綜合物探技術在礦井陷落柱識別的應用研究

蔣澤金

（中國煤炭地質總局 一二九勘探隊，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

煤礦安全、高效生產的前提，需要掌握礦井內隱蔽致災體的形態、產狀等空間參數。目前，為了提高煤礦井田對隱蔽致災體的精確和精準掌握，聯合多種探測手段和方法成為研究的重要內容。煤礦井田常用的物探技術方法有三維地震勘探、瞬變電磁探測、高密度電法、CSAMT，井下采用音頻透視探測、槽波勘探、電法勘探及瞬變電磁法勘探技術等，取得了較好的應用效果[1-2]。同時，為了增加探測的精確度和準確度，通常運用不同物探方法的組合勘探技術，利用不同物探勘探方法中不同的物性參數，綜合解釋同一隱蔽致災體的綜合效應，大大提高了綜合勘探的解釋效果和準確性。啜小宇（2019） 在研究華北煤田強導（含） 水隱伏陷落柱底板突水機理研究指出陷落柱水平截面形狀決定其突水的關鍵因素[3]，而且截面形狀是圓形時最容易發生突水。同時，趙金貴（2020） 研究西山煤田巖溶陷落柱柱體形態指出柱體活化是陷落柱導水的重要因素之一[4]，尋找與對比巖溶陷落柱柱根位置，可作為地球物理方法探測與分辨區域煤系新老陷落柱的依據。

基于礦井三維地震勘探和CSAMT 勘探數據，針對復雜的地表地質條件和深部地質條件的分析，采用精細地震數據處理和電磁數據處理后，得到高質量的物探數據體。通過綜合物探數據的綜合分析與解釋，對主要的陷落柱構造進行了綜合識別，解釋的效果好，探測精度高。

1 礦井地質概況

河北省梧桐莊礦井全區被新生界掩蓋，由老到新地層有奧陶系、石炭系、二疊系及新生界。井田主要開采煤層為山西組2 號煤和太原組9 號煤，2號煤厚3.10 m，9 號煤厚1.54 m。構造總體呈北東向的單斜構造，發育有落差大小不等的斷層、陷落柱等，中等構造復雜程度。全區屬丘陵地形，地表起伏較大，相對高差大，沖溝非常發育，切割深度，溝壑縱橫、梯田密布。

2 綜合探測勘探方法

依據研究區內主要地層、巖性、地形地質條件及其不同巖性之間存在的地球物理參數變化特征，勘探區內采用地面三維地震勘探和可控源音頻大地電磁測深勘探組合勘探技術。由于陷落柱的形成過程中，對一定深度的巖體具有切割破壞作用，常表現為下伏極厚灰巖層受水動力學作用形成的塌陷，與圍巖之間形成了一定的物性參數變化。利用三維地震對煤層敏感，特別是對于小斷層構造、小陷落柱構造易于識別的特征，采用三維地震精細處理后的地震數據體，構建識別陷落柱的地震屬性敏感性參數分析，確定采空區的空間分布特征[5-6]。同時，由于陷落柱塌陷作用會形成地下水體的倒水通道，表現一定的富水性特征，利用CSAMT 對水體富集程度敏感的特性，布置不同網格的CSAMT 勘探。

采用聯合勘探方法，不僅對陷落柱的形態特征反映清晰，同時對陷落柱的富水性進行綜合研究，可為礦井的額安全生產提供良好的地質條件。

2.1 三維地震勘探

目前三維地震勘探技術識別陷落柱地質構造還存在著一定的難點，主要是對于形狀不規則、規模不大的孤立陷落柱體，常會在地震資料去噪處理中易于被“平滑”掉；陷落柱在地震剖面上的表現特征不太明顯，有時與次級橈曲或小斷層易于混淆；勘探網度較大時，還需要識別較小陷落柱，往往會漏掉比網格密度小的小型陷落柱。

通過前人研究成果，陷落柱的地震時間和疊加剖面上表現為，煤層及其頂底板反射波或反射波組終止；連續追蹤的煤層反射波同相軸發生扭曲或產狀突變、或者產生分叉、合并和圈閉現象；地震反射波出現繞射波或其振幅發生突變；地震時間剖面可見類似于“倒漏斗”半圈閉形態特征[7]。

三維地震野外數據采集為了增加解釋精確度，采用10 線8 炮的束狀觀測系統，CDP 網格為5 m×5 m，接收檢波器為高頻帶的數字檢波器，采用高密度地震勘探施工方法，SN388 數字地震儀0.5 ms 采樣間隔，記錄長度為1.2 s。

2.2 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法是研究人工場源在大地中激勵的交變電磁場分布，由觀測到的電磁場分布研究地下電性及地質特征的一種勘探方法。由于CSAMT 法利用人工場源，在地面較強干擾區可開展工作；測量參數為電場與磁場之比，得出的是卡尼亞電阻率。勘探深度范圍大，橫向分辨率高，高阻屏蔽作用小，可穿透高阻層。

野外體CSAMT 的布置采用圖1 的布置方式，通過實驗確定收發距為8 km，供電電流10 A，接收采用4 個電棒和1 個磁棒的組合，道間距為10，采用頻率為0.01 ～4 096 Hz。對測量過程出現的異常點位采用重測方式確定異常的可靠程度，同時對可靠位置采用加密測點的方式。

圖1 瞬變電磁原理示意Fig.1 Transient electromagnetic principle

3 綜合物探技術在煤礦陷落柱及富水性應用

3.1 陷落柱構造的地震特征

陷落柱的特殊性表現在其孤立出現和分布規律性差，依靠傳統的鉆探手段往往難以查清，即使依靠先進的三維地震勘探手段探查，也存在很大的技術困難。對于一個形狀不規則規模不大的孤立地質體，常在地震資料處理去噪過程中會將其“平滑”掉；由于常規三維地震資料解釋中應用的解釋網格間距的限制，常會漏掉比解釋網格更小的地質體；小規模的陷落柱在地震時間剖面上的表現特征不太明顯時，易與次級橈曲或小斷層等構造造成混淆。

在陷落柱的精細解釋中正確、精細解釋陷落柱的關鍵點是尋找陷落點位置，陷落點是指在地震時間剖面上陷落地層與正常賦存地層的分界點。根據以往經驗，在地震時間剖面上解釋陷落點的主要依據有反射波或反射波組終止；反射波同相軸扭曲或產狀突變；反射波同相軸產生分叉合并和圈閉現象；反射波相位轉換或反射波振幅突變；特殊反射波的出現，如繞射波、衍射波、散射波等[8-10]。

另外，在水平時間切片和幾個主要目的層的反射波振幅切片上，陷落柱的發育也會明顯反映出地震反射波能量的變化。例如，三維地震解釋的位于某采區已知孔附近的X1 陷落柱，該陷落柱規模較大，長軸174 m，短軸96 m，在疊加時間剖面上表現為出現明顯的繞射波特征（圖2a），位于陷落柱斷陷位置。而在偏移剖面上，陷落柱表現為典型的斷陷點特征。解釋的陷落柱為可靠陷落柱，且在生產中得到了驗證。

圖2 陷落柱在疊加時間剖面和偏移時間剖面的反映Fig. 2 Reflection of subsided column in stack time section and migration time section

3.2 陷落柱的三維地震綜合解釋

對陷落柱的精細解釋中，對地震疊加剖面、偏移剖面與小波變換剖面進行聯合解釋，確定陷落柱；對構造平面圖上有規律出現的“環形構造”，初步解釋為陷落柱而不是小斷層；在沿煤層方向的振幅切片上，表現為反射能量明顯減弱的一個圓形或橢圓形“圈閉構造”的平面特征。

利用三維地震勘探資料精細解釋陷落柱時，除利用陷落柱在地震時間剖面上的特征外，同時采用多種綜合反映陷落柱特征的不同類型的剖面、平面進行精細解釋。

綜合解釋的陷落柱Ⅰ平面圖上呈不規則橢圓形，長軸約45 m，短軸約35 m。采用的精細解釋指標主要有，在圖3（a） 中的疊加時間剖面上，箭頭所指位置出現了明顯的繞射波，附近的煤層及巖層解釋的產狀變化較大；在圖3（b） 的偏移時間剖面上，陷落柱處出現了一定范圍反射波空白條帶，且煤層反射波反射波終止；圖4 的振幅平面上，陷落柱Ⅰ呈現出一個比較規整的低能量團圈閉。從以上幾個特征綜合分析確定了陷落柱I 的存在。

圖4 陷落柱I 在地震振幅平面圖上識別特征Fig.4 Recognition characteristics of collapse column I on seismic amplitude plan

3.3 CSAMT 的綜合解釋

根據野外探測數據，采用專業軟件的綜合處理和解釋，得到各測線視電阻率擬斷面圖及深度切片平面圖的等值線走向與視電阻率值的變化等特征，確定陷落柱富水性特征。

圖5 為采區探測線電阻率反演斷面圖，從圖5上看，該線也有1 個低阻異常帶，分布在400～1 040 樁號。該異常與地震解釋陷落柱基本一致，且該陷落柱穿過了太原組和山西組煤層，與奧灰系灰巖含水層聯系較好，富水性強，在后續開采中需要進行富水性的專題研究。

圖5 CSAMT 某測線電阻率反演斷面圖Fig.5 resistivity inversion section of a CSAMT survey line

5 結 論

煤田礦井的隱蔽致災體的危害較大，為了更準確、有效、精確的掌握陷落柱構造的基本特征，采用三維地震勘探和CSAMT 聯合勘探方法進行綜合分析，解釋的效果明顯。

（1） 三維地震資料經過小波分析、相干分析、層拉平處理與屬性分析等綜合處理手段后，三維地震數據的信噪比和分辨率得到了一定的提高。

（2） 采用三維地震數據體地震屬性分析、圖像處理技術與層拉平技術，對該區資料的三維地震資料進行了精細解釋，提高了解釋精度。

（3） 三維地震對小構造的位置解釋清晰，對構造形態反映靈敏，結合CSAMT 的視電阻率分析，對陷落柱構造的富水性及水力聯系提供了依據。