陷落柱綜合探查技術(shù)研究

摘要：為進(jìn)一步查清張集煤礦工作面陷落柱形態(tài)、發(fā)育范圍及特征，為陷落柱治理提供依據(jù)，利用瞬變電磁、可控源音頻大地電磁測(cè)深、三維地震、地質(zhì)鉆探等綜合探查技術(shù)手段基本探明了陷落柱的發(fā)育位置及范圍。綜合物探和基于地面定向水平鉆可以有效探測(cè)出陷落柱發(fā)育范圍及其富水性并相互驗(yàn)證，為其他類似構(gòu)造綜合探查提供了很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁；三維地震；地質(zhì)鉆探；陷落柱

中圖分類號(hào)：P631.325""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.04.008

0 引言

巖溶陷落柱是北方型石炭-二疊紀(jì)煤田的一種特殊巖溶塌陷，以巖石中空洞發(fā)育為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)地下水的強(qiáng)烈交替，巖體自身重力、地應(yīng)力集中以及溶洞內(nèi)的真空負(fù)壓三重作用為動(dòng)力，經(jīng)過(guò)迅速垮落、間歇溶蝕、塌陷、冒落等重復(fù)過(guò)程，逐步形成［1］。陷落柱破壞可采煤層，減少煤炭?jī)?chǔ)量，造成井巷維護(hù)困難，影響采煤工作的正常進(jìn)行，降低了生產(chǎn)效率，另外陷落柱導(dǎo)致的突水具有隱蔽性，突發(fā)性，容易導(dǎo)通豐富的巖溶地下水，對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅較大。本文通過(guò)物探解譯、鉆探驗(yàn)證多種方法，對(duì)陷落柱進(jìn)行綜合探查，為該類型地質(zhì)異常體的探查提供指導(dǎo)［2］。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

張集煤礦屬于新投產(chǎn)礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為每年120萬(wàn)t，井田總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向N的單斜構(gòu)造，未見(jiàn)巖漿巖，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，主要發(fā)育有近EW向、NE向和NW向3組斷層，斷層延展較長(zhǎng)，但落差變化不大（圖1）；井田內(nèi)通過(guò)鉆探工程揭露的地層由老到新有：奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭二疊紀(jì)月門溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀(jì)石盒子群、古近系、新近系及第四系。主要含煤地層為石炭二疊紀(jì)月門溝群太原組和二疊紀(jì)月門溝群山西組［34］。

太原組鉆孔揭露厚度154.70～201.40 m，平均173.75 m。巖性為灰色及深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾細(xì)粒砂巖、多層石灰?guī)r及煤層。太原組是重要的含煤地層，賦存區(qū)大部可采、局部可采煤層4層（12下、16上、17和18上煤層）。

本組為海陸交互相沉積，厚度穩(wěn)定。與下伏本溪組連續(xù)沉積，整合接觸。

山西組揭露厚度厚58.90～115.00 m，平均81.08 m。巖性為灰、灰白色砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖和煤層，含植物莖葉碎片及根化石。該組含3層可采或局部可采煤層，即3上和3下、3下2煤層。主采2煤、3煤，主采煤層平均厚度3.09 m，賦存穩(wěn)定性高。

根據(jù)三維地震勘探解釋，3號(hào)異常區(qū)可能為陷落柱，長(zhǎng)軸約172 m，短軸約108 m，形狀為近橢圓形。設(shè)計(jì)了1個(gè)主孔（T3）、5個(gè)分支孔定向鉆孔（T31、T32、T33、T34和T35），對(duì)疑似陷落柱邊界進(jìn)行探查驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合瞬變電磁與可控源音頻大地電磁測(cè)深技術(shù)對(duì)疑似陷落柱進(jìn)行綜合探查分析，查明陷落柱的空間位置和范圍。

2 地球物理特征

該區(qū)地層電性差異明顯，煤系地層（山西組與太原組）的平均電阻率值比上覆地層的電阻率值高一到兩個(gè)級(jí)次，構(gòu)成一個(gè)電性層；煤系地層基底奧陶紀(jì)灰?guī)r電阻率最高，構(gòu)成本區(qū)又一良好的電性標(biāo)志層；充水的巖石破碎帶，電阻率明顯低于圍巖的電阻率，電性標(biāo)志明顯。陷落柱也會(huì)隨其發(fā)育程度與圍巖形成明顯電性差異［5］，通常，當(dāng)煤層存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌和富集水的采空區(qū)時(shí)，視電阻率值會(huì)發(fā)生急劇變化，與圍巖電阻率值相比，含水巖層會(huì)表現(xiàn)低電阻率特性。如果巖層中的陷落柱不富水，由于內(nèi)部巖石松散，巖石破碎，通常表現(xiàn)為相對(duì)高阻特性。以上電性差異為瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法勘查提供了充分的物性基礎(chǔ)，據(jù)此可對(duì)區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱等構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)并作出解釋推斷［67］。

相對(duì)一般地層，陷落柱一般在地震時(shí)間剖面上的特征比較明顯，主要表現(xiàn)為反射波的連續(xù)性、產(chǎn)狀、能量、頻率等方面存在較大的差異，會(huì)出現(xiàn)反射波同相軸的錯(cuò)斷或消失、產(chǎn)狀的扭曲、同相軸的分叉合并、正負(fù)相位的反轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，這些異常可作為識(shí)別和判定陷落柱范圍及大小的依據(jù)［810］。

3 綜合探查技術(shù)

3.1 工作部署

本項(xiàng)目擬采用澳大利亞EMIT公司SM24瞬變電磁系統(tǒng)，對(duì)地質(zhì)異常區(qū)擬布設(shè)測(cè)線20條，根據(jù)鄰區(qū)工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本區(qū)探測(cè)深度，其發(fā)射框的邊長(zhǎng)初步選為600 m×600 m；經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)反演轉(zhuǎn)換繪制各剖面的視電阻率斷面圖。根據(jù)電阻率的變化，推測(cè)陷落柱發(fā)育情況。擬使用加拿大鳳凰公司的地球物理電磁觀測(cè)系統(tǒng)V8多功能電法儀，采用大功率發(fā)射機(jī)30 kW，發(fā)射頻率系列為0.25～2 560 Hz，發(fā)射偶極長(zhǎng)度為1.5 km，收發(fā)距為13～14 km，低頻發(fā)射電流達(dá)到20 A，擬布設(shè)測(cè)線2條，對(duì)地質(zhì)異常區(qū)進(jìn)行控制，驗(yàn)證三維地震勘探圈定疑似陷落柱的有效性。本次勘控測(cè)量采用GPS（RTK）測(cè)量模式作業(yè)，本區(qū)在原有基本控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在測(cè)區(qū)布置二級(jí)控制點(diǎn)5個(gè)，建立相對(duì)坐標(biāo)系，對(duì)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)統(tǒng)一編號(hào)，布置地震測(cè)線10束，采用12線12炮制束狀三維觀測(cè)系統(tǒng)，勘探面積為5.6 km2，對(duì)資料進(jìn)行解釋處理，查明地質(zhì)構(gòu)造和主采煤層的賦存情況。

3.2 瞬變電磁法

采用澳大利亞EMIT公司的SM24瞬變電磁系統(tǒng)。在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向發(fā)射回線法線方向傳播的一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過(guò)渡（衰減）過(guò)程。該過(guò)渡過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向地質(zhì)體內(nèi)傳播，由接收回線接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況［1113］。

采用布設(shè)大線圈作為發(fā)射線框，在發(fā)射回線內(nèi)部，使用接收探頭接收電磁信號(hào)，大定源回線裝置受地面物體影響較小，只布設(shè)大線框就可以測(cè)量線框內(nèi)部很多點(diǎn)，能夠在完成地質(zhì)任務(wù)的前提下，提高工作效率。

瞬變電磁試驗(yàn)主要確定線框大小、發(fā)射頻率、發(fā)射電流、延遲時(shí)間和疊加次數(shù)等參數(shù)。線框選擇越大，電阻越大，發(fā)射電流越小，而且干擾也越大；線框選擇越小，勘探深度越小。根據(jù)本次工作的地質(zhì)任務(wù)和以往同類型地區(qū)工作經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)工作預(yù)設(shè)發(fā)射框大小為600 m×600 m正方形框（此時(shí)發(fā)射電流在5.0 A左右），采樣頻率選擇0.83 Hz、1 Hz、1.562 5 Hz、2.5 Hz和3.25 Hz進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比可以得出，當(dāng)頻率為1.0 Hz時(shí)衰減曲線效果最好；線框選用600 m×600 m時(shí)，延遲選用400 ms最匹配，疊加次數(shù)選用64時(shí)，效果較好，效率最高。

從3煤視電阻率順層切片視電阻率低阻異常分布圖（圖2）中可以看出，在陷落柱分布的范圍內(nèi)視電阻率整體較高。分析Y11、Y12為充水的巖石破碎帶，電阻率明顯低于圍巖的電阻率，劃分此處2處低阻異常區(qū)，范圍小、上下無(wú)明顯聯(lián)系，可以確定其低阻異常應(yīng)由于陷落柱內(nèi)巖性雜亂，低阻巖石或地層引起，或局部少量含水引起，陷落柱本身不含水、不導(dǎo)水。推斷Y11及Y12號(hào)低阻異常區(qū)為陷落柱發(fā)育區(qū)域造成的。從三灰視電阻率順層切片視電阻率低阻異常分布圖（圖3）中可以看出，勘探區(qū)內(nèi)北部視電阻率整體較高，南部相對(duì)較低，在陷落柱分布的范圍內(nèi)僅局部存在視電阻率較低的區(qū)域。共劃分6處低阻異常區(qū)，范圍小，上下無(wú)明顯聯(lián)系，可以確定其低阻異常應(yīng)由于陷落柱內(nèi)巖性雜亂，由低阻巖石或地層引起，或局部少量含水引起，陷落柱本身不含水、不導(dǎo)水，推測(cè)Y21～Y26號(hào)低阻異常區(qū)為陷落柱發(fā)育區(qū)域造成的。

3.3 可控源音頻大地電磁測(cè)深法

本次CSAMT工作使用的設(shè)備是加拿大鳳凰公司的地球物理電磁觀測(cè)系統(tǒng)V8電法工作站（多功能電法儀）。該產(chǎn)品接收機(jī)之間無(wú)需電纜連接，在野外工作中，場(chǎng)地選擇和儀器擺放也非常靈活。

本次可控源音頻大地電磁工作共完成C1、C2 2條測(cè)線，通過(guò)數(shù)據(jù)編輯，剔除明顯的干擾點(diǎn)和近場(chǎng)校正，對(duì)存在靜態(tài)影響的數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)校正及空間濾波，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)反演轉(zhuǎn)換繪制了各剖面的視電阻率斷面圖。橫坐標(biāo)為點(diǎn)號(hào)，縱坐標(biāo)為標(biāo)高，藍(lán)色到紅色的過(guò)渡表示視電阻率由低到高的變化情況。

C1線橫向200～320 m，縱向800 m～2 000 m，C2線橫向260～360 m，縱向800 m～2 000 m，兩處范圍內(nèi)的視電阻率數(shù)值對(duì)于同層位而言相對(duì)較高，陷落柱在測(cè)線上反應(yīng)較明顯（圖4）。推斷其富水性整體較差，局部富水性一般。

3.4 三維地震法

三維地震采集是一種利用檢波點(diǎn)網(wǎng)格與炮點(diǎn)網(wǎng)格的合理組合的面積采集技術(shù)，可以獲取均勻分布的地下數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格和覆蓋次數(shù)［1416］。為進(jìn)一步查明井田采區(qū)煤系地層的地質(zhì)構(gòu)造和主采煤層的賦存情況，滿足礦井開(kāi)拓設(shè)計(jì)及煤礦生產(chǎn)要求，對(duì)采區(qū)進(jìn)行了三維地震勘探。

淺層反射地震勘探結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)貙舆B續(xù)時(shí)，地層反射具有較強(qiáng)的反射能量，當(dāng)反射波同相軸數(shù)量發(fā)生變化，出現(xiàn)不連續(xù)、空白信號(hào)及信號(hào)凌亂現(xiàn)象時(shí)，可推斷為異常區(qū)域，延遲繞射波出現(xiàn)，并在疊加數(shù)據(jù)體上反應(yīng)明顯；反射波動(dòng)力學(xué)特征突變，表現(xiàn)為振幅減弱，波形變化無(wú)規(guī)律，相位不連續(xù)等［1718］。

本次野外數(shù)據(jù)采集擬采用12線12炮制束狀三維觀測(cè)系統(tǒng)，排列方式為12線12炮（對(duì)稱中間激發(fā)），接收道數(shù)為12×72=864道，接收線距為60 m，接收道距為20 m，最小非縱距為10 m，最大非縱距為450 m，最大炮檢距為849.05 m，炮線網(wǎng)格為20 m（橫向）×120 m（縱向），CDP間隔為10 m（橫向）×10 m（縱向），覆蓋次數(shù)為6次（縱向）×4次（橫向）。地震數(shù)據(jù)處理使用DELL集群上進(jìn)行的，采用初至折射靜校正、常規(guī)保幅處理、常規(guī)疊加、疊前時(shí)間偏移多種手段組合使用，完成了全部的處理任務(wù)（圖5）［19］。

T3波以3煤層為主形成的反射波，由一強(qiáng)、一弱2個(gè)相位組成，其主頻約為65～75 Hz，全區(qū)可連續(xù)追蹤，是3煤層及構(gòu)造解釋的主要依據(jù)。在時(shí)間剖面上T3反射波反應(yīng)明顯，T3反射波突然消失，疑似陷落柱位置出現(xiàn)了一定范圍發(fā)射波條帶空白區(qū)域，反射波終止，形成環(huán)狀異常帶，T10波連續(xù)性也較差，根據(jù)一致陷落柱的波形波組特征分析，推測(cè)異常區(qū)為陷落柱。

3.5 鉆探與測(cè)井

根據(jù)以往資料顯示，該井田內(nèi)含煤地層沉積穩(wěn)定，巖性組合及地球物理特征規(guī)律明顯，煤層、標(biāo)志層自身特征顯著。因此采用標(biāo)志層、層間距、巖性特征等進(jìn)行鉆孔煤層對(duì)比［2021］。

主孔T3施工后，終孔層位太原組。根據(jù)巖心資料及測(cè)井資料分析得出，T3主孔在井深941.47 m左右取心見(jiàn)陷落柱，取心內(nèi)充填物巖性混雜、層位混亂、雜亂無(wú)章，形狀極不規(guī)則，大小不一，棱角明顯，多被泥質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)和硅質(zhì)充填膠結(jié)，符合陷落柱的特征。結(jié)合測(cè)井資料分析，陷落柱的導(dǎo)電性比泥巖差，電阻率變化范圍在40～260 Ω·m之間，以低阻為主，高幅值異常出現(xiàn)頻率較低，總體電阻率反映低于圍巖，正常地層巖性層次清楚，孔壁平整，孔徑變化范圍在180～190 mm之間；鉆遇到陷落柱時(shí)，孔壁起伏，巖性無(wú)層次，孔徑在160～225 mm之間變化，變化范圍較大（圖6）。

根據(jù)5個(gè)分支施工孔鉆井施工和物探資料分析，異常區(qū)層位為山西組和太原組，通過(guò)本區(qū)測(cè)井資料發(fā)現(xiàn)，鉆進(jìn)山西組和太原組時(shí)自然伽馬值一般小于130 API，鉆進(jìn)至陷落柱區(qū)域時(shí)伽馬值突然增大到260～450 API之間；陷落柱范圍內(nèi)伽馬值在23～450 API之間寬幅震蕩，起伏較大，可以判斷此處地層存在異常。該區(qū)域地層層序穩(wěn)定，通過(guò)5個(gè)分支井的施工，結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)地層間距對(duì)比分析，測(cè)定陷落柱邊界距離主孔的距離，可以圈定3上煤、3下煤（以T3主孔揭露標(biāo)高為標(biāo)定）平面上的陷落柱范圍。根據(jù)分支孔煤層重復(fù)落差情況對(duì)比，巖性特征、標(biāo)志層、層間距等綜合分析，結(jié)合三維地震勘探資料與波形波組特征，陷落柱位于測(cè)區(qū)西北部，3上煤（T3主孔揭露深度853.23 m）陷落柱剖面陷落柱范圍東西向約61 m，南北向約29 m，3下煤（T3主孔揭露深度867.43 m）陷落柱剖面陷落柱范圍東西向約70 m，南北向約46.6 m。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)綜合瞬變電磁、可控源音頻大地電磁測(cè)深、三維地震、測(cè)井和鉆探等多種探查手段，圈出了巖溶溶洞及塌陷區(qū)的分布范圍及空間分布形態(tài)。認(rèn)為該陷落柱為一個(gè)EW向發(fā)育的橢球狀陷落柱，3上煤（T3主孔揭露深度853.23 m）陷落柱剖面陷落柱范圍東西向約61 m，南北向約29 m，3下煤（T3主孔揭露深度867.43 m）陷落柱剖面陷落柱范圍東西向約70 m，南北向約46.6 m，由于陷落柱形態(tài)的特殊性，建議根據(jù)圈定范圍合理留設(shè)保安煤柱。

（2）實(shí)踐證明，綜合探查技術(shù)鉆探、物探方法相互印證，互相補(bǔ)充，揭露了3號(hào)異常區(qū)范圍水文地質(zhì)情況，為礦區(qū)的陷落柱研究提供鉆探技術(shù)支撐，提高了地質(zhì)解譯的精度，不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件還可以采用不同的勘探方法組合，對(duì)類似地質(zhì)異常探查具有較好的借鑒意義。

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Study on Comprehensive Exploration Technology of Collapse Column

Abstract： In order to further clarify the morphology， development range and characteristics of the collapse column in the working face， and provide a basis for the governance of collapsed column， by using transient electromagnetic， controlled source audio-frequency electromagnetic sounding， 3D seismic and geological drilling， development position and range of the collapse column have been clarified. Integrated geophysics and ground-based directional horizontal drilling can effectively detect the development range and water richness， and" of the collapse column. It will provide a good reference for comprehensive exploration of other similar structures.

Key words：Transient electromagnetic; 3D seismic; geological drilling; collapse column