基于反射波法勘探的陷落柱结构分析

张 诚

（忻州市煤田地质勘探队，山西忻州034000）

基于反射波法勘探的陷落柱结构分析

张 诚

（忻州市煤田地质勘探队，山西忻州034000）

为掌握陷落柱赋存状态和内部结构，基于地震勘探反射波原理，采用理论分析和现场实践相结合的方法，建立了陷落柱正演模型，对陷落柱成因及探测方法进行研究。研究表明：1）赋存陷落柱需满足岩层条件、水作用条件和构造发育条件，可溶性岩体在流水和应力相互作用下坍塌垮落，形成陷落柱。2）陷落柱物理特征中的电性、磁性、放射性及波阻抗表现出差异性，是勘探的基本原理。3）对内部为均匀体结构的陷落柱模型正演，得到其在地震时间剖面上的响应特征，从而对陷落柱位置和形态判读。该研究可为类似条件陷落柱地震勘探提供一定的指导。

陷落柱；结构分析；反射波原理；地震勘探测量

陷落柱是指煤系地层中的地下溶洞顶部岩层及覆盖层失去支撑，塌陷所产生的上小下大的锥状陷落体，广泛分布在我国华北地区石炭二叠系地层中。在煤矿生产中，陷落柱影响采区和工作面布置、减少煤炭储量、构成导水通道，使矿井发生透水事故，严重威胁煤矿的安全高效生产［1］。因此，对其结构的研究，能正确识别和判读陷落柱，为煤矿生产提供可靠的地质资料支撑。

陷落柱由于其复杂的地质及地球物理特征，其结构识别长期以来为勘探领域一大难题。目前，大量学者通过各种手段对陷落柱进行研究［2-3］，但是较少考虑陷落柱内部成分、构造等。为了更进一步研究，采用理论分析，建立内部均匀体构造的陷落柱地震模型，进行模拟分析，以对陷落柱内部特征有进一步认识，为野外三维地震勘探陷落柱提供参考和指导。

1 陷落柱的成因

1.1 赋存陷落柱的必备条件

1）有上覆地层塌落的空间，煤系地层下伏岩层必须是可溶性岩层，如碳酸岩类的灰岩、白云岩、石膏等，另外在陷落柱发育的前期已形成足够的原始塌陷空间。

2）有较好的地下水动力条件和地下水流通通道［4］。

3）有构造发育的条件。

1.2 陷落柱成因

1）上覆地层塌落的空间：石膏层膏溶空洞（膏溶作用形成的空洞）、古地表岩溶（奥陶灰岩顶部古风化剥蚀形成的岩溶）、古地下岩溶（侵蚀和溶蚀作用形成的空洞）。

2）地下水动力条件：溶洞的形成就是地下水沿着构造裂隙带运动，同时对周围围岩不断溶蚀的结果。当岩溶溶洞内塌陷物的体积超过溶洞所能承载的体积时，地下水将这些塌陷物不断地搬运，使得陷落柱不断持续发展。

3）构造作用：陷落柱的形成主要受一级、二级、三级构造控制的影响。大型的区域断裂构造主要指张性断裂构造，是陷落柱发育的一级构造，也是坚硬岩石赋存的水流通道和地下水的径流与排泄带。次级向斜的轴部或者转折端附近，即二级构造控制处是陷落柱主要集中发育点。三级控制地质尺度较小，即环形断层和围岩小断层，它是陷落柱发育的最直接控制因素。

2 陷落柱形成过程

地层中可溶性的灰岩不断受到构造应力的作用，形成各种大小不一的构造裂隙，地下水沿这些裂隙形成地下水径流，为地下水的溶蚀作用创造了有利条件。随着地下水长时间的溶蚀，灰岩中的溶洞越来越大，在上覆岩层重力和地质构造应力的长期作用下，部分溶洞发生坍塌，上面覆盖的煤系地层随之塌落而破坏了煤层的完整性，形成陷落柱，见图1。

图1 陷落柱形成过程示意图

3 基于反射波法勘探原理

3.1 陷落柱的地球物理特征

1）电性。不同区域水文地质条件不同，陷落柱的导水性也不同。根据陷落柱的导水性差异，目前将岩溶陷落柱分为4类：不导水型岩溶陷落柱、弱导水型岩溶陷落柱、中等导水型岩溶陷落柱以及强导水型岩溶陷落柱。

2）磁性。陷落柱的形成经历了长期的地质作用，在此过程中，陷落柱围岩及内部充填物中的磁性物质不断地发生变化，由此陷落柱与其围岩之间就存在了磁性差异。磁法勘探陷落柱正是利用二者之间的磁性差异。

3）放射性。常见的陷落柱大多发育于煤系地层之下的奥陶灰岩中，其贯穿了多个地层，如果其中的某个地层有含水层，水中的放射性物质就会沿着空隙、裂隙溢出地表，由此可用放射性方法勘探陷落柱。

4）波阻抗。陷落柱柱体内的充填物大多由上覆地层塌落的岩块、煤块以及岩屑、岩粉等胶结而成。充填物的结构、成分等较复杂，常出现低速度、低密度的特性，并且成层性也较差。周围的围岩通常为砂岩、灰岩、泥岩、煤层等岩层，其沉积较稳定，岩层较致密，速度、密度也较高。波阻抗为波在地层中的速度与密度的乘积，地震勘探中的反射波法勘探就是利用的波阻抗差异。很明显陷落柱的波阻抗比周围围岩的波阻抗低，二者的差异较大，由此可以较好地利用地震勘探的方法探测陷落柱。

3.2 反射波法勘探原理

地震反射波法是目前经常使用的一种物探方法，它利用介质的波阻抗差异（波速与介质密度的乘积）来探测地下的地质体。基于反射波法的勘探原理是在离震源不远的观测点上（检波器），能记录地震反射波从震源到不同波阻抗差异的地层界面上反射后回到地面检波器的法线反射时间，不同反射时间反应了地下地质体的不同形态，从而可以划分断层、陷落柱、采空区、地层等地质情况。

4 地震勘探探测陷落柱实例分析

4.1 勘探区概况

勘探区位于山西省晋中市西北部，属黄土丘陵地貌，为新生界地层所覆盖，基岩零星出露，区内地表最大相对高差156.7 m。井田内可采煤层有3#、9#、15#煤，勘探面积4.2 km2。

地层由老至新主要有奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组，上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组以及第四系地层。倾角不大，一般不大于10°。

从该区煤层与其顶底板岩层的物理特征分析可知，煤层与其围岩间存在明显的波阻抗差异，能够形成3组能量强、波形突出、全区可连续追踪对比的地震反射波（T3波、T9波和T15波）。其中，3#煤层变薄处形成的反射波同相轴能量较弱，连续性较差，T15波受3#和9#煤层的屏蔽作用相对变弱。

4.2 陷落柱的判读与分析

假设陷落柱内部为均匀体，采用地震波场正演模拟方法对陷落柱整体发育于灰岩中、在地面露头的模型反演。在这个模型中，陷落柱内部从上到下为一均匀体，密度为2 200 kg/m3，纵波速度为2 500 m/s。陷落柱外围都只有1层灰岩，灰岩的各个参数保持不变，变化的是陷落柱内部结构。灰岩厚度800 m（0～800 m），灰岩的密度为3 200 kg/m3，地震波在灰岩中传播的纵波速度为4 500 m/s。陷落柱高800 m（0~800 m），出露地表，顶宽60 m（470～530 m），底宽200 m（400～600 m）。地质模型见图2。

图2 地质模型示意图

使用声波方程进行模拟激发，得到21炮单炮记录和波长快照，典型的单炮记录见图3，4。

图3500 m处模拟激发得到的单炮记录图

图4300 m处模拟激发得到的单炮记录图

由图3，图4分析可知，陷落柱柱壁是个散射界面，从上到下出现很多柱壁散射波，这是由于陷落柱与外围灰岩之间存在明显的波阻抗差异。而陷落柱内部为一均匀体，不存在波阻抗差异，通常情况下认为是不会产生地震波的，但是陷落柱内侧柱壁同理也是散射界面，会产生很多散射波，这些散射波相互干涉，使得陷落柱内存在杂乱的干涉波。当在正中间激发时，直达波两侧对称，这是由于模型两侧对称。在其他位置激发时，直达波出现不对称行，在波速大的地方用时短，在波速小的地方用时长，遇到陷落柱直达波出现转折现象。在图4中，箭头所指的柱壁反射波是震源产生的球面波第一次到达柱壁时发生反射产生的，这个球面波回到地面，被地面的检波器所接收，在单炮记录上表现为反射波。箭头指的柱壁散射波是震源产生的球面波到达柱壁反射点位置后发生透射，然后在柱内反射到柱体右壁，又反射到柱体左壁某个点，而产生新的球面波所形成。以上的现象可以通过波场快照更加直观地观测，波场快照示意图见图5。

图5300 m处激发模拟得到的波场快照图

对得到的所有单炮记录进行炮集合并、抽道集、动校正、叠加、偏移等处理后，得到了这一陷落柱模型的水平叠加剖面和偏移剖面，见图6，图7。

图6 水平叠加时间剖面图

图7 经叠后偏移的时间剖面图

从图6，图7可以看到，很多散射波，有柱壁外侧的散射波，也有柱壁内侧的散射波，柱壁内侧的散射波干涉较强，另外陷落柱的形态也能显现出来，叠加剖面陷落柱的形态不是很清楚，叠后偏移剖面陷落柱的形态清楚。

5 结论

1）赋存陷落柱需满足岩层条件、水作用条件和构造发育条件，可溶性岩体在流水及应力相互作用下，坍塌垮落形成陷落柱。

2）陷落柱物理特征中的电性、磁性、放射性及波阻抗表现出差异性，可以在地面接收到不同的地震响应特征，由此可以识别地下陷落柱的特征和赋存状态，是勘探的基本原理。

3）对内部为均匀体的陷落柱模型正演，由于陷落柱与外围灰岩之间存在明显的波阻抗差异，激发得到的散射波不同，从而对陷落柱的位置和形态判读。

［1］杨武洋.煤矿陷落柱赋水特征的综合物探探查原理与方法［J］.采矿与安全工程学，2013，30（1）:45-50.

［2］何灵芳，闫涛滔，刘大锰，等.三维地震资料在赵庄煤矿构造解释中的应用［J］.煤炭科学技术，2011，39（8）:100-103.

［3］褚志忠.陷落柱伴生断层特征及陷落柱预测［J］.煤炭地质与勘探，1998，26（3）:26-28.

［4］卫红学.陷落柱柱体结构的地震波场分析［D］.太原：太原理工大学硕士论文，2014：10-13，31-34.

Structural Analysis of Collapse Column by Reflected Wave Prospecting

Zhang Cheng

In order to master the occurrence and internal structure of collapse columns，bases on reflected wave principle in seismic prospecting，with the combination of theoretical analysis and field practice，the forward model is established to study the origin and prospecting methods of the collapse columns.The results show that 1）The occurrence of the collapse column should satisfy the condition of rock strata，water and structure development. Soluble rocks collapse form collapse columns under the interaction of running water and stress.2）The electrical property，magnetic property，radioactivity and wave impedance show the difference in physical properties of collapse columns is the rationale for prospecting.3）The forward model of collapse columns with homogeneous internal structure can achieve the response characteristics in seismic time-section and then can interpret the location and form.The study can offer certain guidance for seismic prospecting of collapse columns in the similar condition.

Collapse column；Structural analysis；Reflected wave principle；Seismic exploration surveying

TD745

B

1672-0652（2014）11-0040-04

2014-10-09

张诚（1968—），男，山西偏关人，1992年毕业于阜新矿业学院，工程师，主要从事测绘、地质工作（E-mail）980335510@qq.com