礦井陷落柱構(gòu)造震電聯(lián)合探測與識別應(yīng)用研究

彭洪濤

（潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103）

0 引 言

煤礦隱蔽致災(zāi)體探測準(zhǔn)確度和有效性是綜合地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展趨勢，特別是對小構(gòu)造等地質(zhì)異常體的精確定位，是探查的難點(diǎn)。隨著煤田探測手段和方法的不斷發(fā)展，綜合探測方法和手段越來越多的應(yīng)用于煤田隱蔽致災(zāi)體的探測中，多種方法的綜合解釋與相互驗(yàn)證，使得地質(zhì)構(gòu)造解釋的準(zhǔn)確度得到了提高。煤田地震勘探技術(shù)對于煤田的斷層構(gòu)造特別是小構(gòu)造的反映比較敏感，而瞬變電磁法探測對于構(gòu)造內(nèi)含水情況比較敏感。震電聯(lián)合探測方法可以利用三維地震勘探確定出隱蔽斷層構(gòu)造的位置和空間參數(shù)，再利用瞬變電磁法探測確定主要斷層構(gòu)造的富水性，從而對影響礦井安全的地質(zhì)因素進(jìn)行綜合分析與確定，有效避免了單一探測方法的解釋位置有偏差的問題，提高了小構(gòu)造解釋的有效性和準(zhǔn)確性。礦井中震電組合探測主要應(yīng)用于礦井內(nèi)構(gòu)造比較大、復(fù)雜的地段，而對小構(gòu)造的探測及其敏感度的識別上還存在著一定問題。例如三維地震確定了小構(gòu)造的范圍和空間參數(shù)，而多種小構(gòu)造的組合識別還存在著不完善的確定方法。瞬變電磁探測結(jié)果主要反映的是體積效應(yīng)，而小構(gòu)造探測需要精確確定地質(zhì)體的邊界位置，如何通過視電阻率的分析確定其邊界成為有效探測含水構(gòu)造的難點(diǎn)。

針對震電聯(lián)合探測中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，以余吾煤礦的南五采區(qū)地面三維地震勘探和瞬變電磁探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對該礦礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，分別采用三維地震和瞬變電磁聯(lián)合探測方法，利用地震數(shù)據(jù)解釋地質(zhì)構(gòu)造體，結(jié)合瞬變電磁探測對含、富水性敏感的特性，解釋含、富水性構(gòu)造，對主要的陷落柱構(gòu)造進(jìn)行了綜合識別，解釋的效果好，探測精度高。

1 礦井地質(zhì)概況

山西省余吾煤礦隸屬于潞安集團(tuán)，主采3 號和15 號煤層，平均煤厚分別為6.00 m 和1.55 m。礦井全區(qū)為掩蓋區(qū)，依據(jù)鉆孔揭露，主要地層為奧陶系、石炭系、二疊系及第四系。井田內(nèi)發(fā)育有規(guī)模大小不等的背斜、斷層和陷落柱構(gòu)造，屬于中等復(fù)雜程度，特別是在背斜軸部構(gòu)造發(fā)育密度大，規(guī)模不等。

2 綜合探測勘探方法

依據(jù)淺表層和深層地質(zhì)存在的地球物理參數(shù)變化特征，南五采區(qū)采用地面三維地震勘探和瞬變電磁聯(lián)合勘探方式。利用三維地震對構(gòu)造特別是對于小斷層構(gòu)造敏感的特性，通過地震時間剖面和地震屬性特征易于識別小斷層的空間分布特征。同時，利用瞬變電磁法對對應(yīng)構(gòu)造的含水性及其富水特征敏感特性，對識別的構(gòu)造富水性進(jìn)行綜合確定。

2.1 三維地震勘探

陷落柱的探測和識別主要依據(jù)三維地震勘探取得的數(shù)據(jù)，利用三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行縱、橫疊加時間剖面上識別，總體表現(xiàn)為煤層或者煤層組反射波波組中斷，同相軸發(fā)生扭曲、突變，反射波組發(fā)生分叉、合并和圈閉現(xiàn)象，繞射波或其反射波組振幅發(fā)生突變，“倒漏斗”半圈閉形態(tài)等特征。

三維地震數(shù)據(jù)采集采用5 m×10 m（CDP） 網(wǎng)格的8 線8 炮束狀觀測系統(tǒng)，高頻帶數(shù)字檢波器，中間點(diǎn)10～16 m 深鉆孔炸藥激發(fā)方式；428UL 數(shù)字地震儀接收系統(tǒng)，0.5 ms 的采樣間隔，1.0 s 的記錄長度。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁是利用時間域電磁感應(yīng)原理，通過感應(yīng)二次場的變化反演出地下地質(zhì)體空間分布特征的一種勘探方法。該方法對地下低阻異常體探測競速高，采用大定源回線裝置進(jìn)行測量，如圖1 所示。

圖1 大定源回線裝置測量方式示意圖Fig.1 Measuring method of large fixed source return line device

野外數(shù)據(jù)采集采用TerraTEM 瞬變電磁測量系統(tǒng)，Terra TX-50 大功率發(fā)射機(jī)，采樣率每道500 KHz，固定；接收發(fā)射線圈電阻、發(fā)射電流、關(guān)斷時間、電池電壓、自動增益調(diào)節(jié)、位移標(biāo)定等測量內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)參數(shù)有發(fā)射線框840 m×840 m、720 m×720 m 的正方形框；發(fā)射頻率25、6.25 和2.5 Hz；增益64、100 和1 000 db 時間序列。確定發(fā)射頻率確定為6.25 Hz，增益為100 db，發(fā)射邊長840 m×840 m。

3 具體應(yīng)用

3.1 陷落柱地震識別技術(shù)

陷落柱的精細(xì)識別重點(diǎn)需要識別出陷落點(diǎn)位置，一般認(rèn)為在地震時間剖面上會出現(xiàn)反射波或反射波組同相軸出現(xiàn)終止、扭曲或產(chǎn)狀突變、分叉合并和圈閉現(xiàn)象或者出現(xiàn)相位轉(zhuǎn)換、振幅突變繞射波、衍射波、散射波等特征波，都是識別陷落柱位置的識別標(biāo)準(zhǔn)。陷落柱在疊加時間剖面的反映如圖2 所示。

圖2 陷落柱在疊加時間剖面的反映Fig.2 The reflection of collapse column in superimposed time profile

三維地震數(shù)據(jù)體中包含了大量的地震屬性信息，通過已知陷落柱的地震勘探數(shù)據(jù)驗(yàn)證信息，可優(yōu)選出此次識別陷落柱構(gòu)造的敏感性地震屬性，主要應(yīng)用三維地震數(shù)據(jù)中的順層能量、順層方差、相干屬性、最小曲率屬性等基本屬性信息在水平切片圖中陷落柱的特點(diǎn)，進(jìn)行綜合識別與確定。

綜合解釋的陷落柱X32 平面圖上呈不規(guī)則橢圓形，空間形態(tài)表現(xiàn)為反漏斗狀特征。識別出該陷落柱為長160 m、寬110 m 的近橢圓形。識別標(biāo)志有疊加時間剖面（圖3a） 反映出陷落柱邊界處煤層及巖層的產(chǎn)狀變化較大；偏移時間剖面（圖3b）反映出陷落柱邊界處出現(xiàn)煤層反射波中斷、分叉；地震相干平面圖（圖3c） 反映出陷落柱X32 比較規(guī)整的相干能量團(tuán)圈閉現(xiàn)象；地震水平切片平面圖（圖3d） 表明陷落柱X32 呈現(xiàn)比較規(guī)整的能量團(tuán)圈閉內(nèi)外的能量突變特征。

圖3 陷落柱X32 在疊加時間剖面（a）、偏移時間剖面（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 陷落柱瞬變電磁解釋

瞬變電磁采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過精細(xì)處理、專業(yè)軟件的綜合解釋，得到數(shù)據(jù)體內(nèi)各測線視電阻率擬斷面圖，結(jié)合處理后的視電阻率變化等特征，識別陷落柱位置及其富水性特征。

圖4為電阻率反演斷面圖，可看出X32 陷落柱邊界位置地段視電阻率值線扭曲、變形，幅值低于圍巖，推斷X32 陷落柱為含水構(gòu)造。

圖4 陷落柱X32 的視電阻率反演斷面圖Fig.4 Inversion cross section of apparent resistivity of collapse column X32

3.3 陷落柱X32 綜合解釋

為判定X32 陷落柱的含、導(dǎo)水性，將相應(yīng)地段各含水異常范圍進(jìn)行疊置，依據(jù)主要可采煤層、電法探測標(biāo)志層間距等參數(shù)，將各層位富水區(qū)疊置在3 煤層底板構(gòu)造上，繪制綜合水文地質(zhì)剖面圖，如圖5 所示。

圖5 陷落柱X32 綜合水文地質(zhì)剖面圖Fig.5 Comprehensive hydrogeological profile of collapse column X32

4 結(jié) 論

煤礦井陷落柱構(gòu)造成為影響礦井安全生產(chǎn)重要的地質(zhì)因素，為準(zhǔn)確、有效、精細(xì)確定余吾煤礦的南五采區(qū)陷落柱構(gòu)造空間位置和富水性特征，采用三維地震和瞬變電磁聯(lián)合探測方式進(jìn)行綜合分析、解釋，效果明顯。

（1） 三維地震勘探具有對陷落柱構(gòu)造邊界反映靈敏的特點(diǎn)，通過三維地震時間平、剖面和三維地震屬性識別技術(shù)，確定了陷落柱的空間分布特征。

（2） 利用地面瞬變電磁探測數(shù)據(jù)對含水性構(gòu)造敏感特性，確定了陷落柱及其周邊空間分布特征的同時，對周邊含水層、陷落柱構(gòu)造與各含水層之間的空間分布關(guān)系進(jìn)行綜合確定與評價。

（3） 綜合探測結(jié)果表明，三維地震數(shù)據(jù)體對陷落柱構(gòu)造邊界敏感，瞬變電磁探測可分析評價構(gòu)造的含、富水性。