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(kāi)拓設(shè)計(jì)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(duì)陷落柱的控制方法主要通過(guò)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(duì)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(shuō)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(duì)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(duì)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(hào)井、梁寶寺二號(hào)井和宏陽(yáng)煤礦。梁寶寺兩對(duì)礦井主要開(kāi)采山西組3煤層，宏陽(yáng)煤礦主要開(kāi)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(hào)井南部和宏陽(yáng)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(shì)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(lái)說(shuō)，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(shí)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(duì)象，根據(jù)反射波同相軸振幅、波形特征、波組關(guān)系、時(shí)差等，在時(shí)間剖面上進(jìn)行對(duì)比解釋，確定斷陷點(diǎn)位置。該井田內(nèi)陷落特征為同相軸明顯中斷。時(shí)間剖面上兩側(cè)的同相軸連續(xù)，在距離斷陷點(diǎn)較近時(shí)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(wú)章或整個(gè)波系下移，縱向上多個(gè)有效波斷陷點(diǎn)的連線為上小下大的“錐”形。在水平等時(shí)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(shí)間剖面上先把縱向上各目的層反射波的斷陷點(diǎn)進(jìn)行圈定，并在另一方向的時(shí)間剖面上進(jìn)行斷陷線閉合，形成時(shí)空域的陷落柱的空間形態(tài)，再根據(jù)各相鄰時(shí)間剖面目的層反射波所確定的陷落點(diǎn)進(jìn)行連接，形成目的層平面上陷落柱形態(tài)。由于局部時(shí)間剖面會(huì)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(shí)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(gè)數(shù)等方面，是對(duì)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(gè)，其中 X1發(fā)育規(guī)模較大。圖1a、圖1b時(shí)間剖面顯示中部三灰層及以下反射波波組陷落點(diǎn)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(shuō)明陷落柱斷陷高度接近3煤層，在水平等時(shí)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(jiàn)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(gè)。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(méi)有明顯的錯(cuò)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(jiàn)圖2）。

（3）宏陽(yáng)煤礦首采區(qū)進(jìn)行了4.95km2三維地震，同時(shí)進(jìn)行了電法勘探，在互相沒(méi)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(guò)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(shuō)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(dòng)力因素[14]。從水力資源分析，井田內(nèi)劃分有6個(gè)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(duì)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(gè)鉆孔揭露巖漿巖，從整個(gè)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(lái)看，巖漿是在煤系沉積之后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，沿構(gòu)造裂隙帶上升，遇到煤層及其他軟弱巖層時(shí)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(wú)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(méi)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(zhǎng)軸展布方向及不同地段發(fā)育陷落柱的個(gè)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(wú)明顯規(guī)律。全區(qū)陷落柱的一個(gè)共同特點(diǎn)其長(zhǎng)軸方向一般垂直地層走向。

3.4 可靠性分析

從三維地震時(shí)間剖面、水平等時(shí)切片及地震屬性資料來(lái)看，斷陷特征明顯，斷陷點(diǎn)錯(cuò)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(gè)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(dòng)力條件。從以上幾個(gè)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(cè)與建議

預(yù)計(jì)在宏陽(yáng)煤礦還會(huì)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(diǎn)

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(diǎn)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(zhǎng)軸達(dá)數(shù)百米，嚴(yán)重影響著煤礦生產(chǎn)安全?；茨系貐^(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(jiàn)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(gè)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(gè)礦井的三維地震勘探資料來(lái)看，對(duì)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(gè)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(dòng)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(duì)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(duì)較少，容易使得大家對(duì)它的危害性認(rèn)識(shí)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(diǎn)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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