體表現(xiàn)為高電阻率特征，推斷其富水性相對(duì)較弱。

CSAMT法各測(cè)線視電阻率斷面圖反映的陷落柱中上部整體呈現(xiàn)相對(duì)低阻特性，并且隨著深度增加，電阻率逐漸升高，推斷陷落柱導(dǎo)(含)水較弱或不含水。

結(jié)合物探、鉆探資料綜合分析，X3陷落柱充填物裂隙不發(fā)育、 膠結(jié)程度高、 導(dǎo)(含)水性較弱或不含水，以上研究結(jié)論表明X3陷落柱對(duì)30105工作面的正常推進(jìn)影響較小。

5 結(jié)論

1) 地面CSAMT和井下高密度電法兩種勘查方法各自發(fā)揮探測(cè)深度、精度、分辨能力等優(yōu)勢(shì)，對(duì)比分析研究，可以對(duì)陷落柱的位置、形態(tài)、規(guī)模、富水性等進(jìn)行較為精準(zhǔn)的探測(cè)。

2) 通過(guò)Voxler三維可視化軟件繪制兩種方法的探測(cè)成果圖，從不同視角展示目標(biāo)層位視電阻率變化及對(duì)比情況，相互驗(yàn)證，便于整體分析陷落柱形態(tài)特征，提高了陷落柱的解釋精度。

3) 利用井下鉆探，對(duì)圈定的陷落柱從不同位置根據(jù)探查目的進(jìn)行鉆研驗(yàn)證，鉆探成果為分析評(píng)價(jià)陷落柱的位置、范圍、裂隙發(fā)育情況、膠結(jié)程度、柱體與煤層接觸面的密實(shí)程度提供了重要依據(jù)。

4) 井地聯(lián)合物探和鉆探相配合，結(jié)合已知地質(zhì)資料，依據(jù)電阻率的大小變化和鉆探成果資料，可以綜合評(píng)價(jià)陷落柱對(duì)煤礦安全開采的影響，為煤礦開展陷落柱危害防治、保障采掘安全提供了依據(jù)。