综合物探技术在矿井陷落柱识别的应用研究

蒋泽金

（中国煤炭地质总局 一二九勘探队，河北 邯郸 056004）

0 引 言

煤矿安全、高效生产的前提，需要掌握矿井内隐蔽致灾体的形态、产状等空间参数。目前，为了提高煤矿井田对隐蔽致灾体的精确和精准掌握，联合多种探测手段和方法成为研究的重要内容。煤矿井田常用的物探技术方法有三维地震勘探、瞬变电磁探测、高密度电法、CSAMT，井下采用音频透视探测、槽波勘探、电法勘探及瞬变电磁法勘探技术等，取得了较好的应用效果[1-2]。同时，为了增加探测的精确度和准确度，通常运用不同物探方法的组合勘探技术，利用不同物探勘探方法中不同的物性参数，综合解释同一隐蔽致灾体的综合效应，大大提高了综合勘探的解释效果和准确性。啜小宇（2019） 在研究华北煤田强导（含） 水隐伏陷落柱底板突水机理研究指出陷落柱水平截面形状决定其突水的关键因素[3]，而且截面形状是圆形时最容易发生突水。同时，赵金贵（2020） 研究西山煤田岩溶陷落柱柱体形态指出柱体活化是陷落柱导水的重要因素之一[4]，寻找与对比岩溶陷落柱柱根位置，可作为地球物理方法探测与分辨区域煤系新老陷落柱的依据。

基于矿井三维地震勘探和CSAMT 勘探数据，针对复杂的地表地质条件和深部地质条件的分析，采用精细地震数据处理和电磁数据处理后，得到高质量的物探数据体。通过综合物探数据的综合分析与解释，对主要的陷落柱构造进行了综合识别，解释的效果好，探测精度高。

1 矿井地质概况

河北省梧桐庄矿井全区被新生界掩盖，由老到新地层有奥陶系、石炭系、二叠系及新生界。井田主要开采煤层为山西组2 号煤和太原组9 号煤，2号煤厚3.10 m，9 号煤厚1.54 m。构造总体呈北东向的单斜构造，发育有落差大小不等的断层、陷落柱等，中等构造复杂程度。全区属丘陵地形，地表起伏较大，相对高差大，冲沟非常发育，切割深度，沟壑纵横、梯田密布。

2 综合探测勘探方法

依据研究区内主要地层、岩性、地形地质条件及其不同岩性之间存在的地球物理参数变化特征，勘探区内采用地面三维地震勘探和可控源音频大地电磁测深勘探组合勘探技术。由于陷落柱的形成过程中，对一定深度的岩体具有切割破坏作用，常表现为下伏极厚灰岩层受水动力学作用形成的塌陷，与围岩之间形成了一定的物性参数变化。利用三维地震对煤层敏感，特别是对于小断层构造、小陷落柱构造易于识别的特征，采用三维地震精细处理后的地震数据体，构建识别陷落柱的地震属性敏感性参数分析，确定采空区的空间分布特征[5-6]。同时，由于陷落柱塌陷作用会形成地下水体的倒水通道，表现一定的富水性特征，利用CSAMT 对水体富集程度敏感的特性，布置不同网格的CSAMT 勘探。

采用联合勘探方法，不仅对陷落柱的形态特征反映清晰，同时对陷落柱的富水性进行综合研究，可为矿井的额安全生产提供良好的地质条件。

2.1 三维地震勘探

目前三维地震勘探技术识别陷落柱地质构造还存在着一定的难点，主要是对于形状不规则、规模不大的孤立陷落柱体，常会在地震资料去噪处理中易于被“平滑”掉；陷落柱在地震剖面上的表现特征不太明显，有时与次级桡曲或小断层易于混淆；勘探网度较大时，还需要识别较小陷落柱，往往会漏掉比网格密度小的小型陷落柱。

通过前人研究成果，陷落柱的地震时间和叠加剖面上表现为，煤层及其顶底板反射波或反射波组终止；连续追踪的煤层反射波同相轴发生扭曲或产状突变、或者产生分叉、合并和圈闭现象；地震反射波出现绕射波或其振幅发生突变；地震时间剖面可见类似于“倒漏斗”半圈闭形态特征[7]。

三维地震野外数据采集为了增加解释精确度，采用10 线8 炮的束状观测系统，CDP 网格为5 m×5 m，接收检波器为高频带的数字检波器，采用高密度地震勘探施工方法，SN388 数字地震仪0.5 ms 采样间隔，记录长度为1.2 s。

2.2 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法是研究人工场源在大地中激励的交变电磁场分布，由观测到的电磁场分布研究地下电性及地质特征的一种勘探方法。由于CSAMT 法利用人工场源，在地面较强干扰区可开展工作；测量参数为电场与磁场之比，得出的是卡尼亚电阻率。勘探深度范围大，横向分辨率高，高阻屏蔽作用小，可穿透高阻层。

野外体CSAMT 的布置采用图1 的布置方式，通过实验确定收发距为8 km，供电电流10 A，接收采用4 个电棒和1 个磁棒的组合，道间距为10，采用频率为0.01 ～4 096 Hz。对测量过程出现的异常点位采用重测方式确定异常的可靠程度，同时对可靠位置采用加密测点的方式。

图1 瞬变电磁原理示意Fig.1 Transient electromagnetic principle

3 综合物探技术在煤矿陷落柱及富水性应用

3.1 陷落柱构造的地震特征

陷落柱的特殊性表现在其孤立出现和分布规律性差，依靠传统的钻探手段往往难以查清，即使依靠先进的三维地震勘探手段探查，也存在很大的技术困难。对于一个形状不规则规模不大的孤立地质体，常在地震资料处理去噪过程中会将其“平滑”掉；由于常规三维地震资料解释中应用的解释网格间距的限制，常会漏掉比解释网格更小的地质体；小规模的陷落柱在地震时间剖面上的表现特征不太明显时，易与次级桡曲或小断层等构造造成混淆。

在陷落柱的精细解释中正确、精细解释陷落柱的关键点是寻找陷落点位置，陷落点是指在地震时间剖面上陷落地层与正常赋存地层的分界点。根据以往经验，在地震时间剖面上解释陷落点的主要依据有反射波或反射波组终止；反射波同相轴扭曲或产状突变；反射波同相轴产生分叉合并和圈闭现象；反射波相位转换或反射波振幅突变；特殊反射波的出现，如绕射波、衍射波、散射波等[8-10]。

另外，在水平时间切片和几个主要目的层的反射波振幅切片上，陷落柱的发育也会明显反映出地震反射波能量的变化。例如，三维地震解释的位于某采区已知孔附近的X1 陷落柱，该陷落柱规模较大，长轴174 m，短轴96 m，在叠加时间剖面上表现为出现明显的绕射波特征（图2a），位于陷落柱断陷位置。而在偏移剖面上，陷落柱表现为典型的断陷点特征。解释的陷落柱为可靠陷落柱，且在生产中得到了验证。

图2 陷落柱在叠加时间剖面和偏移时间剖面的反映Fig. 2 Reflection of subsided column in stack time section and migration time section

3.2 陷落柱的三维地震综合解释

对陷落柱的精细解释中，对地震叠加剖面、偏移剖面与小波变换剖面进行联合解释，确定陷落柱；对构造平面图上有规律出现的“环形构造”，初步解释为陷落柱而不是小断层；在沿煤层方向的振幅切片上，表现为反射能量明显减弱的一个圆形或椭圆形“圈闭构造”的平面特征。

利用三维地震勘探资料精细解释陷落柱时，除利用陷落柱在地震时间剖面上的特征外，同时采用多种综合反映陷落柱特征的不同类型的剖面、平面进行精细解释。

综合解释的陷落柱Ⅰ平面图上呈不规则椭圆形，长轴约45 m，短轴约35 m。采用的精细解释指标主要有，在图3（a） 中的叠加时间剖面上，箭头所指位置出现了明显的绕射波，附近的煤层及岩层解释的产状变化较大；在图3（b） 的偏移时间剖面上，陷落柱处出现了一定范围反射波空白条带，且煤层反射波反射波终止；图4 的振幅平面上，陷落柱Ⅰ呈现出一个比较规整的低能量团圈闭。从以上几个特征综合分析确定了陷落柱I 的存在。

图4 陷落柱I 在地震振幅平面图上识别特征Fig.4 Recognition characteristics of collapse column I on seismic amplitude plan

3.3 CSAMT 的综合解释

根据野外探测数据，采用专业软件的综合处理和解释，得到各测线视电阻率拟断面图及深度切片平面图的等值线走向与视电阻率值的变化等特征，确定陷落柱富水性特征。

图5 为采区探测线电阻率反演断面图，从图5上看，该线也有1 个低阻异常带，分布在400～1 040 桩号。该异常与地震解释陷落柱基本一致，且该陷落柱穿过了太原组和山西组煤层，与奥灰系灰岩含水层联系较好，富水性强，在后续开采中需要进行富水性的专题研究。

图5 CSAMT 某测线电阻率反演断面图Fig.5 resistivity inversion section of a CSAMT survey line

5 结 论

煤田矿井的隐蔽致灾体的危害较大，为了更准确、有效、精确的掌握陷落柱构造的基本特征，采用三维地震勘探和CSAMT 联合勘探方法进行综合分析，解释的效果明显。

（1） 三维地震资料经过小波分析、相干分析、层拉平处理与属性分析等综合处理手段后，三维地震数据的信噪比和分辨率得到了一定的提高。

（2） 采用三维地震数据体地震属性分析、图像处理技术与层拉平技术，对该区资料的三维地震资料进行了精细解释，提高了解释精度。

（3） 三维地震对小构造的位置解释清晰，对构造形态反映灵敏，结合CSAMT 的视电阻率分析，对陷落柱构造的富水性及水力联系提供了依据。