陷落柱导富水性综合探测技术

孙 浩，李永军，李 琛

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

岩溶陷落柱是我国华北煤田广泛发育的一种极富区域特色的地质现象。它既是岩溶洞穴塌陷的产物，也是煤系下伏可溶性岩层经地下水强烈溶蚀后，形成较大的溶洞，在各种地质因素作用下，引起上覆岩层的失稳、塌陷，形成筒状柱体，是岩溶引起的一种特殊地质现象，因塌陷体的剖面形状似一柱状，故称陷落柱[6-9]。陷落柱对煤矿采掘工程影响甚大，如造成资源的损失、工作面的布置及工作面顶板控制困难等，当岩溶陷落柱与含水层沟通时，还容易造成工作面采掘突水灾害[2]。

地球物理探测方法在矿井富水异常区位置的探测方面应用前景非常广泛，电法(包括瞬变电磁法和直流电法等)、磁法、地震法等在探测矿井富水区位置和范围方面已得到广泛应用，取得了良好效果[1]。上述几种物探方法在理论上均是可行的，而大量的工程实践表明，由于物探方法的多解性，任何单一的物探方法都无法取得满意的探测效果，为此，从不同角度进行相互验证的综合物探方法更具优越性[4]。实践证明，EH4法和SYT法的综合探测在富水性和构造探测方面可以取得较好的地质效果。本文以EH4法和SYT法对葛亭煤矿可能存在的陷落柱导富水性探测为例[5]，说明综合物探能够降低探测结果的多解性，在探测陷落柱导富水性方面可取得良好的应用效果。

1 煤矿概况

1.1 构造

1.1.1 褶曲

矿井整体上为一构造盆地，四周高、中间低，由于断层切割，形态已不完整。地层倾角西部较缓，一般为4～15°；东部较陡。主要褶曲为南张向斜、东部的N6-9向斜及西部的S8-1向斜。

1.1.2 断层

本区断裂构造带因受纬向构造带和新华夏系构造体系的控制，发育有近东西向和近南北向区域大断层及北西向的次一级断层。基于断层的组合特征，使本区形成了“棋盘格”状的构造格局。由于上述断层以东西向断层形成较早，南北向及北西向断层形成较晚，因而有东西向断层多被近南北向及北西向断层所切割的时间、层序规律。

1.1.3 岩浆岩

矿井东北部有燕山晚期较大规模的岩浆岩侵入体，镜下鉴定为闪长玢岩，侵入太原组下部至山西组顶部地层之中, 从钻孔所获资料看其侵入层位、深度、侵入体的层数厚度均有较大变化。对3、16、17煤层的煤厚、煤质均有不同程度影响。

1.2 主要含水层

葛亭煤矿南部以F11断层与运河煤矿为界，西、北界均为奥灰隐伏露头，为矿井的补给边界，东界人为边界距唐阳断层1～2 km。南界F11断层，落差65～400 m，南升北降，矿井内各主要含水层与对盘奥灰对接，有可能成为本矿井补给水源。矿井的西部为奥灰隐伏露头区，据西部奥灰抽水试验资料，钻孔单位涌水量达0.622 L/s.m，为Ⅱ级中等富水区，为煤系各主要含水层的补给水源。

1.3 以往钻探探查情况

葛亭煤矿现已查明和揭露多个岩溶陷落柱，并对四个陷落柱进行过钻探探查，即X3、X4、X5、SX2陷落柱，其中X3疑似陷落柱钻探无异常，可能不存在，其它三个均钻探验证为岩溶陷落柱，并确定出陷落柱发育的立体结构，SX2陷落柱为相对含导水性陷落柱，其它均为无水陷落柱。

1.4 地球物理响应特征

EH4方法主要通过分析电性场来分析地质体的水文地质情况，而SYT法则是通过相对地应力分布情况，即岩体相对密实与疏松程度来分析地质体的水文地质情况。

从陷落柱电性场分析：由于陷落柱充填物主要以泥质、泥砂质物质和水为主，密实的陷落柱一般情况下是显低阻反映。陷落柱显低阻反映并不能说明陷落柱富水或导水。只有电阻率值非常低时，陷落柱才有可能富水，从地面较难以用电阻率法探测出陷落柱的强导富水性。对于充填物未压实的，且不富水的陷落柱才显高阻反映[1]。

从地应力场分析：密实的陷落柱一般显地应力集中区，即显高应力异常，而发育于陷落柱影响带的裂隙带则是显低应力异常反映。对于相对未压实的陷落柱则显低应力区，即相对疏松的部位。SYT显示低应力区且EH4显示低阻，则此陷落柱相对富水或导水的可能性较大。

2 陷落柱导富水性探查

2.1 地面物探工程布置

第一探测工区主要是探测1160采区16煤层中的陷落柱及其异常，分布在葛亭工业广场西济宁港宁纸业有限公司南部，210 m×270 m的方形区域。

第二探测工区也是探测1160采区16煤层中的陷落柱及其异常，分布在葛亭工业广场西济宁港宁纸业有限公司的东部，300 m×180 m的方形区域。

第三探测工区主要是探测3号煤层中的陷落柱及地质异常，位于葛亭煤矿工业广场矸石山南部，为175 m×570 m的长方形区域。

各工区特征参数如表1所示。测线测点布置如图1所示。测点共为306个。

表1 各探查工区测线测点布置

图1 探查工区一、二、三范围及测点布置图

图2 工区一自上至下各层位切片图

2.2 综合探查结果

2.2.1 工区一探测成果综合解释

1) 工区一EH4探测成果推断解释

从-290 m、-340 m、-390 m的切片图可见，低阻区域不断减小，-390 m时几乎消失。-290 m 基本已进入奥灰地层，陷落柱发源于奥灰地层，是在奥灰岩溶发育的基本上经过后期改造后形成的，岩溶在奥灰层中的发育，由浅向深有减小的趋势。由图2可见，在-390 m切片图中几乎岩溶不发育了，即本陷落柱发育的深度基本上在-400 m左右。

2) 工区一SYT探测成果推断解释

工区主采煤层为16号煤层，对于第一工区，16煤层底板标高为-220～-240 m左右，基岩面标高为-170 m左右，奥灰距16煤大约为60 m左右，则奥灰为-280至-300 m。

图3是工区一(Y区)的SYT地应力沿深度方向切面图，从图中可以看出，16煤顶部的-110 m、-160 m，在SX1范围内地应力较低，特别是-160 m深度切面，基本为蓝色低值区，这与松散层的分布有关。-200 m已进入基岩层，切片图中明显地应力相对增大。

在16煤深度切面(-240 m)及奥灰顶部(-290 m)，在陷落柱区域内，存在低值区，岩体相对破碎。到了-340水平及以下，基本为地应力高值区。在探测区的东北部各深度切面都有一低值区，可能与断层的发育有关，可以为一个深部水导到煤系地层的导水通道。

图3 工区一(Y区)地应力等值线图(SYT)

图4 工区一(Y区)低值异常区分布图

3) 工区一综合探测成果分析

从图2可知，电阻率低值区主要分布于工区的西面部，即上图中蓝线区域。而SYT探测成果中的地应力低阻区主要有两个区块，如图4中绿线圈定的SYT1、SYT2所示。两种方法低值区域重合部位如上图中的粉色线所圈定的区域，即为富水性异常区。

从两种方法探测成果看，由EH4探测结果在富水性异常区稍呈低阻反应，而SYT区域最低值区也不在富水性异常区范围内，从两种方法各层位低值异常区分布情况看，此富水异常区可能为弱富水性的异常区，有导通下部灰岩水的可能性。即 SX1陷落柱为弱富水性陷落柱，具有一定的导水性。SYT探测成果低阻异常区为陷落柱在采动影响下最易“活化”的部位。

2.2.2 工区二探测成果综合解释

由富水性异常区富水特征(图5、6)可得出SX2及SX3陷落柱的如下结论：

图6 富水性异常区分布图

从两种方法探测成果看，由EH4探测结果在富水性异常区稍呈低阻反应，而SYT区域最低值区也不在富水性异常区范围内，从两种方法各层位低值异常区分布情况看，此富水异常区可能为弱富水性的异常区，有导通下部灰岩水的可能性。即SX2为弱水性陷落柱，具有一定的导水性，与钻探探查情况相符。SX3陷落柱在SYT3地应力低值异常区范围内，说明此陷落柱在采动影响下最易“活化”。

2.2.3 工区三探测成果综合解释

由富水性异常区富水特征(图7、8)可得出X3、X4及X5陷落柱的如下结论：

图7 SYT及EH4低阻异常区分布图

图8 富水性异常区分布图

从两种方法探测成果看，由EH4探测结果在富水性异常区稍呈低阻反应，而SYT区域最低值区也不在富水性异常区范围内，从两种方法各层位低值异常区分布情况看，此富水异常区在-800m以下富水的可能性较大，且为弱富水。对3#煤层的开采影响不大。

X4陷落柱在SYT3地应力低值异常区范围内，富水的可能性不大。X5范围较小，基本位于高值区，不富水。

3 结论

通过EH4法和SYT法两种方法的综合探测，降低了探测结果的多解性，总结两种方法的探测成果，可得到如下结论：

1) 在原X3陷落柱分布范围内，并不存在陷落柱。分析有断层位于该处，可能含有弱富砂岩裂隙水。该区域东南部在-800 m以下具有导通奥灰水的可能性，但对3#煤层的开采影响不大。

2) X4陷落柱压实程度较高，其上部层位相对破碎，但不富水，在煤系地层导富水的可能性小，采掘活动基本不会造成陷落柱的活化。

3) X5陷落柱规模较小，且物探方法存在体效应，使此陷落柱反映不明显。从EH4及SYT探测成果看，此陷落柱富水及导水的可能性较小。

4) SX1、SX2、SX3陷落柱为弱富水性陷落柱，具有一定的导水性。陷落柱在采动影响下易于在SYT所圈定的异常内范围内易“活化”导水。

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