梁寶寺井田陷落柱分析

趙盾　趙鈞儒

摘要：介紹了梁寶寺井田陷落柱的特征，分析了梁寶寺井田陷落柱的產(chǎn)生機(jī)理，比較了山東省內(nèi)陷落柱與省外礦井陷落柱的異同，研究了其存在的可靠性，該分析成果為安全采掘防患于未然和開拓設(shè)計提供了可靠的地質(zhì)保障。

關(guān)鍵詞：陷落柱;可靠性;巖漿巖;地震勘探

巖溶陷落柱是煤礦安全生產(chǎn)的巨大隱患，對陷落柱的控制方法主要通過電磁法勘探、地震勘探特別是三維地震勘探控制，在華北地區(qū)廣泛存在。相對于山西、江蘇某些煤礦，在山東雖然不發(fā)育，但存在即有巨大的安全隱患，就應(yīng)該引起重視，以下就梁寶寺井田陷落柱發(fā)育的可靠性進(jìn)行分析說明。

1? ? 概況

梁寶寺井田位于山東省嘉祥縣，交通便利。屬于全隱蔽式煤田，煤系地層為華北型石炭二迭系含煤建造，主要可采煤層為山西組3煤層，煤質(zhì)優(yōu)良，有煤層分叉、合并和煤層沖刷現(xiàn)象，煤層埋藏南部淺北部深，煤層隱伏露頭在南部呈“裙邊狀”分布;共含煤27層，其中山西組含煤3層（2、3（3上）3下）;太原組含煤24層，平均總厚8.7m。井田內(nèi)有一中性巖漿巖侵入體，侵入太原組地層之中，厚度0～70m，對16、17煤層影響最大，呈侵入或吞蝕狀態(tài)，自井田東北部侵入，向西、向南侵入程度減弱，對16、17煤層及煤質(zhì)有不同程度的影響。

梁寶寺井田有梁寶寺一號井、梁寶寺二號井和宏陽煤礦。梁寶寺兩對礦井主要開采山西組3煤層，宏陽煤礦主要開采太原組煤層。三維地震資料解釋陷落柱的平面位置位于梁寶寺一號井南部和宏陽煤礦范圍內(nèi)[1-2]。

2? ? 陷落柱存在的依據(jù)及可靠性分析

2.1 地震資料的可靠性

梁寶寺井田地勢平坦，潛水面淺，淺層多為粘土，激發(fā)條件良好，新近系底界面與下伏煤系地層為不整合接觸關(guān)系，與下伏巖層物性差異較大，是良好的波阻抗界面，煤層與圍巖物性差異明顯，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的反射波，總體來說，地震地質(zhì)條件良好。為可靠解釋陷落柱奠定了基礎(chǔ)。

2.2 陷落柱在時間剖面與水平切片上反映清晰

陷落柱與斷層的解釋類似，以標(biāo)準(zhǔn)反射波為主要解釋對象，根據(jù)反射波同相軸振幅、波形特征、波組關(guān)系、時差等，在時間剖面上進(jìn)行對比解釋，確定斷陷點位置。該井田內(nèi)陷落特征為同相軸明顯中斷。時間剖面上兩側(cè)的同相軸連續(xù)，在距離斷陷點較近時有往陷落方向向下彎曲的現(xiàn)象，而內(nèi)側(cè)同相軸雜亂無章或整個波系下移，縱向上多個有效波斷陷點的連線為上小下大的“錐”形。在水平等時切片上呈現(xiàn)出陷落柱的基本形態(tài)，在沿層屬性切片上顯示出陷落柱在該層上的平面形態(tài)。

3? ? 梁寶寺井田陷落柱的特征

3.1 陷落柱的圈定

在時間剖面上先把縱向上各目的層反射波的斷陷點進(jìn)行圈定，并在另一方向的時間剖面上進(jìn)行斷陷線閉合，形成時空域的陷落柱的空間形態(tài)，再根據(jù)各相鄰時間剖面目的層反射波所確定的陷落點進(jìn)行連接，形成目的層平面上陷落柱形態(tài)。由于局部時間剖面會受障礙物影響品質(zhì)降低，綜合分析水平切片和屬性資料有助于還原陷落柱的真實空間形態(tài)。

3.2 梁寶寺井田陷落柱發(fā)育情況

陷落柱的規(guī)模主要表現(xiàn)在陷落柱的陷落高度、不同目的層上所涉及的范圍及平面局部地段發(fā)育的個數(shù)等方面，是對礦井生產(chǎn)影響最大的因素之一。

（1）梁寶寺南翼采區(qū)三維地震勘探面積10.12km2，范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)陷落柱4個，其中 X1發(fā)育規(guī)模較大。圖1a、圖1b時間剖面顯示中部三灰層及以下反射波波組陷落點反映清晰，陷落柱內(nèi)部有反射層，受此陷落柱影響，上部3煤層反射波有輕微下陷，說明陷落柱斷陷高度接近3煤層，在水平等時切片上有上小下大的的圈狀異常，連續(xù)的在順層方差切片上有明顯橢圓狀異常（見圖1c）

（2）梁寶寺二四采區(qū)西部三維地震勘探面積14.2km2，其范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)陷落柱或疑似陷落柱3個。WX1陷落柱位于西區(qū)南部3上煤層露頭附近，3煤層反射波沒有明顯的錯斷，僅產(chǎn)生了小的凹陷。3煤層上該陷落柱影響范圍較小。陷落柱的斷陷高度至新近系底界附近（見圖2）。

（3）宏陽煤礦首采區(qū)進(jìn)行了4.95km2三維地震，同時進(jìn)行了電法勘探，在互相沒有交流的情況下，三維地震（如圖3）與地面電法在同一位置解釋了陷落柱。根據(jù)電法資料，陷落柱在16煤層頂板灰?guī)r及奧陶系灰?guī)r含水層中均穿過富水異常區(qū)，推斷該陷落柱為局部含、導(dǎo)水陷落柱。綜合物探的解釋結(jié)果說明了陷落柱解釋的可靠性較高。

3.3 分布規(guī)律及原因分析

陷落柱主要分布于井田中南部，分布于巖漿巖侵入邊界之外，分析原因如下：

3.3.1 南部為給水區(qū)，奧灰含水量大

地下水徑流條件是陷落柱形成不可缺少的水動力因素[14]。從水力資源分析，井田內(nèi)劃分有6個主要含水層，從上至下依次是新近系砂礫層。二疊系砂巖、3煤頂、底板砂巖。太原組三灰、十下灰及中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r。在井田南部嘉祥城區(qū)附近奧灰?guī)r層出露于地表，為補(bǔ)給水區(qū)，奧陶紀(jì)灰?guī)r與太原組十下灰均為含水層，奧灰含水層的富水性強(qiáng)，補(bǔ)給較充沛，電磁法資料也顯示在梁寶寺井田南部富水性較強(qiáng)，較強(qiáng)的水力條件造成該井田南部陷落柱較北部發(fā)育。

3.3.2 與巖漿巖有關(guān)

梁寶寺井田內(nèi)有一中性巖漿巖侵入體，從梁寶寺井田鉆探資料及煤礦揭露情況分析，主要侵入太原組地層之中，對16、17煤層及煤質(zhì)均有不同程度的影響，僅在井田中北部巖漿巖巨厚區(qū)域部分以巖墻形式侵入到山西組地層中，勘探區(qū)及外圍鉆孔中僅有2個鉆孔揭露巖漿巖，從整個梁寶寺井田鉆孔揭露的侵入層位、深度、侵入體的層數(shù)、厚度等資料來看，巖漿是在煤系沉積之后的構(gòu)造運(yùn)動中，沿構(gòu)造裂隙帶上升，遇到煤層及其他軟弱巖層時順層侵入[3-5]。從井田內(nèi)揭露情況分析，巖漿巖北部厚，向南部逐漸變薄分叉直至消失。在南部巖漿巖侵入力量減弱，基本為沿層侵入，在無斷層的情況下形成“巖峰”的可能性不大。井田北部存在巨厚巖漿巖，巖層致密，雖然奧陶紀(jì)灰?guī)r中溶洞發(fā)育，厚層巖漿巖阻斷了其上部巖層的聯(lián)系，因此巖漿巖發(fā)育帶沒有發(fā)現(xiàn)陷落柱（圖4）。

3.3.3 分布規(guī)律

從不同目的層圈定的陷落柱在平面上的展布位置、陷落柱長軸展布方向及不同地段發(fā)育陷落柱的個數(shù)等因素綜合分析，該區(qū)陷落柱在中南部發(fā)育，發(fā)育無明顯規(guī)律。全區(qū)陷落柱的一個共同特點其長軸方向一般垂直地層走向。

3.4 可靠性分析

從三維地震時間剖面、水平等時切片及地震屬性資料來看，斷陷特征明顯，斷陷點錯斷干脆;從電法資料分析，視電阻率明顯變小。從陷落柱的形成條件分析，奧灰層上部的40～60m范圍內(nèi)發(fā)育有大量溶隙和溶洞，形成一個巖溶發(fā)育帶，為陷落柱形成的基礎(chǔ)，并提供了塌陷空間;梁寶寺井田南部奧灰層為富水層，井田南部奧陶系灰?guī)r出露地表，水源補(bǔ)給充分，有陷落柱形成的水動力條件。從以上幾個方面分析梁寶寺井田解釋的陷落柱為較可靠～可靠。

3.5 預(yù)測與建議

預(yù)計在宏陽煤礦還會有陷落柱存在，希望在礦井生產(chǎn)前做好勘探工作，基于該區(qū)奧灰層的導(dǎo)水性及含水性，建議進(jìn)行三維地震和電磁法綜合勘探工作。

4? ? 山東省內(nèi)陷落柱區(qū)別于其他地區(qū)的特點

在山西潞安、江蘇徐州等地陷落柱極為發(fā)育，一般與可溶性巖層、豐富的侵蝕性地下水、良好的地下水通道及排泄口有關(guān)，常呈串珠狀或散點狀發(fā)育，規(guī)模大小不等[6-11]。有的陷落柱直徑十幾米，而有的陷落柱長軸達(dá)數(shù)百米，嚴(yán)重影響著煤礦生產(chǎn)安全。淮南地區(qū)發(fā)現(xiàn)的多為寒武紀(jì)巖溶陷落柱，而華北地區(qū)多為奧陶紀(jì)巖溶陷落柱。見表1。

綜合山東省金橋煤礦、張集煤礦發(fā)現(xiàn)的陷落柱，山東省內(nèi)的陷落柱在多個礦區(qū)存在，也成為礦井生產(chǎn)的巨大安全隱患，從發(fā)現(xiàn)陷落柱幾個礦井的三維地震勘探資料來看，對于直徑30m以上的陷落柱基本能夠清晰反映，控制可靠，如果結(jié)合電磁法資料進(jìn)行綜合物探分析，陷落柱的含（導(dǎo)）水性將能夠得到有效控制，為礦井安全提供有力的技術(shù)保障。

魯西以至于整個華北石炭二疊紀(jì)煤田的該區(qū)陷落柱的發(fā)育規(guī)律及活動性分析，由于該區(qū)北部巖漿巖厚度較大，且近似層狀侵入到16煤層附近，阻斷了陷落柱的形成通道[12-14]。

5? ? 結(jié)論

綜合物探手段是確定陷落柱最有效的方法，對確定其可靠性意義重大，將提高控制程度，降低多解性。

山東省陷落柱相對較少，容易使得大家對它的危害性認(rèn)識不足，警惕程度不夠。從梁寶寺井田和山東其他礦井的資料及揭露情況分析，山東省的陷落柱也呈點狀存在，希望相關(guān)部門高度重視。

建議在存在陷落柱隱患的地區(qū)進(jìn)行地震與電磁法等綜合物探方法勘探，為礦井生產(chǎn)安全提供可靠地質(zhì)保障。

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