陷落柱綜合探查技術研究

摘要：為進一步查清張集煤礦工作面陷落柱形態、發育范圍及特征，為陷落柱治理提供依據，利用瞬變電磁、可控源音頻大地電磁測深、三維地震、地質鉆探等綜合探查技術手段基本探明了陷落柱的發育位置及范圍。綜合物探和基于地面定向水平鉆可以有效探測出陷落柱發育范圍及其富水性并相互驗證，為其他類似構造綜合探查提供了很好的借鑒意義。

關鍵詞：瞬變電磁；三維地震；地質鉆探；陷落柱

中圖分類號：P631.325""" 文獻標識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.04.008

0 引言

巖溶陷落柱是北方型石炭-二疊紀煤田的一種特殊巖溶塌陷，以巖石中空洞發育為基礎，經過地下水的強烈交替，巖體自身重力、地應力集中以及溶洞內的真空負壓三重作用為動力，經過迅速垮落、間歇溶蝕、塌陷、冒落等重復過程，逐步形成［1］。陷落柱破壞可采煤層，減少煤炭儲量，造成井巷維護困難，影響采煤工作的正常進行，降低了生產效率，另外陷落柱導致的突水具有隱蔽性，突發性，容易導通豐富的巖溶地下水，對礦井安全生產威脅較大。本文通過物探解譯、鉆探驗證多種方法，對陷落柱進行綜合探查，為該類型地質異常體的探查提供指導［2］。

1 研究區地質概況

張集煤礦屬于新投產礦井，設計生產能力為每年120萬t，井田總體構造形態為一傾向N的單斜構造，未見巖漿巖，斷裂構造較為發育，主要發育有近EW向、NE向和NW向3組斷層，斷層延展較長，但落差變化不大（圖1）；井田內通過鉆探工程揭露的地層由老到新有：奧陶紀馬家溝群，石炭二疊紀月門溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀石盒子群、古近系、新近系及第四系。主要含煤地層為石炭二疊紀月門溝群太原組和二疊紀月門溝群山西組［34］。

太原組鉆孔揭露厚度154.70～201.40 m，平均173.75 m。巖性為灰色及深灰色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖夾細粒砂巖、多層石灰巖及煤層。太原組是重要的含煤地層，賦存區大部可采、局部可采煤層4層（12下、16上、17和18上煤層）。

本組為海陸交互相沉積，厚度穩定。與下伏本溪組連續沉積，整合接觸。

山西組揭露厚度厚58.90～115.00 m，平均81.08 m。巖性為灰、灰白色砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖和煤層，含植物莖葉碎片及根化石。該組含3層可采或局部可采煤層，即3上和3下、3下2煤層。主采2煤、3煤，主采煤層平均厚度3.09 m，賦存穩定性高。

根據三維地震勘探解釋，3號異常區可能為陷落柱，長軸約172 m，短軸約108 m，形狀為近橢圓形。設計了1個主孔（T3）、5個分支孔定向鉆孔（T31、T32、T33、T34和T35），對疑似陷落柱邊界進行探查驗證，同時結合瞬變電磁與可控源音頻大地電磁測深技術對疑似陷落柱進行綜合探查分析，查明陷落柱的空間位置和范圍。

2 地球物理特征

該區地層電性差異明顯，煤系地層（山西組與太原組）的平均電阻率值比上覆地層的電阻率值高一到兩個級次，構成一個電性層；煤系地層基底奧陶紀灰巖電阻率最高，構成本區又一良好的電性標志層；充水的巖石破碎帶，電阻率明顯低于圍巖的電阻率，電性標志明顯。陷落柱也會隨其發育程度與圍巖形成明顯電性差異［5］，通常，當煤層存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌和富集水的采空區時，視電阻率值會發生急劇變化，與圍巖電阻率值相比，含水巖層會表現低電阻率特性。如果巖層中的陷落柱不富水，由于內部巖石松散，巖石破碎，通常表現為相對高阻特性。以上電性差異為瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法勘查提供了充分的物性基礎，據此可對區內斷層、陷落柱等構造進行探測并作出解釋推斷［67］。

相對一般地層，陷落柱一般在地震時間剖面上的特征比較明顯，主要表現為反射波的連續性、產狀、能量、頻率等方面存在較大的差異，會出現反射波同相軸的錯斷或消失、產狀的扭曲、同相軸的分叉合并、正負相位的反轉等現象，這些異常可作為識別和判定陷落柱范圍及大小的依據［810］。

3 綜合探查技術

3.1 工作部署

本項目擬采用澳大利亞EMIT公司SM24瞬變電磁系統，對地質異常區擬布設測線20條，根據鄰區工作經驗，結合本區探測深度，其發射框的邊長初步選為600 m×600 m；經過數據反演轉換繪制各剖面的視電阻率斷面圖。根據電阻率的變化，推測陷落柱發育情況。擬使用加拿大鳳凰公司的地球物理電磁觀測系統V8多功能電法儀，采用大功率發射機30 kW，發射頻率系列為0.25～2 560 Hz，發射偶極長度為1.5 km，收發距為13～14 km，低頻發射電流達到20 A，擬布設測線2條，對地質異常區進行控制，驗證三維地震勘探圈定疑似陷落柱的有效性。本次勘控測量采用GPS（RTK）測量模式作業，本區在原有基本控制點的基礎上，在測區布置二級控制點5個，建立相對坐標系，對炮點和檢波點統一編號，布置地震測線10束，采用12線12炮制束狀三維觀測系統，勘探面積為5.6 km2，對資料進行解釋處理，查明地質構造和主采煤層的賦存情況。

3.2 瞬變電磁法

采用澳大利亞EMIT公司的SM24瞬變電磁系統。在發送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向發射回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流，其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡（衰減）過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向地質體內傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況［1113］。

采用布設大線圈作為發射線框，在發射回線內部，使用接收探頭接收電磁信號，大定源回線裝置受地面物體影響較小，只布設大線框就可以測量線框內部很多點，能夠在完成地質任務的前提下，提高工作效率。

瞬變電磁試驗主要確定線框大小、發射頻率、發射電流、延遲時間和疊加次數等參數。線框選擇越大，電阻越大，發射電流越小，而且干擾也越大；線框選擇越小，勘探深度越小。根據本次工作的地質任務和以往同類型地區工作經驗，本次試驗工作預設發射框大小為600 m×600 m正方形框（此時發射電流在5.0 A左右），采樣頻率選擇0.83 Hz、1 Hz、1.562 5 Hz、2.5 Hz和3.25 Hz進行試驗，通過對比可以得出，當頻率為1.0 Hz時衰減曲線效果最好；線框選用600 m×600 m時，延遲選用400 ms最匹配，疊加次數選用64時，效果較好，效率最高。

從3煤視電阻率順層切片視電阻率低阻異常分布圖（圖2）中可以看出，在陷落柱分布的范圍內視電阻率整體較高。分析Y11、Y12為充水的巖石破碎帶，電阻率明顯低于圍巖的電阻率，劃分此處2處低阻異常區，范圍小、上下無明顯聯系，可以確定其低阻異常應由于陷落柱內巖性雜亂，低阻巖石或地層引起，或局部少量含水引起，陷落柱本身不含水、不導水。推斷Y11及Y12號低阻異常區為陷落柱發育區域造成的。從三灰視電阻率順層切片視電阻率低阻異常分布圖（圖3）中可以看出，勘探區內北部視電阻率整體較高，南部相對較低，在陷落柱分布的范圍內僅局部存在視電阻率較低的區域。共劃分6處低阻異常區，范圍小，上下無明顯聯系，可以確定其低阻異常應由于陷落柱內巖性雜亂，由低阻巖石或地層引起，或局部少量含水引起，陷落柱本身不含水、不導水，推測Y21～Y26號低阻異常區為陷落柱發育區域造成的。

3.3 可控源音頻大地電磁測深法

本次CSAMT工作使用的設備是加拿大鳳凰公司的地球物理電磁觀測系統V8電法工作站（多功能電法儀）。該產品接收機之間無需電纜連接，在野外工作中，場地選擇和儀器擺放也非常靈活。

本次可控源音頻大地電磁工作共完成C1、C2 2條測線，通過數據編輯，剔除明顯的干擾點和近場校正，對存在靜態影響的數據進行靜態校正及空間濾波，再經過數據反演轉換繪制了各剖面的視電阻率斷面圖。橫坐標為點號，縱坐標為標高，藍色到紅色的過渡表示視電阻率由低到高的變化情況。

C1線橫向200～320 m，縱向800 m～2 000 m，C2線橫向260～360 m，縱向800 m～2 000 m，兩處范圍內的視電阻率數值對于同層位而言相對較高，陷落柱在測線上反應較明顯（圖4）。推斷其富水性整體較差，局部富水性一般。

3.4 三維地震法

三維地震采集是一種利用檢波點網格與炮點網格的合理組合的面積采集技術，可以獲取均勻分布的地下數據點網格和覆蓋次數［1416］。為進一步查明井田采區煤系地層的地質構造和主采煤層的賦存情況，滿足礦井開拓設計及煤礦生產要求，對采區進行了三維地震勘探。

淺層反射地震勘探結果顯示，當地層連續時，地層反射具有較強的反射能量，當反射波同相軸數量發生變化，出現不連續、空白信號及信號凌亂現象時，可推斷為異常區域，延遲繞射波出現，并在疊加數據體上反應明顯；反射波動力學特征突變，表現為振幅減弱，波形變化無規律，相位不連續等［1718］。

本次野外數據采集擬采用12線12炮制束狀三維觀測系統，排列方式為12線12炮（對稱中間激發），接收道數為12×72=864道，接收線距為60 m，接收道距為20 m，最小非縱距為10 m，最大非縱距為450 m，最大炮檢距為849.05 m，炮線網格為20 m（橫向）×120 m（縱向），CDP間隔為10 m（橫向）×10 m（縱向），覆蓋次數為6次（縱向）×4次（橫向）。地震數據處理使用DELL集群上進行的，采用初至折射靜校正、常規保幅處理、常規疊加、疊前時間偏移多種手段組合使用，完成了全部的處理任務（圖5）［19］。

T3波以3煤層為主形成的反射波，由一強、一弱2個相位組成，其主頻約為65～75 Hz，全區可連續追蹤，是3煤層及構造解釋的主要依據。在時間剖面上T3反射波反應明顯，T3反射波突然消失，疑似陷落柱位置出現了一定范圍發射波條帶空白區域，反射波終止，形成環狀異常帶，T10波連續性也較差，根據一致陷落柱的波形波組特征分析，推測異常區為陷落柱。

3.5 鉆探與測井

根據以往資料顯示，該井田內含煤地層沉積穩定，巖性組合及地球物理特征規律明顯，煤層、標志層自身特征顯著。因此采用標志層、層間距、巖性特征等進行鉆孔煤層對比［2021］。

主孔T3施工后，終孔層位太原組。根據巖心資料及測井資料分析得出，T3主孔在井深941.47 m左右取心見陷落柱，取心內充填物巖性混雜、層位混亂、雜亂無章，形狀極不規則，大小不一，棱角明顯，多被泥質、鈣質、鐵質和硅質充填膠結，符合陷落柱的特征。結合測井資料分析，陷落柱的導電性比泥巖差，電阻率變化范圍在40～260 Ω·m之間，以低阻為主，高幅值異常出現頻率較低，總體電阻率反映低于圍巖，正常地層巖性層次清楚，孔壁平整，孔徑變化范圍在180～190 mm之間；鉆遇到陷落柱時，孔壁起伏，巖性無層次，孔徑在160～225 mm之間變化，變化范圍較大（圖6）。

根據5個分支施工孔鉆井施工和物探資料分析，異常區層位為山西組和太原組，通過本區測井資料發現，鉆進山西組和太原組時自然伽馬值一般小于130 API，鉆進至陷落柱區域時伽馬值突然增大到260～450 API之間；陷落柱范圍內伽馬值在23～450 API之間寬幅震蕩，起伏較大，可以判斷此處地層存在異常。該區域地層層序穩定，通過5個分支井的施工，結合測井數據地層間距對比分析，測定陷落柱邊界距離主孔的距離，可以圈定3上煤、3下煤（以T3主孔揭露標高為標定）平面上的陷落柱范圍。根據分支孔煤層重復落差情況對比，巖性特征、標志層、層間距等綜合分析，結合三維地震勘探資料與波形波組特征，陷落柱位于測區西北部，3上煤（T3主孔揭露深度853.23 m）陷落柱剖面陷落柱范圍東西向約61 m，南北向約29 m，3下煤（T3主孔揭露深度867.43 m）陷落柱剖面陷落柱范圍東西向約70 m，南北向約46.6 m。

4 結論

（1）通過綜合瞬變電磁、可控源音頻大地電磁測深、三維地震、測井和鉆探等多種探查手段，圈出了巖溶溶洞及塌陷區的分布范圍及空間分布形態。認為該陷落柱為一個EW向發育的橢球狀陷落柱，3上煤（T3主孔揭露深度853.23 m）陷落柱剖面陷落柱范圍東西向約61 m，南北向約29 m，3下煤（T3主孔揭露深度867.43 m）陷落柱剖面陷落柱范圍東西向約70 m，南北向約46.6 m，由于陷落柱形態的特殊性，建議根據圈定范圍合理留設保安煤柱。

（2）實踐證明，綜合探查技術鉆探、物探方法相互印證，互相補充，揭露了3號異常區范圍水文地質情況，為礦區的陷落柱研究提供鉆探技術支撐，提高了地質解譯的精度，不同地區、不同地質條件還可以采用不同的勘探方法組合，對類似地質異常探查具有較好的借鑒意義。

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Study on Comprehensive Exploration Technology of Collapse Column

Abstract： In order to further clarify the morphology， development range and characteristics of the collapse column in the working face， and provide a basis for the governance of collapsed column， by using transient electromagnetic， controlled source audio-frequency electromagnetic sounding， 3D seismic and geological drilling， development position and range of the collapse column have been clarified. Integrated geophysics and ground-based directional horizontal drilling can effectively detect the development range and water richness， and" of the collapse column. It will provide a good reference for comprehensive exploration of other similar structures.

Key words：Transient electromagnetic; 3D seismic; geological drilling; collapse column