陷落柱發育規律及其地球物理特征研究

許海濤，李永軍，康慶濤

（1.河北省礦井災害防治重點實驗室，河北 三河065201；2.華北科技學院安全工程學院，河北三河065201；3.中國礦業大學 （北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083）

在華北煤田中，陷落柱是影響煤礦建設和生產的重要地質因素之一[1]。陷落柱，煤炭系統又稱為無炭柱，是可溶性巖層在地下水強徑流作用下，經過漫長的歷史時期，被溶蝕形成空洞、孔隙或裂隙，隨著溶蝕作用加強，孔洞不斷增多、擴大，最終受重力和構造力影響，導致上部巖層失去支撐，垮塌陷落而形成的一種特殊地質構造[2－3]。巖溶陷落柱是影響我國一些煤礦正常采掘和安全生產的地質問題之一。它不僅破壞煤層，損失煤炭資源，給井巷工程的布置和施工增加困難，而且因其可能是良好的導水通道，使采掘場所與含水層溝通，對礦井的安全生產構成極大威脅[4－6]。趙莊二號井奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層厚度大富水性好，且主采煤層3＃煤層位于奧灰水位之下，處于帶壓開采狀態。井田內斷層、陷落柱地質構造較為發育，3＃主采煤層分布陷落柱共35個，陷落柱很可能成為奧陶系灰巖強含水層和含煤地層之間的聯系通道，存在嚴重的安全隱患。本文對井田內陷落柱發育規律及地球物理特征進行研究，為后續陷落柱的特征識別、開拓方案布局及治理措施制定提供地質參考依據。

1 發育規律

1.1 發育特征

1.1.1 形態特征

對趙莊二號井3＃煤層發育陷落柱統計分析，共分布陷落柱35個。從平面形狀分，陷落柱呈橢圓形的有24個，似圓形的有2個，長條形的有5個，不規則的有4個；從煤層位置的橫切面積上分，大于5000m2的大型陷落柱9個，500～5000m2的中型陷落柱19個，小于500m2的小型陷落柱7個，其中最大的DX16陷落柱橫截面積為19145m2；最大的長軸181m，最小的長軸27 m，長短軸之比在1.04∶1～5.2∶1之間，平均1.875∶1，長軸方向以NW向和NE向為主。

1.1.2 鉆探及井巷揭露特征

根據巷道掘進的臨時地質預報，從掘進揭露的陷落柱柱內充填情況看，柱內充填基質由較細至極細的巖屑、巖粉、粘粒組成，含量較高，通常＞60%，它們包裹著大大小小的巖塊，膠結緊密，不少大巖塊恰似懸浮在基質中，堆積物無分選，無層理顯示。柱內充填物具有泥礫結構，大小不一，棱角明顯，雜亂無章，泥質膠結[7－8]。

1.2 分布規律

1）沿正斷層及其次生的小斷層呈定向帶狀分布。當巖溶水強徑流帶方向與斷層、褶曲走向相同時，沿斷層走向尤其是沿斷裂帶及褶皺走向，就是陷落柱的發育帶，且具有定向帶狀分布的規律[2]。趙莊二號井陷落柱分布規律，呈現出沿莊頭正斷層和興旺莊正斷層、DF40正斷層呈定向帶狀分布的特點。

2）成群集中分布。趙莊二號井陷落柱分布和地質構造條件關系非常密切。如在不同構造體系的復合部位，斷裂發育，地下溶洞十分發育，陷落柱分布密度就大。在趙莊二號井表現為巖溶陷落柱大部分沿莊頭正斷層和興旺莊正斷層、DF40正斷層及其次生的小斷層附近分布，而在礦區的東北部和中南部，斷裂不發育的地方，陷落柱分布較少。

2 鉆孔測井曲線特征

為了進一步了解井田垂直裂隙的發育程度，評估陷落柱對井田裂隙發育的影響程度。對鉆井資料統計分析，依據陷落柱影響程度大，垂直裂隙發育程度比較大，影響小，垂直裂隙發育程度比較小的原則，將陷落柱影響程度分為嚴重、較嚴重、一般。本文選取陷落柱附近的4602、4603、4702三個鉆孔，統計裂隙發育累積厚度占揭露地層厚度的百分比（表2），三個鉆孔裂隙發育受陷落柱不同程度的影響。

為了找到鉆孔測井曲線特征與陷落柱發育之間的關系，截取三個鉆孔下石盒子組頂界面到3＃煤層底界面標段的測井曲線數值，繪制測井曲線對比圖。由圖1分析可知，隨著裂隙在基本層中發育的累積厚（高）度占揭露地層厚度的百分比的減?。ㄒ来问?602鉆孔、4603鉆孔、4702鉆孔），即陷落柱對地層裂隙發育影響程度的減小，自然伽馬值、體積密度值減小，而井徑、自然電位值增加。

3 陷落柱三維地震勘探特征

3.1 陷落柱三維地震勘探原理

高分辨率三維地震利用人工震源激發地震波，用地震儀器記錄穿過不同深度地層后反射回來的地震波信息，通過分析地震波傳播規律從而達到解決地質問題的目的，在煤礦地質構造探測中得到了廣泛的應用。由于斷層和陷落柱中地層的錯斷和沉降變化，使地震波產生錯動或紊亂，由此可以解釋地下構造特征，陷落柱柱體內是由塊度大小不均、排列雜亂無章的上部地層塌陷物膠結而成，與正常地層相比，在地層的連續性、產狀、巖性方面均有不同程度的差異，這些差異是形成異常地震波的基礎，也是解釋陷落柱的物理前提[9]。

表1 鉆探揭露陷落柱情況

表2 陷落柱對地層裂隙發育影響程度

圖1 鉆孔測井曲線對比圖

3.2 陷落柱兩側煤層反射彎曲特征

如圖2所示，為陷落柱DX17在時間剖面上的顯示，陷落柱兩側煤層存在反射彎曲現象，在其他礦區陷落柱勘探中有類似現象出現。究其原因，在于陷落柱中地層的錯斷和沉降變化，使地震波產生錯動或紊亂，陷落柱的頂部地層下沉，裂隙發育，密度和速度降低。而在陷落柱的內部，由于地層塌陷，速度和密度降低較為明顯。陷落柱兩側煤層存在的反射彎曲現象可以作為判斷陷落柱是否發育的表征之一。

3.3 煤層反射波短距離內錯斷特征

圖3為陷落柱DX16在時間剖面上的顯示，可以看到在陷落柱體內及其附近，煤層反射波短距離內呈現突然錯斷的現象。分析產生這種現象的原因：在陷落柱內，煤（巖）層的連續性遭到破壞，陷落柱體內地層與正常地層相比在連續性、產狀、巖性等方面存在很大的差異，異常地震波通常表現為反射波同相軸中斷、扭曲、極性轉變、產狀突變、振幅減弱等，伴隨有繞射波、延遲繞射波、側面波等出現。煤層反射波短距離內呈現的突然錯斷現象，可以作為判別某區域是否發育陷落柱的三維地震勘探特征之一。

圖2 DX17陷落柱在時間剖面上的顯示

圖3 DX16陷落柱在時間剖面上的顯示

4 結論

根據趙莊二號井已經發現的35個陷落柱，探討了陷落柱的分布特征和內部充填物質特征，研究了陷落柱的附近鉆孔測井曲線特征及陷落柱三維地震勘探特征。

1）陷落柱多分布在向斜軸部和斷層帶及其附近，常成群出現，具有分片分帶的特點；揭露的陷落柱柱內充填基質由較細至極細的巖屑、巖粉、粘粒組成，充填物具有泥礫結構、雜亂無章、泥質膠結。

2）隨著陷落柱對地層裂隙發育影響程度的減小，自然伽馬值、體積密度值減小，而井徑、自然電位值增加。

3）陷落柱三維地震勘探表現為兩側煤層存在反射彎曲現象、煤層反射波短距離內發生突然錯斷等特征。

4）對井田內陷落柱發育規律及地球物理特征研究成果，將為后續陷落柱探測工作提供地質參考依據。

[1]解奕煒，李俊杰，車燦輝.西山煤田陷落柱形成之主控因素分析[J].中國煤炭，2009，10：83－87.

[2]司淑平，馬建民，胡德西.煤系地層陷落柱成因機理與分布規律研究[J].斷塊油氣田，2001，8（2）：15－18.

[3]陳敬軼，姚軍朋，張子敏，等.晉城成莊煤礦陷落柱成因與差異升降運動[J].河南理工大學學報，2006，25（6）：465－468.

[4]張連福，龔世龍.陷落柱探查與綜合治理實踐[J].煤田地質與勘探，2003，31（6）：32－34.

[5]尹尚先，吳文金，李永軍，等.華北煤田巖溶陷落柱及其突水研究[M].北京：煤炭工業出版社，2008.

[6]許進鵬.陷落柱活化導水機理研究[D].青島：山東科技大學，2006.

[7]吳文金.巖溶陷落柱充填特征與堵導水分析[J].北京工業職業技術學院學報，2006，5（2）：106－109.

[8]楊為民，周治安，李智毅.巖溶陷落柱充填特征及活化導水分析[J].中國巖溶，2001，20（4）：279－283.

[9]楊武洋.煤礦陷落柱賦水特征的綜合物探探查原理與方法[J].采礦與安全工程學報，2013，30（1）：45－50.