井下陷落柱勘探與判讀實踐

劉海勤

（呂梁市煤礦水災害防治中心，山西 呂梁 033000）

據統計，范各莊礦、任樓礦、李封礦和吳村礦等發生的陷落柱透水事故，淹井、淹采區后造成了巨大經濟、人員損失。因此，陷落柱井下勘查、判讀和防治得到大量關注[1-2]，但由于陷落柱物理條件極其復雜[3-4]，現有勘探與判讀精度不高，不能滿足生產對高精度地質準備的要求，需要進一步研究。

本文永聚煤業采用理論分析和數值模擬方法，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則，結合永聚煤業XL1陷落柱發育實例進行對比判讀，以期提高對陷落柱構造勘探、判讀精度，為安全高效生產提供地質保障。

1 陷落柱發育規律

山西呂梁永聚煤業為我國華北礦區典型井田，具有陷落柱發育的一般規律：

（1）易發育于井田淺部。統計的鶴壁礦區20個陷落柱均為井田淺部發育，占總數的90.9%；協莊礦14個陷落柱均在淺部發育，統計發現永聚井田陷落柱多在淺部發育。

（2）易發育于層滑構造井田。永聚煤業陷落柱均為層滑構造條件，因層滑構造易破壞煤巖穩定性，使得陷落柱巖壁塌落、空洞向上發展。

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

（4）發育形態極其不規律，具有明顯差異性和復雜性。

2 陷落柱形態和發育特征

對永聚煤業井田內揭露的陷落柱統計得到如下陷落柱形態和發育特征：

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

（2）按中心軸形狀，分為直立、歪斜、彎曲和扭轉類型陷落柱，見圖1。

圖1 中心軸不同的陷落柱

（3）陷落柱內部充填物質和形態不同，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

永聚煤業地下溶洞頂部巖層及覆蓋層不斷塌陷形成陷落柱，根據陷落柱形成機理和形成過程，整個柱體下大上小、內部為不同形式物質充填堆積，表征為巖塊的塊度不一、塊體排列無序。與煤巖層賦存形態比較，陷落柱的巖性、塊度、連續性、產狀等屬性，呈現明顯差別。正是因為陷落柱與圍巖的物性差異構成了異常地震波的基礎，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界面傳播時出現波終斷或能量跌宕變弱現象。即不同介質中反射波的傳播出現跳躍變化，使得反射波的終斷點或能量跳躍變化位置成為異種介質的邊界。

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

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

4 陷落柱現場勘探實例

勘探區位于山西呂梁永聚煤業井田西北角，面積約0.83m2。區內構造有背斜、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?？碧侥繕藢游挥谑肯瞪辖y太原組和二疊系下統山西組，巖層巖性由砂巖、泥巖、石灰巖及煤層組成，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波出現同相軸扭曲、產狀突變現象；T10波能量變弱，同相軸產狀突變，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%，與地震波判讀結果基本一致。

5 結論

（1）陷落柱易發育于井田淺部、層滑構造井田、地下水強徑流帶上，發育形態極其不規律，具有明顯差異性和復雜性。

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

（3）陷落柱的巖性、塊度、連續性、產狀等與圍巖呈現明顯差別，反射波組在進入陷落柱傳播時出現波終斷或能量跌宕變弱，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。

永聚煤業現場實測證明了陷落柱判讀機理和方法的可行性、合理性。