孫 浩，李永軍，李 琛

(華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

巖溶陷落柱是我國華北煤田廣泛發(fā)育的一種極富區(qū)域特色的地質(zhì)現(xiàn)象。它既是巖溶洞穴塌陷的產(chǎn)物，也是煤系下伏可溶性巖層經(jīng)地下水強烈溶蝕后，形成較大的溶洞，在各種地質(zhì)因素作用下，引起上覆巖層的失穩(wěn)、塌陷，形成筒狀柱體，是巖溶引起的一種特殊地質(zhì)現(xiàn)象，因塌陷體的剖面形狀似一柱狀，故稱陷落柱[6-9]。陷落柱對煤礦采掘工程影響甚大，如造成資源的損失、工作面的布置及工作面頂板控制困難等，當巖溶陷落柱與含水層溝通時，還容易造成工作面采掘突水災(zāi)害[2]。

地球物理探測方法在礦井富水異常區(qū)位置的探測方面應(yīng)用前景非常廣泛，電法(包括瞬變電磁法和直流電法等)、磁法、地震法等在探測礦井富水區(qū)位置和范圍方面已得到廣泛應(yīng)用，取得了良好效果[1]。上述幾種物探方法在理論上均是可行的，而大量的工程實踐表明，由于物探方法的多解性，任何單一的物探方法都無法取得滿意的探測效果，為此，從不同角度進行相互驗證的綜合物探方法更具優(yōu)越性[4]。實踐證明，EH4法和SYT法的綜合探測在富水性和構(gòu)造探測方面可以取得較好的地質(zhì)效果。本文以EH4法和SYT法對葛亭煤礦可能存在的陷落柱導富水性探測為例[5]，說明綜合物探能夠降低探測結(jié)果的多解性，在探測陷落柱導富水性方面可取得良好的應(yīng)用效果。

1 煤礦概況

1.1 構(gòu)造

1.1.1 褶曲

礦井整體上為一構(gòu)造盆地，四周高、中間低，由于斷層切割，形態(tài)已不完整。地層傾角西部較緩，一般為4～15°；東部較陡。主要褶曲為南張向斜、東部的N6-9向斜及西部的S8-1向斜。

1.1.2 斷層

本區(qū)斷裂構(gòu)造帶因受緯向構(gòu)造帶和新華夏系構(gòu)造體系的控制，發(fā)育有近東西向和近南北向區(qū)域大斷層及北西向的次一級斷層。基于斷層的組合特征，使本區(qū)形成了“棋盤格”狀的構(gòu)造格局。由于上述斷層以東西向斷層形成較早，南北向及北西向斷層形成較晚，因而有東西向斷層多被近南北向及北西向斷層所切割的時間、層序規(guī)律。

1.1.3 巖漿巖

礦井東北部有燕山晚期較大規(guī)模的巖漿巖侵入體，鏡下鑒定為閃長玢巖，侵入太原組下部至山西組頂部地層之中, 從鉆孔所獲資料看其侵入層位、深度、侵入體的層數(shù)厚度均有較大變化。對3、16、17煤層的煤厚、煤質(zhì)均有不同程度影響。

1.2 主要含水層

葛亭煤礦南部以F11斷層與運河煤礦為界，西、北界均為奧灰隱伏露頭，為礦井的補給邊界，東界人為邊界距唐陽斷層1～2 km。南界F11斷層，落差65～400 m，南升北降，礦井內(nèi)各主要含水層與對盤奧灰對接，有可能成為本礦井補給水源。礦井的西部為奧灰隱伏露頭區(qū)，據(jù)西部奧灰抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量達0.622 L/s.m，為Ⅱ級中等富水區(qū)，為煤系各主要含水層的補給水源。

1.3 以往鉆探探查情況

葛亭煤礦現(xiàn)已查明和揭露多個巖溶陷落柱，并對四個陷落柱進行過鉆探探查，即X3、X4、X5、SX2陷落柱，其中X3疑似陷落柱鉆探無異常，可能不存在，其它三個均鉆探驗證為巖溶陷落柱，并確定出陷落柱發(fā)育的立體結(jié)構(gòu)，SX2陷落柱為相對含導水性陷落柱，其它均為無水陷落柱。

1.4 地球物理響應(yīng)特征

EH4方法主要通過分析電性場來分析地質(zhì)體的水文地質(zhì)情況，而SYT法則是通過相對地應(yīng)力分布情況，即巖體相對密實與疏松程度來分析地質(zhì)體的水文地質(zhì)情況。

從陷落柱電性場分析：由于陷落柱充填物主要以泥質(zhì)、泥砂質(zhì)物質(zhì)和水為主，密實的陷落柱一般情況下是顯低阻反映。陷落柱顯低阻反映并不能說明陷落柱富水或?qū)?。只有電阻率值非常低時，陷落柱才有可能富水，從地面較難以用電阻率法探測出陷落柱的強導富水性。對于充填物未壓實的，且不富水的陷落柱才顯高阻反映[1]。

從地應(yīng)力場分析：密實的陷落柱一般顯地應(yīng)力集中區(qū)，即顯高應(yīng)力異常，而發(fā)育于陷落柱影響帶的裂隙帶則是顯低應(yīng)力異常反映。對于相對未壓實的陷落柱則顯低應(yīng)力區(qū)，即相對疏松的部位。SYT顯示低應(yīng)力區(qū)且EH4顯示低阻，則此陷落柱相對富水或?qū)目赡苄暂^大。

2 陷落柱導富水性探查

2.1 地面物探工程布置

第一探測工區(qū)主要是探測1160采區(qū)16煤層中的陷落柱及其異常，分布在葛亭工業(yè)廣場西濟寧港寧紙業(yè)有限公司南部，210 m×270 m的方形區(qū)域。

第二探測工區(qū)也是探測1160采區(qū)16煤層中的陷落柱及其異常，分布在葛亭工業(yè)廣場西濟寧港寧紙業(yè)有限公司的東部，300 m×180 m的方形區(qū)域。

第三探測工區(qū)主要是探測3號煤層中的陷落柱及地質(zhì)異常，位于葛亭煤礦工業(yè)廣場矸石山南部，為175 m×570 m的長方形區(qū)域。

各工區(qū)特征參數(shù)如表1所示。測線測點布置如圖1所示。測點共為306個。

表1 各探查工區(qū)測線測點布置

圖1 探查工區(qū)一、二、三范圍及測點布置圖

圖2 工區(qū)一自上至下各層位切片圖

2.2 綜合探查結(jié)果

2.2.1 工區(qū)一探測成果綜合解釋

1) 工區(qū)一EH4探測成果推斷解釋

從-290 m、-340 m、-390 m的切片圖可見，低阻區(qū)域不斷減小，-390 m時幾乎消失。-290 m 基本已進入奧灰地層，陷落柱發(fā)源于奧灰地層，是在奧灰?guī)r溶發(fā)育的基本上經(jīng)過后期改造后形成的，巖溶在奧灰層中的發(fā)育，由淺向深有減小的趨勢。由圖2可見，在-390 m切片圖中幾乎巖溶不發(fā)育了，即本陷落柱發(fā)育的深度基本上在-400 m左右。

2) 工區(qū)一SYT探測成果推斷解釋

工區(qū)主采煤層為16號煤層，對于第一工區(qū)，16煤層底板標高為-220～-240 m左右，基巖面標高為-170 m左右，奧灰距16煤大約為60 m左右，則奧灰為-280至-300 m。

圖3是工區(qū)一(Y區(qū))的SYT地應(yīng)力沿深度方向切面圖，從圖中可以看出，16煤頂部的-110 m、-160 m，在SX1范圍內(nèi)地應(yīng)力較低，特別是-160 m深度切面，基本為藍色低值區(qū)，這與松散層的分布有關(guān)。-200 m已進入基巖層，切片圖中明顯地應(yīng)力相對增大。

在16煤深度切面(-240 m)及奧灰頂部(-290 m)，在陷落柱區(qū)域內(nèi)，存在低值區(qū)，巖體相對破碎。到了-340水平及以下，基本為地應(yīng)力高值區(qū)。在探測區(qū)的東北部各深度切面都有一低值區(qū)，可能與斷層的發(fā)育有關(guān)，可以為一個深部水導到煤系地層的導水通道。

圖3 工區(qū)一(Y區(qū))地應(yīng)力等值線圖(SYT)

圖4 工區(qū)一(Y區(qū))低值異常區(qū)分布圖

3) 工區(qū)一綜合探測成果分析

從圖2可知，電阻率低值區(qū)主要分布于工區(qū)的西面部，即上圖中藍線區(qū)域。而SYT探測成果中的地應(yīng)力低阻區(qū)主要有兩個區(qū)塊，如圖4中綠線圈定的SYT1、SYT2所示。兩種方法低值區(qū)域重合部位如上圖中的粉色線所圈定的區(qū)域，即為富水性異常區(qū)。

從兩種方法探測成果看，由EH4探測結(jié)果在富水性異常區(qū)稍呈低阻反應(yīng)，而SYT區(qū)域最低值區(qū)也不在富水性異常區(qū)范圍內(nèi)，從兩種方法各層位低值異常區(qū)分布情況看，此富水異常區(qū)可能為弱富水性的異常區(qū)，有導通下部灰?guī)r水的可能性。即 SX1陷落柱為弱富水性陷落柱，具有一定的導水性。SYT探測成果低阻異常區(qū)為陷落柱在采動影響下最易“活化”的部位。

2.2.2 工區(qū)二探測成果綜合解釋

由富水性異常區(qū)富水特征(圖5、6)可得出SX2及SX3陷落柱的如下結(jié)論：

圖6 富水性異常區(qū)分布圖

從兩種方法探測成果看，由EH4探測結(jié)果在富水性異常區(qū)稍呈低阻反應(yīng)，而SYT區(qū)域最低值區(qū)也不在富水性異常區(qū)范圍內(nèi)，從兩種方法各層位低值異常區(qū)分布情況看，此富水異常區(qū)可能為弱富水性的異常區(qū)，有導通下部灰?guī)r水的可能性。即SX2為弱水性陷落柱，具有一定的導水性，與鉆探探查情況相符。SX3陷落柱在SYT3地應(yīng)力低值異常區(qū)范圍內(nèi)，說明此陷落柱在采動影響下最易“活化”。

2.2.3 工區(qū)三探測成果綜合解釋

由富水性異常區(qū)富水特征(圖7、8)可得出X3、X4及X5陷落柱的如下結(jié)論：

圖7 SYT及EH4低阻異常區(qū)分布圖

圖8 富水性異常區(qū)分布圖

從兩種方法探測成果看，由EH4探測結(jié)果在富水性異常區(qū)稍呈低阻反應(yīng)，而SYT區(qū)域最低值區(qū)也不在富水性異常區(qū)范圍內(nèi)，從兩種方法各層位低值異常區(qū)分布情況看，此富水異常區(qū)在-800m以下富水的可能性較大，且為弱富水。對3#煤層的開采影響不大。

X4陷落柱在SYT3地應(yīng)力低值異常區(qū)范圍內(nèi)，富水的可能性不大。X5范圍較小，基本位于高值區(qū)，不富水。

3 結(jié)論

通過EH4法和SYT法兩種方法的綜合探測，降低了探測結(jié)果的多解性，總結(jié)兩種方法的探測成果，可得到如下結(jié)論：

1) 在原X3陷落柱分布范圍內(nèi)，并不存在陷落柱。分析有斷層位于該處，可能含有弱富砂巖裂隙水。該區(qū)域東南部在-800 m以下具有導通奧灰水的可能性，但對3#煤層的開采影響不大。

2) X4陷落柱壓實程度較高，其上部層位相對破碎，但不富水，在煤系地層導富水的可能性小，采掘活動基本不會造成陷落柱的活化。

3) X5陷落柱規(guī)模較小，且物探方法存在體效應(yīng)，使此陷落柱反映不明顯。從EH4及SYT探測成果看，此陷落柱富水及導水的可能性較小。

4) SX1、SX2、SX3陷落柱為弱富水性陷落柱，具有一定的導水性。陷落柱在采動影響下易于在SYT所圈定的異常內(nèi)范圍內(nèi)易“活化”導水。

[1] 閆長斌，徐國元 . 綜合物探方法及其在復(fù)雜群采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J]. 湖南科技大學學報，2005， 20(3) : 10-14.

[2] 程紹強，李永軍，李小明. 工作面底板巖層富水性的綜合探測[J].華北科技學院學報，2013,10(3)：4-7.

[3] 趙慶彪，程建遠，杜丙申，等，東龐礦突水陷落柱綜合探查技術(shù)[J]. 煤炭科學技術(shù)，2008,36(8)：96-100.

[4] 郭達志，盛業(yè)華，金學林，等，巖溶陷落柱綜合探測的基本原理與方法[J].煤炭學報，1994,19(6)：626-633.

[5] 張同俊. 葛亭煤礦陷落柱發(fā)育規(guī)律及富水性特征[J].煤炭科學技術(shù)，2010,38(2)：93-96.

[6] 尹尚先，武強，王尚旭.華北煤礦區(qū)巖溶陷落柱特征及成因探討[J].巖石力學與工程學報，2004,23(1)：120-123.

[7] 虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].北京: 煤炭工業(yè)出版社,2005．

[8] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦防治水規(guī)定[S]．北京:煤炭工業(yè)出版社，2009．

[9] 劉國林，潘懋，尹尚先．華北型煤田巖溶陷落柱導水性研究[J]．中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2009，5(2).

[10] 尹尚先，武強，王尚旭.華北煤礦區(qū)巖溶陷落柱特征及成因探討[J]．巖石力學與工程學報，2004，23(1)：120-123.