以山西某矿为例浅析井地联合物探在陷落柱勘查中的应用

2022-10-12韦乖强赵秀玲

中国煤炭地质 2022年9期

韦乖强，赵秀玲

(山东省煤田地质局第五勘探队,济南 250104)

0 引言

我国华北石炭纪—二叠纪煤系基底的奥陶纪石灰岩溶洞非常发育，受地下水的长期溶蚀影响溶洞会愈来愈大，在地质构造力和上覆岩层自身重力的长期作用下，上覆地层随之整体陷落，剖面形态通常为上大下小的漏斗状陷落体称为陷落柱[1]。

陷落柱给煤矿安全开采带来严重影响，它破坏了煤层及围岩的稳定性、连续性，减少了可采煤炭资源量，给煤矿工作面的布设、机械化开采带来诸多影响。陷落柱极易导通含水层，使矿井突水，造成严重的淹井事故。因此，探明陷落柱的位置、形态、导含水性等特征对保障矿井安全生产尤为重要。

物探相比其他勘探手段可以快速查明陷落柱的分布形态，常用的探测方法有三维地震、地面(矿井)瞬变电磁法、CSAMT法、高密度电法、微动探测、无线电磁波透视法勘探等。近年来，诸多同行专家采用两种或两种以上物探方法联合勘探陷落柱及其富水性取得了良好的效果。选用三维地震、瞬变电磁法、大功率高密度直流电法等综合地球物理手段查明了突水陷落柱的空间发育形态，获得了陷落柱内部构造，为陷落柱治理工程的设计与施工提供了技术依据[2]；选用矿井瞬变电磁法和矿井直流电法探测出了陷落柱的发育位置和范围，并对陷落柱富水性进行了评价[3]；选用瞬变电磁法和矿井震波超前探测组合技术探测小型隐蔽陷落柱也取得了较好的效果[4]。

以山西某矿为例，利用煤系地层岩溶陷落柱与围岩之间存在明显电性差异的这一地球物理特征[5]，通过地面CSAMT和井下高密度电法两种物探方法对陷落柱进行联合探测研究，以避免单一物探手段受物探仪器性能、地电条件、环境干扰等多方面因素影响导致成果资料的多解性和局限性，同时利用三维可视化软件Voxler对探测成果进行了综合对比分析解释，结合井下钻探验证及采煤工作面地质资料，综合分析了陷落柱的分布特征、柱底范围及对煤层开采的影响，取得了良好的应用效果[6-12]。

1 测区概况

山西某矿井田为低山丘陵和黄土丘陵地貌，地表大部为第四系黄土覆盖，基岩多出露在沟谷山梁处。井田内断层、陷落柱发育，褶曲较发育，无岩浆岩侵入。据钻孔、露头、矿井生产揭露，自下而上本区发育地层为奥陶系、石炭系、二叠系、第四系；石炭系、二叠系为主要含煤地层，3#煤层全井田稳定可采，平均厚6.21m，埋深500m左右。原三维地震勘探成果推断在拟掘30105工作面附近存在陷落柱X3，为保障采掘安全，采用井地联合物探、钻探验证相结合的综合分析方法对该陷落柱进行探查及富水性评价。

2 工作布置

该矿前期三维地震勘探资料显示，在30105工作面距开切眼430m位置发育X3陷落柱，推断该陷落柱南北长约300m，东西宽介于70～100m。

因CSAMT探测深度大、分层效果好、低阻反映敏感、压制干扰能力强，高密度电法测点密度大，分辨率高，采集速度快，解译快捷，故本次研究选用CSAMT和高密度电法开展联合勘查,以减少资料分析解释时的多解性和局限性。

本次工作布置以三维地震勘探推断解释的X3陷落柱位置为中心，在东西300m、南北500m范围内开展地面CSAMT探测研究，测线遵循垂直于陷落柱长轴和煤层底板等高线的原则布设，共设计测线11条，分别标记为L1、L2……L11,依次由南向北布置，线距50m，点距10m(图1)。同时在30105工作面胶带顺槽布置高密度测线一条，小号点在北西位置，为了确保达到探测深度，点距设为10m，测线总长度910m。

图1 工作布置

3 解释分析

3.1 CSAMT探测成果分析

通过对11条CSAMT测线数据的精细处理，获得了探测位置丰富的地质信息，利用三维可视化软件Voxler绘制了成果资料的三维可视化图件，为了直观反映各测线电性异常的相关性和变化规律，本次仅展示深度-200～-750m的地层电阻率剖面。从三维可视化图件可以看出，CSAMT的L1、L2、L10、L11线的探测剖面无陷落柱反映，L3-L9线的剖面图均清晰的反映了探测位置陷落柱的位置、形态等特征信息。

图2主要展示了L1、L5、L7、L11线的视电阻率剖面图，反映了发育陷落柱和正常地层剖面的对比情况。从图中展示的剖面图来看，从上至下视电阻率呈现由低到高的变化趋势，反映了探测位置地层的电阻率变化特征。在深度-200～-670m，视电阻率值介于50～1 000Ω·m，视电阻率等值色谱呈层状分布，推断为石炭系、二叠系煤系地层的电性反映，其中在深度-250m附近存在横向上的低电阻率条带异常，视电阻率值小于15Ω·m，结合地质资料，推断为二叠系砂岩裂隙含水层的电性反映，该含水层富水性较强。在深度-670m以下，视电阻率等值线在测线中部出现波动，推断为奥陶系灰岩岩溶发育，该段整体上视电阻率值相对较高，大于1 000Ω·m，推断探测位置奥灰岩富水性弱。

图2 CSAMT法勘查三维可视化成果

在L5、L7测线的中部位置，视电阻率等值线呈现漏斗状，视电阻率整体表现为相对低电阻率特征，该异常处于S2向斜的轴部及转折端附近，该位置易发育岩溶陷落柱，故推断该异常为X3陷落柱的电性反映。根据3#煤层视电阻率顺层切片图反映的视电阻率特征，推断中部相对低电阻率区域为X3陷落柱，该陷落柱由L3～L8线控制，南北轴长约300m，东西轴长在60～110m，形状如顺层切片绿色闭合圈所示。L1 线视电阻率等值线梯度变化较大，根据已知地质资料推断为S2向斜的反映。L11线剖面图视电阻率等值线从上至下呈层状分布,为正常地层的电性反映。该组断面图完整展示了探测区域正常地层、陷落柱、向斜构造的电阻率变化特征。

3.2 高密度电法勘查成果分析

测线在井下沿30105工作面胶带顺槽布置。由图3可知，视电阻率变化规律性强，层状分布特征明显，反映了探测顺槽位置地层的电性特征。在桩号370～500m位置，视电阻率呈现低电阻率条带异常，因陷落柱是煤系地层岩块混杂的泥质胶结堆积物，低电阻率特征的胶结物上下易连通，增加了其导电性，推断该低阻异常为X3陷落柱的电性反映。在深度-670m以下电阻率逐渐升高，为奥陶系灰岩的电性反映。

以上井地两种物探方法对陷落柱均有明显的反映。

4 对比研究与验证

4.1 对比研究

图4重点展示地面、井下两种探测方法对陷落柱在顺层和垂向剖面反映的位置是否对应。从施工布置图可以看出，高密度电法测线桩号230～585m位置和CSAMT法L11线的桩号9 155m至L6线的桩号9395m呈北偏东45°相交。

两种方法的探测成果对陷落柱均有明显的反映，CSAMT法3#煤层视电阻率顺层切片图反映的陷落柱(绿色)与高密度电法圈定的陷落柱位置相交，两种方法从近水平和垂向不同方位反映的陷落柱位置存在交线。因井下高密度电法距离目标体更近，反映的地质异常更接近实际，据此由点到面说明地面CSAMT法探测成果圈定的陷落柱是可靠的。

本次研究圈定的陷落柱形态、范围同原三维地震勘探圈定的X3陷落柱的形态、范围对比来看，两者反映的陷落柱的位置、形态基本一致，仅在L6线位置CSAMT推断的陷落柱变窄，验证了原三维地震勘探推断的X3陷落柱是存在的。

4.2 钻探验证

在30105工作面胶带顺槽高密度电法测线的桩号260m(孔1)、340m(孔2)位置各布置了一个钻孔，以不同的方位、倾角钻进，以探查X3陷落柱的内部结构、密实程度、边界范围等。孔1方位角195°，倾角0°，孔深97m，钻进至17m时进入陷落柱，86m出陷落柱，钻孔见陷落柱长度约69m，终孔在3#煤层顶板上12m位置；孔2方位角240°，孔深96m，倾角-25°，钻进至9m时进入陷落柱，84m出陷落柱，钻孔见陷落柱长度75m，终孔在3#煤层顶板下14m位置。钻孔揭露的陷落柱位置和本次物探成果推断的陷落柱位置基本吻合。本次钻探采用清水钻进，岩心采取率不高，仅取出砾石块，胶结物被水冲涮掉，钻进时对冲洗液消耗量进行了观测，钻进全程冲洗液无明显漏失，且未见渗水，说明陷落柱充填物裂隙不发育、胶结好，柱体与煤层接触面结合致密。

图3 高密度电法视电阻率反演解释剖面

图4 两种方法成果对比

4.3 富水性评价

上述图2列举的地面CSAMT各测线视电阻率剖面图来看，3#煤顶板以上存在多层低电阻率条带，视电阻率值介于15～50Ω·m，推断为二叠系砂岩裂隙含水层、第四系松散岩、露头基岩风化裂隙含水层的影响所致，其富水性相对较强。3#煤层顶板以下地层电阻率逐渐升高，未见明显的条带状低阻异常，推断太原组砂岩含水层富水性相对较弱。奥灰岩溶含水层整体表现为高电阻率特征，推断其富水性相对较弱。

CSAMT法各测线视电阻率断面图反映的陷落柱中上部整体呈现相对低阻特性，并且随着深度增加，电阻率逐渐升高，推断陷落柱导(含)水较弱或不含水。

结合物探、钻探资料综合分析，X3陷落柱充填物裂隙不发育、胶结程度高、导(含)水性较弱或不含水，以上研究结论表明X3陷落柱对30105工作面的正常推进影响较小。