井下陷落柱勘探与判读实践

2019-04-09刘海勤

山东煤炭科技 2019年3期

刘海勤

（吕梁市煤矿水灾害防治中心，山西吕梁 033000）

据统计，范各庄矿、任楼矿、李封矿和吴村矿等发生的陷落柱透水事故，淹井、淹采区后造成了巨大经济、人员损失。因此，陷落柱井下勘查、判读和防治得到大量关注[1-2]，但由于陷落柱物理条件极其复杂[3-4]，现有勘探与判读精度不高，不能满足生产对高精度地质准备的要求，需要进一步研究。

本文永聚煤业采用理论分析和数值模拟方法，建立陷落柱地震勘探模型，分析陷落柱特征，提出陷落柱判读的准则，结合永聚煤业XL1陷落柱发育实例进行对比判读，以期提高对陷落柱构造勘探、判读精度，为安全高效生产提供地质保障。

1 陷落柱发育规律

山西吕梁永聚煤业为我国华北矿区典型井田，具有陷落柱发育的一般规律：

（1）易发育于井田浅部。统计的鹤壁矿区20个陷落柱均为井田浅部发育，占总数的90.9%；协庄矿14个陷落柱均在浅部发育，统计发现永聚井田陷落柱多在浅部发育。

（2）易发育于层滑构造井田。永聚煤业陷落柱均为层滑构造条件，因层滑构造易破坏煤岩稳定性，使得陷落柱岩壁塌落、空洞向上发展。

（3）易发育于地下水强径流带上。永聚煤业、杨庄矿、范各庄矿和阳泉矿区陷落柱均在地下水强径流带上发育，地下水活动强烈易促使陷落柱持续快速发育。

（4）发育形态极其不规律，具有明显差异性和复杂性。

2 陷落柱形态和发育特征

对永聚煤业井田内揭露的陷落柱统计得到如下陷落柱形态和发育特征：

（1）按形状，分为规则和不规则陷落柱，其中规则型为斜塔状、筒状、圆锥状和漏斗状岩。

（2）按中心轴形状，分为直立、歪斜、弯曲和扭转类型陷落柱，见图1。

图1 中心轴不同的陷落柱

（3）陷落柱内部充填物质和形态不同，可以分为泥石浆堆积、干式塌落堆积和开放水体堆积。

3 陷落柱井下勘探的判读与解释

永聚煤业地下溶洞顶部岩层及覆盖层不断塌陷形成陷落柱，根据陷落柱形成机理和形成过程，整个柱体下大上小、内部为不同形式物质充填堆积，表征为岩块的块度不一、块体排列无序。与煤岩层赋存形态比较，陷落柱的岩性、块度、连续性、产状等属性，呈现明显差别。正是因为陷落柱与围岩的物性差异构成了异常地震波的基础，也是进行地震波勘探的原理，为不同地层特性下判读地震波进而识别陷落柱提供了可能，陷落柱在时间剖面上特征如图2：

图2 陷落柱在时间剖面上的特征

（1）反射波组在不同介质界面传播时出现波终断或能量跌宕变弱现象。即不同介质中反射波的传播出现跳跃变化，使得反射波的终断点或能量跳跃变化位置成为异种介质的边界。

（2）反射波在陷落柱边界出现同相轴扭曲、产状突变。反射波在进入陷落柱时出现同相轴向陷落柱体内侧扭曲，是因为陷落柱塌陷使得围岩向其内部中心倾斜，而扭曲点的连线可以判读为陷落柱边界。

（3）反射波在同一介质中连续传播，但在进入陷落柱时出现了分叉合并和圈闭，说明陷落柱组成物质为异象，分叉、合并点是陷落柱边界的连续点。

4 陷落柱现场勘探实例

勘探区位于山西吕梁永聚煤业井田西北角，面积约0.83m2。区内构造有背斜、落差2～3m的正断层和陷落柱，主采的4#、6#、10#煤层平均厚度分别为1.39m、1.32m和4.18m。勘探目标层位于石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，岩层岩性由砂岩、泥岩、石灰岩及煤层组成，可知煤层与围岩间密度差异大，存在明显波阻抗差异，可形成地震反射波（T4波、T6波T10波）。

图3 陷落柱在常规及变密度时间剖面上的特征

对图3中XL1陷落柱时间剖面判读，可知该陷落柱破坏了地层中的4#、6#、10#煤层。图中T4、T6波出现同相轴扭曲、产状突变现象；T10波能量变弱，同相轴产状突变，均符合陷落柱特征。该陷落柱呈直立型、圆锥状，在4#煤层底板上的长轴、短轴长度分别为31m和17m；在6#煤层底板上的长轴、短轴长度分别为54m和34m；在10#煤层底板上的长轴、短轴长度分别为74m和41m。

实测中在井田西北角探测出XL1陷落柱，揭露形态近似椭圆形，为反漏斗型陷落柱。该陷落柱揭穿了地层中的4#、6#、10#煤层。长轴、短轴方向分别为N8°W和N82°E，在10#煤层底板上的长轴长度由74m延长至79m，短轴长度则由41m减小到37m，实测面积则由2382.90m2减小至2295.72m2，误差率仅为3.66%，与地震波判读结果基本一致。