微动勘察对赵庄煤业矿3306 工作面陷落柱的探测与研究

申晓峰

（晋能控股煤业集团赵庄煤业有限责任公司，山西 长治 046605）

1 工程概况

赵庄煤业矿采区赋存奥陶系承压水及多个陷落柱地质构造，掘进前期需对工作面前方各类含水、导水地质体的平面位置与影响深度进行准确探测。目前采用的构造探测技术为三维地震勘探解释，该方法的准确度难以保证，根据采区3305 及3307 工作面顺槽巷掘进揭露地质构造情况，三维地震勘探解释的DX35 陷落柱比巷道揭露位置平面摆动误差达80 多米。为准确查明赵庄煤业矿3006 工作面的陷落柱，采用微动勘察方法进行探测与研究[1-5]，为巷道掘进和安全生产提供具有指导作用和实用价值的地球物理资料。

为试验微动方法探测赵庄煤业矿采区陷落柱的有效性，选定3306 工作面作为研究区域，如图1。

图1 测区范围及微动工程布置

2 观测系统及数据处理方法

2.1 观测系统

野外数据采集工作是微动探测的最重要环节，数据质量的好坏直接影响到后续数据处理及成果质量。设计合理的观测系统是野外数据采集的基础。

图2 为微动观测系统示意图。由放置于中心点和四个圆周上的13 台仪器组成微动观测台阵。经试验确定观测半径r1=30 m、r2=60 m、r3=120 m 和r4=240 m 可满足探测深度要求。

图2 微动观测系统示意图

实际施工时，每个微动观测点采用单点独立方式进行观测。7 套仪器同时完成两个观测半径的观测，观测完后将7 套仪器整体平移到另两个观测半径的圆周上，按同样方式进行观测。

2.2 仪器及参数

采用日本地学数据分析研究所MTK-1C 型微动勘察仪系统。其主要性能指标见表1。记录仪器的时间校正由记录仪内置GPS 自动完成。

表1 微动观测仪的主要性能指标

3 微动探测成果及解释

3.1 剖面成果及解释

图3～6 为本次微动探测获得的视S 波速度（Vx）剖面。横坐标为距离（m），上方标出微动中心测点位置及编号，纵坐标为高程，不同速度用相应颜色表示，色标列于图右侧。该剖面由各微动中心点获得的Vx～Z曲线经插值、光滑计算绘制而成。将反演获得的Vs曲线叠合到Vx剖面上，以标定地质层位。图中黑粗线为3 煤底板等高线。解释的陷落柱及速度异常区在剖面图上用不同线条画出。

图3 H3 横剖面及解释

在探测中，微动发现的陷落柱用WDX1～WDX6统一编号，三维地震解释的陷落柱仍用原编号；陷落柱边缘过渡带，Vx值在1600～1700 m/s，剖面图中用陷落柱边缘（降速区）标出；不具备陷落柱低速异常的速度和形态特征、且与陷落柱过渡带无关的弱低速异常，用LV 标出。

为叙述方便，把测区内微动剖面分为纵、横向两部分。横向剖面为沿3306 工作面方向，由长剖面H1～H4 和为控制陷落柱DX35 布置的短剖面H5 共5 条；纵向剖面为垂直3306 工作面方向的Z1～Z29 共29 条。另有布置在JX9 陷落柱上的2 条垂直相交剖面。对发现陷落柱的剖面分别进行分析、解释。

1）横剖面及解释

H3 剖面：如图3，该剖面上发现两个陷落柱。

陷落柱WDX2：在305 号测点下方出现的低速异常，解释为陷落柱（WDX2）。与H3 相交的Z5剖面上，在305 点下方有显著陷落柱低速异常，而在相距50 m 的Z4 剖面上，304 点下方呈弱低速，是典型的陷落柱边缘降速效应。用Vx=1600 m/s 划定该陷落柱边界，剖面图中用白色虚线画出其边界，其平面摆范围可能在20 m 左右。在平面上WDX2呈半径约35 m 的圆形。

陷落柱WDX6：测点324 下方的低速异常柱解释为陷落柱（WDX6），其边界用Vx=1600 m/s 划定。

H4 剖面：如图4，该剖面发现三个陷落柱。

图4 H4 横剖面及解释

WDX1：位于402 点下方，根据剖面形态，用Vx≈1650 m/s 划定其边界，平面摆动约20 m。该陷落柱在Z2 剖面上的形态因H4 剖面以外缺少测点控制，推测其平面形态呈圆形，直径约30 m。

WDX3：位于测点413 下方，根据剖面形态，用Vx≈1600 m/s 划定其边界，平面摆动约20 m。因为H4 剖面以外缺少测点控制，推测其平面形态呈圆形，直径约30 m。

WDX6：位于424～425 测点之下，用Vx≈1600 m/s 划定其边界，平面摆动约20 m。该陷落柱在Z24、Z25 剖面上的形态见图5。受该陷落柱影响，与其相邻的Z23 和Z26 剖面分别在相应测点之下出现降速区，已在图5 中标出。

图5 Z23～Z26 横剖面及解释

H5 剖面：该剖面布置在三维地震解释陷落柱DX35 之上。

陷落柱DX35：根据H5、Z6 和Z7 剖面低速异常特征综合分析，确定DX35 边界，其平面范围比三维地震结果小，且偏于原位置的右下角。

2）纵剖面及解释

陷落柱DX36：DX36 为地震解释陷落柱。为与之对比，布置Z16 测线穿过该陷落柱，剖面见图6。Z16 剖面上，DX36 下方仅见弱低速异常，解释为陷落柱边缘降速效应。因为仅两个点控制其边界，所以推测DX36 的边界就在616 号测点附近，微动测线未控制其平面位置。平面成果图中参考原平面位置画出的DX36 仅供参考。

图6 纵剖面及解释

陷落柱WDX4：Z16 剖面上，316～416 之间出现的低速异常解释为陷落柱WDX4。与其相邻的Z15、Z17 和H3、H4 剖面上的相邻测点之下，有速度降低。故推测该陷落柱在平面上以316～416 点为中心，边界不会超过其相邻测线。

陷落柱DX37：三维地震解释的DX37 平面位置较大，位于H3 线317～319 和Z18 线218～418、Z19 线219～419 之间。微动测线Z18、Z19 和H3 布置在其上方，三条剖面见图6。剖面上均未见明显陷落柱低速异常，但有弱低速异常LV2，其平面位置跟DX37 部分重合，提请注意。

陷落柱JX11：见图中剖面上在原解释的JX11位置，未见陷落柱低速异常，该陷落柱有可能偏到剖面线之外，也有可能不存在。

陷落柱WDX5：该陷落柱低速异常仅在322～422 点之间，相邻测线（Z21）基本未受影响。该陷落柱规模较小。其剖面解释如图7 所示。

图7 WDX5 陷落柱剖面及解释

3.2 平面成果及解释汇总

综合上述各剖面解释成果，各陷落柱主要特征见表2。

表2 微动探测陷落柱成果表

总体来看，3306 工作面陷落柱构造较为发育，主要集中分布于该工作面西北侧的H3、H4 两条测线上。工作面西南部（测线小号）的陷落柱（WDX1～3）规模较小，而东北部发育的陷落柱（WDX4、WDX6）规模相对较大。陷落柱平面形态似椭圆，长轴方向基本沿NE～N 向。3306 工作面回采通过（WDX4、WDX6）大规模陷落柱时，由于煤层破坏范围较大，造成巷道及工作面的稳定性维护困难，并导致采煤机无法正常截割，支架无法正常移架，严重影响3306 工作面的安全生产。

因此工作面过陷落柱时，必须保证陷落柱两边缘的顶板不能低于煤顶板。并在陷落柱区域采用化学预防性加固煤岩体、提前移架伸缩粱、支挑梁等超前加强维护，根据顶板及煤帮情况，凿眼及钻孔，注煤岩体加固材料。

4 结论

利用微动剖面分析解释3306 工作面的陷落柱构造，通过对纵横向微动剖面的逐条分析解释，得出对本区陷落柱构造发育规律的总体认识。区内陷落柱构造较为发育，微动探测新发现陷落柱6 个，验证地震解释陷落柱5 个，解释疑似陷落柱异常4个。测区内陷落柱主要集中分布于该工作面西北侧的H3、H4 两条测线上，工作面西南部（测线小号）的陷落柱（WDX1～3、5）规模较小，而东北部发育的陷落柱（WDX4、WDX6）规模相对较大，对3306 工作面的安全生产有较大的影响，需采取一定的措施保证工作面安全通过大规模陷落柱。探测获得的陷落柱平面分布情况对矿井安全生产具有指导意义和实用价值。