陷落柱发育规律及其地球物理特征研究

2014-11-20许海涛李永军康庆涛

中国矿业 2014年8期

许海涛，李永军，康庆涛

（1.河北省矿井灾害防治重点实验室，河北三河065201；2.华北科技学院安全工程学院，河北三河065201；3.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083）

在华北煤田中，陷落柱是影响煤矿建设和生产的重要地质因素之一[1]。陷落柱，煤炭系统又称为无炭柱，是可溶性岩层在地下水强径流作用下，经过漫长的历史时期，被溶蚀形成空洞、孔隙或裂隙，随着溶蚀作用加强，孔洞不断增多、扩大，最终受重力和构造力影响，导致上部岩层失去支撑，垮塌陷落而形成的一种特殊地质构造[2－3]。岩溶陷落柱是影响我国一些煤矿正常采掘和安全生产的地质问题之一。它不仅破坏煤层，损失煤炭资源，给井巷工程的布置和施工增加困难，而且因其可能是良好的导水通道，使采掘场所与含水层沟通，对矿井的安全生产构成极大威胁[4－6]。赵庄二号井奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层厚度大富水性好，且主采煤层3＃煤层位于奥灰水位之下，处于带压开采状态。井田内断层、陷落柱地质构造较为发育，3＃主采煤层分布陷落柱共35个，陷落柱很可能成为奥陶系灰岩强含水层和含煤地层之间的联系通道，存在严重的安全隐患。本文对井田内陷落柱发育规律及地球物理特征进行研究，为后续陷落柱的特征识别、开拓方案布局及治理措施制定提供地质参考依据。

1 发育规律

1.1 发育特征

1.1.1 形态特征

对赵庄二号井3＃煤层发育陷落柱统计分析，共分布陷落柱35个。从平面形状分，陷落柱呈椭圆形的有24个，似圆形的有2个，长条形的有5个，不规则的有4个；从煤层位置的横切面积上分，大于5000m2的大型陷落柱9个，500～5000m2的中型陷落柱19个，小于500m2的小型陷落柱7个，其中最大的DX16陷落柱横截面积为19145m2；最大的长轴181m，最小的长轴27 m，长短轴之比在1.04∶1～5.2∶1之间，平均1.875∶1，长轴方向以NW向和NE向为主。

1.1.2 钻探及井巷揭露特征

根据巷道掘进的临时地质预报，从掘进揭露的陷落柱柱内充填情况看，柱内充填基质由较细至极细的岩屑、岩粉、粘粒组成，含量较高，通常＞60%，它们包裹着大大小小的岩块，胶结紧密，不少大岩块恰似悬浮在基质中，堆积物无分选，无层理显示。柱内充填物具有泥砾结构，大小不一，棱角明显，杂乱无章，泥质胶结[7－8]。

1.2 分布规律

1）沿正断层及其次生的小断层呈定向带状分布。当岩溶水强径流带方向与断层、褶曲走向相同时，沿断层走向尤其是沿断裂带及褶皱走向，就是陷落柱的发育带，且具有定向带状分布的规律[2]。赵庄二号井陷落柱分布规律，呈现出沿庄头正断层和兴旺庄正断层、DF40正断层呈定向带状分布的特点。

2）成群集中分布。赵庄二号井陷落柱分布和地质构造条件关系非常密切。如在不同构造体系的复合部位，断裂发育，地下溶洞十分发育，陷落柱分布密度就大。在赵庄二号井表现为岩溶陷落柱大部分沿庄头正断层和兴旺庄正断层、DF40正断层及其次生的小断层附近分布，而在矿区的东北部和中南部，断裂不发育的地方，陷落柱分布较少。

2 钻孔测井曲线特征

为了进一步了解井田垂直裂隙的发育程度，评估陷落柱对井田裂隙发育的影响程度。对钻井资料统计分析，依据陷落柱影响程度大，垂直裂隙发育程度比较大，影响小，垂直裂隙发育程度比较小的原则，将陷落柱影响程度分为严重、较严重、一般。本文选取陷落柱附近的4602、4603、4702三个钻孔，统计裂隙发育累积厚度占揭露地层厚度的百分比（表2），三个钻孔裂隙发育受陷落柱不同程度的影响。

为了找到钻孔测井曲线特征与陷落柱发育之间的关系，截取三个钻孔下石盒子组顶界面到3＃煤层底界面标段的测井曲线数值，绘制测井曲线对比图。由图1分析可知，随着裂隙在基本层中发育的累积厚（高）度占揭露地层厚度的百分比的减小（依次是4602钻孔、4603钻孔、4702钻孔），即陷落柱对地层裂隙发育影响程度的减小，自然伽马值、体积密度值减小，而井径、自然电位值增加。

3 陷落柱三维地震勘探特征

3.1 陷落柱三维地震勘探原理

高分辨率三维地震利用人工震源激发地震波，用地震仪器记录穿过不同深度地层后反射回来的地震波信息，通过分析地震波传播规律从而达到解决地质问题的目的，在煤矿地质构造探测中得到了广泛的应用。由于断层和陷落柱中地层的错断和沉降变化，使地震波产生错动或紊乱，由此可以解释地下构造特征，陷落柱柱体内是由块度大小不均、排列杂乱无章的上部地层塌陷物胶结而成，与正常地层相比，在地层的连续性、产状、岩性方面均有不同程度的差异，这些差异是形成异常地震波的基础，也是解释陷落柱的物理前提[9]。

表1 钻探揭露陷落柱情况

表2 陷落柱对地层裂隙发育影响程度

图1 钻孔测井曲线对比图

3.2 陷落柱两侧煤层反射弯曲特征

如图2所示，为陷落柱DX17在时间剖面上的显示，陷落柱两侧煤层存在反射弯曲现象，在其他矿区陷落柱勘探中有类似现象出现。究其原因，在于陷落柱中地层的错断和沉降变化，使地震波产生错动或紊乱，陷落柱的顶部地层下沉，裂隙发育，密度和速度降低。而在陷落柱的内部，由于地层塌陷，速度和密度降低较为明显。陷落柱两侧煤层存在的反射弯曲现象可以作为判断陷落柱是否发育的表征之一。

3.3 煤层反射波短距离内错断特征

图3为陷落柱DX16在时间剖面上的显示，可以看到在陷落柱体内及其附近，煤层反射波短距离内呈现突然错断的现象。分析产生这种现象的原因：在陷落柱内，煤（岩）层的连续性遭到破坏，陷落柱体内地层与正常地层相比在连续性、产状、岩性等方面存在很大的差异，异常地震波通常表现为反射波同相轴中断、扭曲、极性转变、产状突变、振幅减弱等，伴随有绕射波、延迟绕射波、侧面波等出现。煤层反射波短距离内呈现的突然错断现象，可以作为判别某区域是否发育陷落柱的三维地震勘探特征之一。