微動勘察對趙莊煤業礦3306 工作面陷落柱的探測與研究

申曉峰

（晉能控股煤業集團趙莊煤業有限責任公司，山西 長治 046605）

1 工程概況

趙莊煤業礦采區賦存奧陶系承壓水及多個陷落柱地質構造，掘進前期需對工作面前方各類含水、導水地質體的平面位置與影響深度進行準確探測。目前采用的構造探測技術為三維地震勘探解釋，該方法的準確度難以保證，根據采區3305 及3307 工作面順槽巷掘進揭露地質構造情況，三維地震勘探解釋的DX35 陷落柱比巷道揭露位置平面擺動誤差達80 多米。為準確查明趙莊煤業礦3006 工作面的陷落柱，采用微動勘察方法進行探測與研究[1-5]，為巷道掘進和安全生產提供具有指導作用和實用價值的地球物理資料。

為試驗微動方法探測趙莊煤業礦采區陷落柱的有效性，選定3306 工作面作為研究區域，如圖1。

圖1 測區范圍及微動工程布置

2 觀測系統及數據處理方法

2.1 觀測系統

野外數據采集工作是微動探測的最重要環節，數據質量的好壞直接影響到后續數據處理及成果質量。設計合理的觀測系統是野外數據采集的基礎。

圖2 為微動觀測系統示意圖。由放置于中心點和四個圓周上的13 臺儀器組成微動觀測臺陣。經試驗確定觀測半徑r1=30 m、r2=60 m、r3=120 m 和r4=240 m 可滿足探測深度要求。

圖2 微動觀測系統示意圖

實際施工時，每個微動觀測點采用單點獨立方式進行觀測。7 套儀器同時完成兩個觀測半徑的觀測，觀測完后將7 套儀器整體平移到另兩個觀測半徑的圓周上，按同樣方式進行觀測。

2.2 儀器及參數

采用日本地學數據分析研究所MTK-1C 型微動勘察儀系統。其主要性能指標見表1。記錄儀器的時間校正由記錄儀內置GPS 自動完成。

表1 微動觀測儀的主要性能指標

3 微動探測成果及解釋

3.1 剖面成果及解釋

圖3～6 為本次微動探測獲得的視S 波速度（Vx）剖面。橫坐標為距離（m），上方標出微動中心測點位置及編號，縱坐標為高程，不同速度用相應顏色表示，色標列于圖右側。該剖面由各微動中心點獲得的Vx～Z曲線經插值、光滑計算繪制而成。將反演獲得的Vs曲線疊合到Vx剖面上，以標定地質層位。圖中黑粗線為3 煤底板等高線。解釋的陷落柱及速度異常區在剖面圖上用不同線條畫出。

圖3 H3 橫剖面及解釋

在探測中，微動發現的陷落柱用WDX1～WDX6統一編號，三維地震解釋的陷落柱仍用原編號；陷落柱邊緣過渡帶，Vx值在1600～1700 m/s，剖面圖中用陷落柱邊緣（降速區）標出；不具備陷落柱低速異常的速度和形態特征、且與陷落柱過渡帶無關的弱低速異常，用LV 標出。

為敘述方便，把測區內微動剖面分為縱、橫向兩部分。橫向剖面為沿3306 工作面方向，由長剖面H1～H4 和為控制陷落柱DX35 布置的短剖面H5 共5 條；縱向剖面為垂直3306 工作面方向的Z1～Z29 共29 條。另有布置在JX9 陷落柱上的2 條垂直相交剖面。對發現陷落柱的剖面分別進行分析、解釋。

1）橫剖面及解釋

H3 剖面：如圖3，該剖面上發現兩個陷落柱。

陷落柱WDX2：在305 號測點下方出現的低速異常，解釋為陷落柱（WDX2）。與H3 相交的Z5剖面上，在305 點下方有顯著陷落柱低速異常，而在相距50 m 的Z4 剖面上，304 點下方呈弱低速，是典型的陷落柱邊緣降速效應。用Vx=1600 m/s 劃定該陷落柱邊界，剖面圖中用白色虛線畫出其邊界，其平面擺范圍可能在20 m 左右。在平面上WDX2呈半徑約35 m 的圓形。

陷落柱WDX6：測點324 下方的低速異常柱解釋為陷落柱（WDX6），其邊界用Vx=1600 m/s 劃定。

H4 剖面：如圖4，該剖面發現三個陷落柱。

圖4 H4 橫剖面及解釋

WDX1：位于402 點下方，根據剖面形態，用Vx≈1650 m/s 劃定其邊界，平面擺動約20 m。該陷落柱在Z2 剖面上的形態因H4 剖面以外缺少測點控制，推測其平面形態呈圓形，直徑約30 m。

WDX3：位于測點413 下方，根據剖面形態，用Vx≈1600 m/s 劃定其邊界，平面擺動約20 m。因為H4 剖面以外缺少測點控制，推測其平面形態呈圓形，直徑約30 m。

WDX6：位于424～425 測點之下，用Vx≈1600 m/s 劃定其邊界，平面擺動約20 m。該陷落柱在Z24、Z25 剖面上的形態見圖5。受該陷落柱影響，與其相鄰的Z23 和Z26 剖面分別在相應測點之下出現降速區，已在圖5 中標出。

圖5 Z23～Z26 橫剖面及解釋

H5 剖面：該剖面布置在三維地震解釋陷落柱DX35 之上。

陷落柱DX35：根據H5、Z6 和Z7 剖面低速異常特征綜合分析，確定DX35 邊界，其平面范圍比三維地震結果小，且偏于原位置的右下角。

2）縱剖面及解釋

陷落柱DX36：DX36 為地震解釋陷落柱。為與之對比，布置Z16 測線穿過該陷落柱，剖面見圖6。Z16 剖面上，DX36 下方僅見弱低速異常，解釋為陷落柱邊緣降速效應。因為僅兩個點控制其邊界，所以推測DX36 的邊界就在616 號測點附近，微動測線未控制其平面位置。平面成果圖中參考原平面位置畫出的DX36 僅供參考。

圖6 縱剖面及解釋

陷落柱WDX4：Z16 剖面上，316～416 之間出現的低速異常解釋為陷落柱WDX4。與其相鄰的Z15、Z17 和H3、H4 剖面上的相鄰測點之下，有速度降低。故推測該陷落柱在平面上以316～416 點為中心，邊界不會超過其相鄰測線。

陷落柱DX37：三維地震解釋的DX37 平面位置較大，位于H3 線317～319 和Z18 線218～418、Z19 線219～419 之間。微動測線Z18、Z19 和H3 布置在其上方，三條剖面見圖6。剖面上均未見明顯陷落柱低速異常，但有弱低速異常LV2，其平面位置跟DX37 部分重合，提請注意。

陷落柱JX11：見圖中剖面上在原解釋的JX11位置，未見陷落柱低速異常，該陷落柱有可能偏到剖面線之外，也有可能不存在。

陷落柱WDX5：該陷落柱低速異常僅在322～422 點之間，相鄰測線（Z21）基本未受影響。該陷落柱規模較小。其剖面解釋如圖7 所示。

圖7 WDX5 陷落柱剖面及解釋

3.2 平面成果及解釋匯總

綜合上述各剖面解釋成果，各陷落柱主要特征見表2。

表2 微動探測陷落柱成果表

總體來看，3306 工作面陷落柱構造較為發育，主要集中分布于該工作面西北側的H3、H4 兩條測線上。工作面西南部（測線小號）的陷落柱（WDX1～3）規模較小，而東北部發育的陷落柱（WDX4、WDX6）規模相對較大。陷落柱平面形態似橢圓，長軸方向基本沿NE～N 向。3306 工作面回采通過（WDX4、WDX6）大規模陷落柱時，由于煤層破壞范圍較大，造成巷道及工作面的穩定性維護困難，并導致采煤機無法正常截割，支架無法正常移架，嚴重影響3306 工作面的安全生產。

因此工作面過陷落柱時，必須保證陷落柱兩邊緣的頂板不能低于煤頂板。并在陷落柱區域采用化學預防性加固煤巖體、提前移架伸縮粱、支挑梁等超前加強維護，根據頂板及煤幫情況，鑿眼及鉆孔，注煤巖體加固材料。

4 結論

利用微動剖面分析解釋3306 工作面的陷落柱構造，通過對縱橫向微動剖面的逐條分析解釋，得出對本區陷落柱構造發育規律的總體認識。區內陷落柱構造較為發育，微動探測新發現陷落柱6 個，驗證地震解釋陷落柱5 個，解釋疑似陷落柱異常4個。測區內陷落柱主要集中分布于該工作面西北側的H3、H4 兩條測線上，工作面西南部（測線小號）的陷落柱（WDX1～3、5）規模較小，而東北部發育的陷落柱（WDX4、WDX6）規模相對較大，對3306 工作面的安全生產有較大的影響，需采取一定的措施保證工作面安全通過大規模陷落柱。探測獲得的陷落柱平面分布情況對礦井安全生產具有指導意義和實用價值。