井下陷落柱勘探與判讀實踐

劉海勤

（呂梁市煤礦水災(zāi)害防治中心，山西 呂梁 033000）

據(jù)統(tǒng)計，范各莊礦、任樓礦、李封礦和吳村礦等發(fā)生的陷落柱透水事故，淹井、淹采區(qū)后造成了巨大經(jīng)濟、人員損失。因此，陷落柱井下勘查、判讀和防治得到大量關(guān)注[1-2]，但由于陷落柱物理條件極其復(fù)雜[3-4]，現(xiàn)有勘探與判讀精度不高，不能滿足生產(chǎn)對高精度地質(zhì)準(zhǔn)備的要求，需要進一步研究。

本文永聚煤業(yè)采用理論分析和數(shù)值模擬方法，建立陷落柱地震勘探模型，分析陷落柱特征，提出陷落柱判讀的準(zhǔn)則，結(jié)合永聚煤業(yè)XL1陷落柱發(fā)育實例進行對比判讀，以期提高對陷落柱構(gòu)造勘探、判讀精度，為安全高效生產(chǎn)提供地質(zhì)保障。

1 陷落柱發(fā)育規(guī)律

山西呂梁永聚煤業(yè)為我國華北礦區(qū)典型井田，具有陷落柱發(fā)育的一般規(guī)律：

（1）易發(fā)育于井田淺部。統(tǒng)計的鶴壁礦區(qū)20個陷落柱均為井田淺部發(fā)育，占總數(shù)的90.9%；協(xié)莊礦14個陷落柱均在淺部發(fā)育，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)永聚井田陷落柱多在淺部發(fā)育。

（2）易發(fā)育于層滑構(gòu)造井田。永聚煤業(yè)陷落柱均為層滑構(gòu)造條件，因?qū)踊瑯?gòu)造易破壞煤巖穩(wěn)定性，使得陷落柱巖壁塌落、空洞向上發(fā)展。

（3）易發(fā)育于地下水強徑流帶上。永聚煤業(yè)、楊莊礦、范各莊礦和陽泉礦區(qū)陷落柱均在地下水強徑流帶上發(fā)育，地下水活動強烈易促使陷落柱持續(xù)快速發(fā)育。

（4）發(fā)育形態(tài)極其不規(guī)律，具有明顯差異性和復(fù)雜性。

2 陷落柱形態(tài)和發(fā)育特征

對永聚煤業(yè)井田內(nèi)揭露的陷落柱統(tǒng)計得到如下陷落柱形態(tài)和發(fā)育特征：

（1）按形狀，分為規(guī)則和不規(guī)則陷落柱，其中規(guī)則型為斜塔狀、筒狀、圓錐狀和漏斗狀巖。

（2）按中心軸形狀，分為直立、歪斜、彎曲和扭轉(zhuǎn)類型陷落柱，見圖1。

圖1 中心軸不同的陷落柱

（3）陷落柱內(nèi)部充填物質(zhì)和形態(tài)不同，可以分為泥石漿堆積、干式塌落堆積和開放水體堆積。

3 陷落柱井下勘探的判讀與解釋

永聚煤業(yè)地下溶洞頂部巖層及覆蓋層不斷塌陷形成陷落柱，根據(jù)陷落柱形成機理和形成過程，整個柱體下大上小、內(nèi)部為不同形式物質(zhì)充填堆積，表征為巖塊的塊度不一、塊體排列無序。與煤巖層賦存形態(tài)比較，陷落柱的巖性、塊度、連續(xù)性、產(chǎn)狀等屬性，呈現(xiàn)明顯差別。正是因為陷落柱與圍巖的物性差異構(gòu)成了異常地震波的基礎(chǔ)，也是進行地震波勘探的原理，為不同地層特性下判讀地震波進而識別陷落柱提供了可能，陷落柱在時間剖面上特征如圖2：

圖2 陷落柱在時間剖面上的特征

（1）反射波組在不同介質(zhì)界面?zhèn)鞑r出現(xiàn)波終斷或能量跌宕變?nèi)醅F(xiàn)象。即不同介質(zhì)中反射波的傳播出現(xiàn)跳躍變化，使得反射波的終斷點或能量跳躍變化位置成為異種介質(zhì)的邊界。

（2）反射波在陷落柱邊界出現(xiàn)同相軸扭曲、產(chǎn)狀突變。反射波在進入陷落柱時出現(xiàn)同相軸向陷落柱體內(nèi)側(cè)扭曲，是因為陷落柱塌陷使得圍巖向其內(nèi)部中心傾斜，而扭曲點的連線可以判讀為陷落柱邊界。

（3）反射波在同一介質(zhì)中連續(xù)傳播，但在進入陷落柱時出現(xiàn)了分叉合并和圈閉，說明陷落柱組成物質(zhì)為異象，分叉、合并點是陷落柱邊界的連續(xù)點。

4 陷落柱現(xiàn)場勘探實例

勘探區(qū)位于山西呂梁永聚煤業(yè)井田西北角，面積約0.83m2。區(qū)內(nèi)構(gòu)造有背斜、落差2～3m的正斷層和陷落柱，主采的4#、6#、10#煤層平均厚度分別為1.39m、1.32m和4.18m。勘探目標(biāo)層位于石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，巖層巖性由砂巖、泥巖、石灰?guī)r及煤層組成，可知煤層與圍巖間密度差異大，存在明顯波阻抗差異，可形成地震反射波（T4波、T6波T10波）。

圖3 陷落柱在常規(guī)及變密度時間剖面上的特征

對圖3中XL1陷落柱時間剖面判讀，可知該陷落柱破壞了地層中的4#、6#、10#煤層。圖中T4、T6波出現(xiàn)同相軸扭曲、產(chǎn)狀突變現(xiàn)象；T10波能量變?nèi)?，同相軸產(chǎn)狀突變，均符合陷落柱特征。該陷落柱呈直立型、圓錐狀，在4#煤層底板上的長軸、短軸長度分別為31m和17m；在6#煤層底板上的長軸、短軸長度分別為54m和34m；在10#煤層底板上的長軸、短軸長度分別為74m和41m。

實測中在井田西北角探測出XL1陷落柱，揭露形態(tài)近似橢圓形，為反漏斗型陷落柱。該陷落柱揭穿了地層中的4#、6#、10#煤層。長軸、短軸方向分別為N8°W和N82°E，在10#煤層底板上的長軸長度由74m延長至79m，短軸長度則由41m減小到37m，實測面積則由2382.90m2減小至2295.72m2，誤差率僅為3.66%，與地震波判讀結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

（1）陷落柱易發(fā)育于井田淺部、層滑構(gòu)造井田、地下水強徑流帶上，發(fā)育形態(tài)極其不規(guī)律，具有明顯差異性和復(fù)雜性。

（2）陷落柱形狀、中心軸和內(nèi)部充填物不同類型，構(gòu)成了地震波判讀時不同形態(tài)陷落柱的基礎(chǔ)。

（3）陷落柱的巖性、塊度、連續(xù)性、產(chǎn)狀等與圍巖呈現(xiàn)明顯差別，反射波組在進入陷落柱傳播時出現(xiàn)波終斷或能量跌宕變?nèi)?，而反射波的終斷點或能量跳躍變化位置即為陷落柱的邊界。

永聚煤業(yè)現(xiàn)場實測證明了陷落柱判讀機理和方法的可行性、合理性。