礦井陷落柱構造震電聯合探測與識別應用研究

彭洪濤

（潞安集團 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103）

0 引 言

煤礦隱蔽致災體探測準確度和有效性是綜合地球物理勘探技術的發(fā)展趨勢，特別是對小構造等地質異常體的精確定位，是探查的難點。隨著煤田探測手段和方法的不斷發(fā)展，綜合探測方法和手段越來越多的應用于煤田隱蔽致災體的探測中，多種方法的綜合解釋與相互驗證，使得地質構造解釋的準確度得到了提高。煤田地震勘探技術對于煤田的斷層構造特別是小構造的反映比較敏感，而瞬變電磁法探測對于構造內含水情況比較敏感。震電聯合探測方法可以利用三維地震勘探確定出隱蔽斷層構造的位置和空間參數，再利用瞬變電磁法探測確定主要斷層構造的富水性，從而對影響礦井安全的地質因素進行綜合分析與確定，有效避免了單一探測方法的解釋位置有偏差的問題，提高了小構造解釋的有效性和準確性。礦井中震電組合探測主要應用于礦井內構造比較大、復雜的地段，而對小構造的探測及其敏感度的識別上還存在著一定問題。例如三維地震確定了小構造的范圍和空間參數，而多種小構造的組合識別還存在著不完善的確定方法。瞬變電磁探測結果主要反映的是體積效應，而小構造探測需要精確確定地質體的邊界位置，如何通過視電阻率的分析確定其邊界成為有效探測含水構造的難點。

針對震電聯合探測中的重點和難點問題，以余吾煤礦的南五采區(qū)地面三維地震勘探和瞬變電磁探測數據為基礎，針對該礦礦井地質、水文地質特征，分別采用三維地震和瞬變電磁聯合探測方法，利用地震數據解釋地質構造體，結合瞬變電磁探測對含、富水性敏感的特性，解釋含、富水性構造，對主要的陷落柱構造進行了綜合識別，解釋的效果好，探測精度高。

1 礦井地質概況

山西省余吾煤礦隸屬于潞安集團，主采3 號和15 號煤層，平均煤厚分別為6.00 m 和1.55 m。礦井全區(qū)為掩蓋區(qū)，依據鉆孔揭露，主要地層為奧陶系、石炭系、二疊系及第四系。井田內發(fā)育有規(guī)模大小不等的背斜、斷層和陷落柱構造，屬于中等復雜程度，特別是在背斜軸部構造發(fā)育密度大，規(guī)模不等。

2 綜合探測勘探方法

依據淺表層和深層地質存在的地球物理參數變化特征，南五采區(qū)采用地面三維地震勘探和瞬變電磁聯合勘探方式。利用三維地震對構造特別是對于小斷層構造敏感的特性，通過地震時間剖面和地震屬性特征易于識別小斷層的空間分布特征。同時，利用瞬變電磁法對對應構造的含水性及其富水特征敏感特性，對識別的構造富水性進行綜合確定。

2.1 三維地震勘探

陷落柱的探測和識別主要依據三維地震勘探取得的數據，利用三維數據體進行縱、橫疊加時間剖面上識別，總體表現為煤層或者煤層組反射波波組中斷，同相軸發(fā)生扭曲、突變，反射波組發(fā)生分叉、合并和圈閉現象，繞射波或其反射波組振幅發(fā)生突變，“倒漏斗”半圈閉形態(tài)等特征。

三維地震數據采集采用5 m×10 m（CDP） 網格的8 線8 炮束狀觀測系統(tǒng)，高頻帶數字檢波器，中間點10～16 m 深鉆孔炸藥激發(fā)方式；428UL 數字地震儀接收系統(tǒng)，0.5 ms 的采樣間隔，1.0 s 的記錄長度。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁是利用時間域電磁感應原理，通過感應二次場的變化反演出地下地質體空間分布特征的一種勘探方法。該方法對地下低阻異常體探測競速高，采用大定源回線裝置進行測量，如圖1 所示。

圖1 大定源回線裝置測量方式示意圖Fig.1 Measuring method of large fixed source return line device

野外數據采集采用TerraTEM 瞬變電磁測量系統(tǒng)，Terra TX-50 大功率發(fā)射機，采樣率每道500 KHz，固定；接收發(fā)射線圈電阻、發(fā)射電流、關斷時間、電池電壓、自動增益調節(jié)、位移標定等測量內容；實驗參數有發(fā)射線框840 m×840 m、720 m×720 m 的正方形框；發(fā)射頻率25、6.25 和2.5 Hz；增益64、100 和1 000 db 時間序列。確定發(fā)射頻率確定為6.25 Hz，增益為100 db，發(fā)射邊長840 m×840 m。

3 具體應用

3.1 陷落柱地震識別技術

陷落柱的精細識別重點需要識別出陷落點位置，一般認為在地震時間剖面上會出現反射波或反射波組同相軸出現終止、扭曲或產狀突變、分叉合并和圈閉現象或者出現相位轉換、振幅突變繞射波、衍射波、散射波等特征波，都是識別陷落柱位置的識別標準。陷落柱在疊加時間剖面的反映如圖2 所示。

圖2 陷落柱在疊加時間剖面的反映Fig.2 The reflection of collapse column in superimposed time profile

三維地震數據體中包含了大量的地震屬性信息，通過已知陷落柱的地震勘探數據驗證信息，可優(yōu)選出此次識別陷落柱構造的敏感性地震屬性，主要應用三維地震數據中的順層能量、順層方差、相干屬性、最小曲率屬性等基本屬性信息在水平切片圖中陷落柱的特點，進行綜合識別與確定。

綜合解釋的陷落柱X32 平面圖上呈不規(guī)則橢圓形，空間形態(tài)表現為反漏斗狀特征。識別出該陷落柱為長160 m、寬110 m 的近橢圓形。識別標志有疊加時間剖面（圖3a） 反映出陷落柱邊界處煤層及巖層的產狀變化較大；偏移時間剖面（圖3b）反映出陷落柱邊界處出現煤層反射波中斷、分叉；地震相干平面圖（圖3c） 反映出陷落柱X32 比較規(guī)整的相干能量團圈閉現象；地震水平切片平面圖（圖3d） 表明陷落柱X32 呈現比較規(guī)整的能量團圈閉內外的能量突變特征。

圖3 陷落柱X32 在疊加時間剖面（a）、偏移時間剖面（b）、相干切片（c） 和能量切片（d） 的反映Fig.3 The reflection of collapse column in superimposed time profile（a），offset time profile(b)，coherent slice(c)and energy slice(d)

3.2 陷落柱瞬變電磁解釋

瞬變電磁采集的數據，經過精細處理、專業(yè)軟件的綜合解釋，得到數據體內各測線視電阻率擬斷面圖，結合處理后的視電阻率變化等特征，識別陷落柱位置及其富水性特征。

圖4為電阻率反演斷面圖，可看出X32 陷落柱邊界位置地段視電阻率值線扭曲、變形，幅值低于圍巖，推斷X32 陷落柱為含水構造。

圖4 陷落柱X32 的視電阻率反演斷面圖Fig.4 Inversion cross section of apparent resistivity of collapse column X32

3.3 陷落柱X32 綜合解釋

為判定X32 陷落柱的含、導水性，將相應地段各含水異常范圍進行疊置，依據主要可采煤層、電法探測標志層間距等參數，將各層位富水區(qū)疊置在3 煤層底板構造上，繪制綜合水文地質剖面圖，如圖5 所示。

圖5 陷落柱X32 綜合水文地質剖面圖Fig.5 Comprehensive hydrogeological profile of collapse column X32

4 結 論

煤礦井陷落柱構造成為影響礦井安全生產重要的地質因素，為準確、有效、精細確定余吾煤礦的南五采區(qū)陷落柱構造空間位置和富水性特征，采用三維地震和瞬變電磁聯合探測方式進行綜合分析、解釋，效果明顯。

（1） 三維地震勘探具有對陷落柱構造邊界反映靈敏的特點，通過三維地震時間平、剖面和三維地震屬性識別技術，確定了陷落柱的空間分布特征。

（2） 利用地面瞬變電磁探測數據對含水性構造敏感特性，確定了陷落柱及其周邊空間分布特征的同時，對周邊含水層、陷落柱構造與各含水層之間的空間分布關系進行綜合確定與評價。

（3） 綜合探測結果表明，三維地震數據體對陷落柱構造邊界敏感，瞬變電磁探測可分析評價構造的含、富水性。