梁宝寺井田陷落柱分析

赵盾　赵钧儒

摘要：介绍了梁宝寺井田陷落柱的特征，分析了梁宝寺井田陷落柱的产生机理，比较了山东省内陷落柱与省外矿井陷落柱的异同，研究了其存在的可靠性，该分析成果为安全采掘防患于未然和开拓设计提供了可靠的地质保障。

关键词：陷落柱;可靠性;岩浆岩;地震勘探

岩溶陷落柱是煤矿安全生产的巨大隐患，对陷落柱的控制方法主要通过电磁法勘探、地震勘探特别是三维地震勘探控制，在华北地区广泛存在。相对于山西、江苏某些煤矿，在山东虽然不发育，但存在即有巨大的安全隐患，就应该引起重视，以下就梁宝寺井田陷落柱发育的可靠性进行分析说明。

1    概况

梁宝寺井田位于山东省嘉祥县，交通便利。属于全隐蔽式煤田，煤系地层为华北型石炭二迭系含煤建造，主要可采煤层为山西组3煤层，煤质优良，有煤层分叉、合并和煤层冲刷现象，煤层埋藏南部浅北部深，煤层隐伏露头在南部呈“裙边状”分布;共含煤27层，其中山西组含煤3层（2、3（3上）3下）;太原组含煤24层，平均总厚8.7m。井田内有一中性岩浆岩侵入体，侵入太原组地层之中，厚度0～70m，对16、17煤层影响最大，呈侵入或吞蚀状态，自井田东北部侵入，向西、向南侵入程度减弱，对16、17煤层及煤质有不同程度的影响。

梁宝寺井田有梁宝寺一号井、梁宝寺二号井和宏阳煤矿。梁宝寺两对矿井主要开采山西组3煤层，宏阳煤矿主要开采太原组煤层。三维地震资料解释陷落柱的平面位置位于梁宝寺一号井南部和宏阳煤矿范围内[1-2]。

2    陷落柱存在的依据及可靠性分析

2.1 地震资料的可靠性

梁宝寺井田地势平坦，潜水面浅，浅层多为粘土，激发条件良好，新近系底界面与下伏煤系地层为不整合接触关系，与下伏岩层物性差异较大，是良好的波阻抗界面，煤层与围岩物性差异明显，能够产生较强的反射波，总体来说，地震地质条件良好。为可靠解释陷落柱奠定了基础。

2.2 陷落柱在时间剖面与水平切片上反映清晰

陷落柱与断层的解释类似，以标准反射波为主要解释对象，根据反射波同相轴振幅、波形特征、波组关系、时差等，在时间剖面上进行对比解释，确定断陷点位置。该井田内陷落特征为同相轴明显中断。时间剖面上两侧的同相轴连续，在距离断陷点较近时有往陷落方向向下弯曲的现象，而内侧同相轴杂乱无章或整个波系下移，纵向上多个有效波断陷点的连线为上小下大的“锥”形。在水平等时切片上呈现出陷落柱的基本形态，在沿层属性切片上显示出陷落柱在该层上的平面形态。

3    梁宝寺井田陷落柱的特征

3.1 陷落柱的圈定

在时间剖面上先把纵向上各目的层反射波的断陷点进行圈定，并在另一方向的时间剖面上进行断陷线闭合，形成时空域的陷落柱的空间形态，再根据各相邻时间剖面目的层反射波所确定的陷落点进行连接，形成目的层平面上陷落柱形态。由于局部时间剖面会受障碍物影响品质降低，综合分析水平切片和属性资料有助于还原陷落柱的真实空间形态。

3.2 梁宝寺井田陷落柱发育情况

陷落柱的规模主要表现在陷落柱的陷落高度、不同目的层上所涉及的范围及平面局部地段发育的个数等方面，是对矿井生产影响最大的因素之一。

（1）梁宝寺南翼采区三维地震勘探面积10.12km2，范围内共发现陷落柱4个，其中 X1发育规模较大。图1a、图1b时间剖面显示中部三灰层及以下反射波波组陷落点反映清晰，陷落柱内部有反射层，受此陷落柱影响，上部3煤层反射波有轻微下陷，说明陷落柱断陷高度接近3煤层，在水平等时切片上有上小下大的的圈状异常，连续的在顺层方差切片上有明显椭圆状异常（见图1c）

（2）梁宝寺二四采区西部三维地震勘探面积14.2km2，其范围内共发现陷落柱或疑似陷落柱3个。WX1陷落柱位于西区南部3上煤层露头附近，3煤层反射波没有明显的错断，仅产生了小的凹陷。3煤层上该陷落柱影响范围较小。陷落柱的断陷高度至新近系底界附近（见图2）。

（3）宏阳煤矿首采区进行了4.95km2三维地震，同时进行了电法勘探，在互相没有交流的情况下，三维地震（如图3）与地面电法在同一位置解释了陷落柱。根据电法资料，陷落柱在16煤层顶板灰岩及奥陶系灰岩含水层中均穿过富水异常区，推断该陷落柱为局部含、导水陷落柱。综合物探的解释结果说明了陷落柱解释的可靠性较高。

3.3 分布规律及原因分析

陷落柱主要分布于井田中南部，分布于巖浆岩侵入边界之外，分析原因如下：

3.3.1 南部为给水区，奥灰含水量大

地下水径流条件是陷落柱形成不可缺少的水动力因素[14]。从水力资源分析，井田内划分有6个主要含水层，从上至下依次是新近系砂砾层。二叠系砂岩、3煤顶、底板砂岩。太原组三灰、十下灰及中奥陶统石灰岩。在井田南部嘉祥城区附近奥灰岩层出露于地表，为补给水区，奥陶纪灰岩与太原组十下灰均为含水层，奥灰含水层的富水性强，补给较充沛，电磁法资料也显示在梁宝寺井田南部富水性较强，较强的水力条件造成该井田南部陷落柱较北部发育。

3.3.2 与岩浆岩有关

梁宝寺井田内有一中性岩浆岩侵入体，从梁宝寺井田钻探资料及煤矿揭露情况分析，主要侵入太原组地层之中，对16、17煤层及煤质均有不同程度的影响，仅在井田中北部岩浆岩巨厚区域部分以岩墙形式侵入到山西组地层中，勘探区及外围钻孔中仅有2个钻孔揭露岩浆岩，从整个梁宝寺井田钻孔揭露的侵入层位、深度、侵入体的层数、厚度等资料来看，岩浆是在煤系沉积之后的构造运动中，沿构造裂隙带上升，遇到煤层及其他软弱岩层时顺层侵入[3-5]。从井田内揭露情况分析，岩浆岩北部厚，向南部逐渐变薄分叉直至消失。在南部岩浆岩侵入力量减弱，基本为沿层侵入，在无断层的情况下形成“岩峰”的可能性不大。井田北部存在巨厚岩浆岩，岩层致密，虽然奥陶纪灰岩中溶洞发育，厚层岩浆岩阻断了其上部岩层的联系，因此岩浆岩发育带没有发现陷落柱（图4）。

3.3.3 分布规律

从不同目的层圈定的陷落柱在平面上的展布位置、陷落柱长轴展布方向及不同地段发育陷落柱的个数等因素综合分析，该区陷落柱在中南部发育，发育无明显规律。全區陷落柱的一个共同特点其长轴方向一般垂直地层走向。

3.4 可靠性分析

从三维地震时间剖面、水平等时切片及地震属性资料来看，断陷特征明显，断陷点错断干脆;从电法资料分析，视电阻率明显变小。从陷落柱的形成条件分析，奥灰层上部的40～60m范围内发育有大量溶隙和溶洞，形成一个岩溶发育带，为陷落柱形成的基础，并提供了塌陷空间;梁宝寺井田南部奥灰层为富水层，井田南部奥陶系灰岩出露地表，水源补给充分，有陷落柱形成的水动力条件。从以上几个方面分析梁宝寺井田解释的陷落柱为较可靠～可靠。

3.5 预测与建议

预计在宏阳煤矿还会有陷落柱存在，希望在矿井生产前做好勘探工作，基于该区奥灰层的导水性及含水性，建议进行三维地震和电磁法综合勘探工作。

4    山东省内陷落柱区别于其他地区的特点

在山西潞安、江苏徐州等地陷落柱极为发育，一般与可溶性岩层、丰富的侵蚀性地下水、良好的地下水通道及排泄口有关，常呈串珠状或散点状发育，规模大小不等[6-11]。有的陷落柱直径十几米，而有的陷落柱长轴达数百米，严重影响着煤矿生产安全。淮南地区发现的多为寒武纪岩溶陷落柱，而华北地区多为奥陶纪岩溶陷落柱。见表1。

综合山东省金桥煤矿、张集煤矿发现的陷落柱，山东省内的陷落柱在多个矿区存在，也成为矿井生产的巨大安全隐患，从发现陷落柱几个矿井的三维地震勘探资料来看，对于直径30m以上的陷落柱基本能够清晰反映，控制可靠，如果结合电磁法资料进行综合物探分析，陷落柱的含（导）水性将能够得到有效控制，为矿井安全提供有力的技术保障。

鲁西以至于整个华北石炭二叠纪煤田的该区陷落柱的发育规律及活动性分析，由于该区北部岩浆岩厚度较大，且近似层状侵入到16煤层附近，阻断了陷落柱的形成通道[12-14]。

5    结论

综合物探手段是确定陷落柱最有效的方法，对确定其可靠性意义重大，将提高控制程度，降低多解性。

山东省陷落柱相对较少，容易使得大家对它的危害性认识不足，警惕程度不够。从梁宝寺井田和山东其他矿井的资料及揭露情况分析，山东省的陷落柱也呈点状存在，希望相关部门高度重视。

建议在存在陷落柱隐患的地区进行地震与电磁法等综合物探方法勘探，为矿井生产安全提供可靠地质保障。

参考文献

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