矿井陷落柱构造震电联合探测与识别应用研究

彭洪涛

（潞安集团 余吾煤业有限公司，山西 长治 046103）

0 引 言

煤矿隐蔽致灾体探测准确度和有效性是综合地球物理勘探技术的发展趋势，特别是对小构造等地质异常体的精确定位，是探查的难点。随着煤田探测手段和方法的不断发展，综合探测方法和手段越来越多的应用于煤田隐蔽致灾体的探测中，多种方法的综合解释与相互验证，使得地质构造解释的准确度得到了提高。煤田地震勘探技术对于煤田的断层构造特别是小构造的反映比较敏感，而瞬变电磁法探测对于构造内含水情况比较敏感。震电联合探测方法可以利用三维地震勘探确定出隐蔽断层构造的位置和空间参数，再利用瞬变电磁法探测确定主要断层构造的富水性，从而对影响矿井安全的地质因素进行综合分析与确定，有效避免了单一探测方法的解释位置有偏差的问题，提高了小构造解释的有效性和准确性。矿井中震电组合探测主要应用于矿井内构造比较大、复杂的地段，而对小构造的探测及其敏感度的识别上还存在着一定问题。例如三维地震确定了小构造的范围和空间参数，而多种小构造的组合识别还存在着不完善的确定方法。瞬变电磁探测结果主要反映的是体积效应，而小构造探测需要精确确定地质体的边界位置，如何通过视电阻率的分析确定其边界成为有效探测含水构造的难点。

针对震电联合探测中的重点和难点问题，以余吾煤矿的南五采区地面三维地震勘探和瞬变电磁探测数据为基础，针对该矿矿井地质、水文地质特征，分别采用三维地震和瞬变电磁联合探测方法，利用地震数据解释地质构造体，结合瞬变电磁探测对含、富水性敏感的特性，解释含、富水性构造，对主要的陷落柱构造进行了综合识别，解释的效果好，探测精度高。

1 矿井地质概况

山西省余吾煤矿隶属于潞安集团，主采3 号和15 号煤层，平均煤厚分别为6.00 m 和1.55 m。矿井全区为掩盖区，依据钻孔揭露，主要地层为奥陶系、石炭系、二叠系及第四系。井田内发育有规模大小不等的背斜、断层和陷落柱构造，属于中等复杂程度，特别是在背斜轴部构造发育密度大，规模不等。

2 综合探测勘探方法

依据浅表层和深层地质存在的地球物理参数变化特征，南五采区采用地面三维地震勘探和瞬变电磁联合勘探方式。利用三维地震对构造特别是对于小断层构造敏感的特性，通过地震时间剖面和地震属性特征易于识别小断层的空间分布特征。同时，利用瞬变电磁法对对应构造的含水性及其富水特征敏感特性，对识别的构造富水性进行综合确定。

2.1 三维地震勘探

陷落柱的探测和识别主要依据三维地震勘探取得的数据，利用三维数据体进行纵、横叠加时间剖面上识别，总体表现为煤层或者煤层组反射波波组中断，同相轴发生扭曲、突变，反射波组发生分叉、合并和圈闭现象，绕射波或其反射波组振幅发生突变，“倒漏斗”半圈闭形态等特征。

三维地震数据采集采用5 m×10 m（CDP） 网格的8 线8 炮束状观测系统，高频带数字检波器，中间点10～16 m 深钻孔炸药激发方式；428UL 数字地震仪接收系统，0.5 ms 的采样间隔，1.0 s 的记录长度。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁是利用时间域电磁感应原理，通过感应二次场的变化反演出地下地质体空间分布特征的一种勘探方法。该方法对地下低阻异常体探测竞速高，采用大定源回线装置进行测量，如图1 所示。

图1 大定源回线装置测量方式示意图Fig.1 Measuring method of large fixed source return line device

野外数据采集采用TerraTEM 瞬变电磁测量系统，Terra TX-50 大功率发射机，采样率每道500 KHz，固定；接收发射线圈电阻、发射电流、关断时间、电池电压、自动增益调节、位移标定等测量内容；实验参数有发射线框840 m×840 m、720 m×720 m 的正方形框；发射频率25、6.25 和2.5 Hz；增益64、100 和1 000 db 时间序列。确定发射频率确定为6.25 Hz，增益为100 db，发射边长840 m×840 m。

3 具体应用

3.1 陷落柱地震识别技术

陷落柱的精细识别重点需要识别出陷落点位置，一般认为在地震时间剖面上会出现反射波或反射波组同相轴出现终止、扭曲或产状突变、分叉合并和圈闭现象或者出现相位转换、振幅突变绕射波、衍射波、散射波等特征波，都是识别陷落柱位置的识别标准。陷落柱在叠加时间剖面的反映如图2 所示。

图2 陷落柱在叠加时间剖面的反映Fig.2 The reflection of collapse column in superimposed time profile

三维地震数据体中包含了大量的地震属性信息，通过已知陷落柱的地震勘探数据验证信息，可优选出此次识别陷落柱构造的敏感性地震属性，主要应用三维地震数据中的顺层能量、顺层方差、相干属性、最小曲率属性等基本属性信息在水平切片图中陷落柱的特点，进行综合识别与确定。

综合解释的陷落柱X32 平面图上呈不规则椭圆形，空间形态表现为反漏斗状特征。识别出该陷落柱为长160 m、宽110 m 的近椭圆形。识别标志有叠加时间剖面（图3a） 反映出陷落柱边界处煤层及岩层的产状变化较大；偏移时间剖面（图3b）反映出陷落柱边界处出现煤层反射波中断、分叉；地震相干平面图（图3c） 反映出陷落柱X32 比较规整的相干能量团圈闭现象；地震水平切片平面图（图3d） 表明陷落柱X32 呈现比较规整的能量团圈闭内外的能量突变特征。

图3 陷落柱X32 在叠加时间剖面（a）、偏移时间剖面（b）、相干切片（c） 和能量切片（d） 的反映Fig.3 The reflection of collapse column in superimposed time profile（a），offset time profile(b)，coherent slice(c)and energy slice(d)

3.2 陷落柱瞬变电磁解释

瞬变电磁采集的数据，经过精细处理、专业软件的综合解释，得到数据体内各测线视电阻率拟断面图，结合处理后的视电阻率变化等特征，识别陷落柱位置及其富水性特征。

图4为电阻率反演断面图，可看出X32 陷落柱边界位置地段视电阻率值线扭曲、变形，幅值低于围岩，推断X32 陷落柱为含水构造。

图4 陷落柱X32 的视电阻率反演断面图Fig.4 Inversion cross section of apparent resistivity of collapse column X32

3.3 陷落柱X32 综合解释

为判定X32 陷落柱的含、导水性，将相应地段各含水异常范围进行叠置，依据主要可采煤层、电法探测标志层间距等参数，将各层位富水区叠置在3 煤层底板构造上，绘制综合水文地质剖面图，如图5 所示。

图5 陷落柱X32 综合水文地质剖面图Fig.5 Comprehensive hydrogeological profile of collapse column X32

4 结 论

煤矿井陷落柱构造成为影响矿井安全生产重要的地质因素，为准确、有效、精细确定余吾煤矿的南五采区陷落柱构造空间位置和富水性特征，采用三维地震和瞬变电磁联合探测方式进行综合分析、解释，效果明显。

（1） 三维地震勘探具有对陷落柱构造边界反映灵敏的特点，通过三维地震时间平、剖面和三维地震属性识别技术，确定了陷落柱的空间分布特征。

（2） 利用地面瞬变电磁探测数据对含水性构造敏感特性，确定了陷落柱及其周边空间分布特征的同时，对周边含水层、陷落柱构造与各含水层之间的空间分布关系进行综合确定与评价。

（3） 综合探测结果表明，三维地震数据体对陷落柱构造边界敏感，瞬变电磁探测可分析评价构造的含、富水性。