陷落柱發(fā)育規(guī)律及其地球物理特征研究

許海濤，李永軍，康慶濤

（1.河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，河北 三河065201；2.華北科技學院安全工程學院，河北三河065201；3.中國礦業(yè)大學 （北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083）

在華北煤田中，陷落柱是影響煤礦建設(shè)和生產(chǎn)的重要地質(zhì)因素之一[1]。陷落柱，煤炭系統(tǒng)又稱為無炭柱，是可溶性巖層在地下水強徑流作用下，經(jīng)過漫長的歷史時期，被溶蝕形成空洞、孔隙或裂隙，隨著溶蝕作用加強，孔洞不斷增多、擴大，最終受重力和構(gòu)造力影響，導致上部巖層失去支撐，垮塌陷落而形成的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造[2－3]。巖溶陷落柱是影響我國一些煤礦正常采掘和安全生產(chǎn)的地質(zhì)問題之一。它不僅破壞煤層，損失煤炭資源，給井巷工程的布置和施工增加困難，而且因其可能是良好的導水通道，使采掘場所與含水層溝通，對礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅[4－6]。趙莊二號井奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度大富水性好，且主采煤層3＃煤層位于奧灰水位之下，處于帶壓開采狀態(tài)。井田內(nèi)斷層、陷落柱地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，3＃主采煤層分布陷落柱共35個，陷落柱很可能成為奧陶系灰?guī)r強含水層和含煤地層之間的聯(lián)系通道，存在嚴重的安全隱患。本文對井田內(nèi)陷落柱發(fā)育規(guī)律及地球物理特征進行研究，為后續(xù)陷落柱的特征識別、開拓方案布局及治理措施制定提供地質(zhì)參考依據(jù)。

1 發(fā)育規(guī)律

1.1 發(fā)育特征

1.1.1 形態(tài)特征

對趙莊二號井3＃煤層發(fā)育陷落柱統(tǒng)計分析，共分布陷落柱35個。從平面形狀分，陷落柱呈橢圓形的有24個，似圓形的有2個，長條形的有5個，不規(guī)則的有4個；從煤層位置的橫切面積上分，大于5000m2的大型陷落柱9個，500～5000m2的中型陷落柱19個，小于500m2的小型陷落柱7個，其中最大的DX16陷落柱橫截面積為19145m2；最大的長軸181m，最小的長軸27 m，長短軸之比在1.04∶1～5.2∶1之間，平均1.875∶1，長軸方向以NW向和NE向為主。

1.1.2 鉆探及井巷揭露特征

根據(jù)巷道掘進的臨時地質(zhì)預(yù)報，從掘進揭露的陷落柱柱內(nèi)充填情況看，柱內(nèi)充填基質(zhì)由較細至極細的巖屑、巖粉、粘粒組成，含量較高，通常＞60%，它們包裹著大大小小的巖塊，膠結(jié)緊密，不少大巖塊恰似懸浮在基質(zhì)中，堆積物無分選，無層理顯示。柱內(nèi)充填物具有泥礫結(jié)構(gòu)，大小不一，棱角明顯，雜亂無章，泥質(zhì)膠結(jié)[7－8]。

1.2 分布規(guī)律

1）沿正斷層及其次生的小斷層呈定向帶狀分布。當巖溶水強徑流帶方向與斷層、褶曲走向相同時，沿斷層走向尤其是沿斷裂帶及褶皺走向，就是陷落柱的發(fā)育帶，且具有定向帶狀分布的規(guī)律[2]。趙莊二號井陷落柱分布規(guī)律，呈現(xiàn)出沿莊頭正斷層和興旺莊正斷層、DF40正斷層呈定向帶狀分布的特點。

2）成群集中分布。趙莊二號井陷落柱分布和地質(zhì)構(gòu)造條件關(guān)系非常密切。如在不同構(gòu)造體系的復(fù)合部位，斷裂發(fā)育，地下溶洞十分發(fā)育，陷落柱分布密度就大。在趙莊二號井表現(xiàn)為巖溶陷落柱大部分沿莊頭正斷層和興旺莊正斷層、DF40正斷層及其次生的小斷層附近分布，而在礦區(qū)的東北部和中南部，斷裂不發(fā)育的地方，陷落柱分布較少。

2 鉆孔測井曲線特征

為了進一步了解井田垂直裂隙的發(fā)育程度，評估陷落柱對井田裂隙發(fā)育的影響程度。對鉆井資料統(tǒng)計分析，依據(jù)陷落柱影響程度大，垂直裂隙發(fā)育程度比較大，影響小，垂直裂隙發(fā)育程度比較小的原則，將陷落柱影響程度分為嚴重、較嚴重、一般。本文選取陷落柱附近的4602、4603、4702三個鉆孔，統(tǒng)計裂隙發(fā)育累積厚度占揭露地層厚度的百分比（表2），三個鉆孔裂隙發(fā)育受陷落柱不同程度的影響。

為了找到鉆孔測井曲線特征與陷落柱發(fā)育之間的關(guān)系，截取三個鉆孔下石盒子組頂界面到3＃煤層底界面標段的測井曲線數(shù)值，繪制測井曲線對比圖。由圖1分析可知，隨著裂隙在基本層中發(fā)育的累積厚（高）度占揭露地層厚度的百分比的減?。ㄒ来问?602鉆孔、4603鉆孔、4702鉆孔），即陷落柱對地層裂隙發(fā)育影響程度的減小，自然伽馬值、體積密度值減小，而井徑、自然電位值增加。

3 陷落柱三維地震勘探特征

3.1 陷落柱三維地震勘探原理

高分辨率三維地震利用人工震源激發(fā)地震波，用地震儀器記錄穿過不同深度地層后反射回來的地震波信息，通過分析地震波傳播規(guī)律從而達到解決地質(zhì)問題的目的，在煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測中得到了廣泛的應(yīng)用。由于斷層和陷落柱中地層的錯斷和沉降變化，使地震波產(chǎn)生錯動或紊亂，由此可以解釋地下構(gòu)造特征，陷落柱柱體內(nèi)是由塊度大小不均、排列雜亂無章的上部地層塌陷物膠結(jié)而成，與正常地層相比，在地層的連續(xù)性、產(chǎn)狀、巖性方面均有不同程度的差異，這些差異是形成異常地震波的基礎(chǔ)，也是解釋陷落柱的物理前提[9]。

表1 鉆探揭露陷落柱情況

表2 陷落柱對地層裂隙發(fā)育影響程度

圖1 鉆孔測井曲線對比圖

3.2 陷落柱兩側(cè)煤層反射彎曲特征

如圖2所示，為陷落柱DX17在時間剖面上的顯示，陷落柱兩側(cè)煤層存在反射彎曲現(xiàn)象，在其他礦區(qū)陷落柱勘探中有類似現(xiàn)象出現(xiàn)。究其原因，在于陷落柱中地層的錯斷和沉降變化，使地震波產(chǎn)生錯動或紊亂，陷落柱的頂部地層下沉，裂隙發(fā)育，密度和速度降低。而在陷落柱的內(nèi)部，由于地層塌陷，速度和密度降低較為明顯。陷落柱兩側(cè)煤層存在的反射彎曲現(xiàn)象可以作為判斷陷落柱是否發(fā)育的表征之一。

3.3 煤層反射波短距離內(nèi)錯斷特征

圖3為陷落柱DX16在時間剖面上的顯示，可以看到在陷落柱體內(nèi)及其附近，煤層反射波短距離內(nèi)呈現(xiàn)突然錯斷的現(xiàn)象。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因：在陷落柱內(nèi)，煤（巖）層的連續(xù)性遭到破壞，陷落柱體內(nèi)地層與正常地層相比在連續(xù)性、產(chǎn)狀、巖性等方面存在很大的差異，異常地震波通常表現(xiàn)為反射波同相軸中斷、扭曲、極性轉(zhuǎn)變、產(chǎn)狀突變、振幅減弱等，伴隨有繞射波、延遲繞射波、側(cè)面波等出現(xiàn)。煤層反射波短距離內(nèi)呈現(xiàn)的突然錯斷現(xiàn)象，可以作為判別某區(qū)域是否發(fā)育陷落柱的三維地震勘探特征之一。

圖2 DX17陷落柱在時間剖面上的顯示

圖3 DX16陷落柱在時間剖面上的顯示

4 結(jié)論

根據(jù)趙莊二號井已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的35個陷落柱，探討了陷落柱的分布特征和內(nèi)部充填物質(zhì)特征，研究了陷落柱的附近鉆孔測井曲線特征及陷落柱三維地震勘探特征。

1）陷落柱多分布在向斜軸部和斷層帶及其附近，常成群出現(xiàn)，具有分片分帶的特點；揭露的陷落柱柱內(nèi)充填基質(zhì)由較細至極細的巖屑、巖粉、粘粒組成，充填物具有泥礫結(jié)構(gòu)、雜亂無章、泥質(zhì)膠結(jié)。

2）隨著陷落柱對地層裂隙發(fā)育影響程度的減小，自然伽馬值、體積密度值減小，而井徑、自然電位值增加。

3）陷落柱三維地震勘探表現(xiàn)為兩側(cè)煤層存在反射彎曲現(xiàn)象、煤層反射波短距離內(nèi)發(fā)生突然錯斷等特征。

4）對井田內(nèi)陷落柱發(fā)育規(guī)律及地球物理特征研究成果，將為后續(xù)陷落柱探測工作提供地質(zhì)參考依據(jù)。

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