梁宝寺井田陷落柱分析

赵盾赵君如

摘要:介绍了梁宝寺井田陷落柱的特征，分析了梁宝寺井田陷落柱的形成机理，比较了山东省陷落柱与其他矿井陷落柱的异同，研究了其存在的可靠性。分析结果为安全开采和开拓设计提供了可靠的地质保障。

关键词:崩柱；可靠性；岩浆岩；地震勘探

岩溶陷落柱是煤矿安全生产的巨大隐患。陷落柱的治理方法主要是通过电磁勘探、地震勘探，尤其是三维地震勘探，这些方法在华北地区广泛存在。相对于山西、江苏的一些煤矿，山东虽然不发达，但是存在巨大的安全隐患，应该引起重视。下面对梁宝寺井田陷落柱发育的可靠性进行分析说明。

1概述

梁寺井田位于山东省嘉祥县，交通便利。属于全隐伏煤田，煤系地层为华北石炭-二叠系含煤建造。主要可采煤层为山西组3号煤层，煤质优良，有煤层分叉、合并和煤层冲刷现象。煤层埋藏南浅北深，煤层隐伏露头在南部呈“裙状”分布。共含煤地层27个，其中山西组含煤地层3个(2、3(3以上)、3以下)；太原组含煤24层，平均总厚度8.7m，井田内存在中性岩浆侵入体，侵入太原组，厚度0 ~ 70m，对16、17号煤层影响最大，呈侵入或吞噬状态。从井田东北方向侵入，向西向南侵入程度减弱，对16、17号煤层及煤质有不同程度的影响。

梁宝寺井田内有梁宝寺一号井、梁宝寺二号井和红阳煤矿。梁寺二矿主要开采山西组3号煤层，红阳煤矿主要开采太原组煤层。三维地震资料解释陷落柱的平面位置位于梁宝寺一井以南，在红阳煤矿[1-2]。

2陷落柱存在的依据及可靠性分析

2.1地震数据的可靠性

梁寺井田地势平坦，地下水位浅，浅层多为粘土，激发条件好。新近系底界面与下伏煤系地层呈不整合接触，与下伏地层物性差异较大。是良好的波阻抗界面，煤层与围岩的物性差异明显，可产生强烈的反射波。总的来说，地震地质条件较好。为陷落柱的可靠解释奠定了基础。

2.2陷落柱在时间剖面和水平切片上反映清晰。

陷落柱的解释类似于断层的解释。标准反射波是主要解释对象。根据振幅、波形特征、波组关系、时差等。对同相轴的反射波，在时间剖面上进行对比解释，确定断陷点的位置。本井田塌陷以同相轴明显中断为特征。在时间剖面上，两侧同相轴连续，靠近断陷点时，向沉降方向向下弯曲，而内侧同相轴紊乱或整个波系下移，多个有效波断陷点的垂直连线呈“圆锥”形，上小下大。水平等时切片显示陷落柱的基本形态，该层陷落柱的平面形态沿层显示在属性切片上。

3梁宝寺井田陷落柱的特征

3.1陷落柱的圈定

在时间剖面上，首先在纵向上圈定各目的层反射波的断陷点，在另一个方向上在时间剖面上闭合断陷线，在时间空域上形成陷落柱的空形状，然后根据相邻时间剖面上目的层反射波确定的陷落点连接起来，在目的层平面上形成陷落柱的形状。由于局部时间剖面会受到障碍物的影响，质量会有所下降，所以综合分析水平切片和属性数据有助于恢复陷落柱的真实空形状。

3.2梁宝寺井田陷落柱发育情况

陷落柱的规模主要表现在陷落柱的陷落高度、涉及不同目的层的范围以及平面上局部剖面的数量等方面。，是对矿山生产影响最大的因素之一。

(1)梁宝寺矿区南翼三维地震勘探面积10.12km2，共发现4个陷落柱，其中X1发育规模较大。1a和1b时间剖面显示，中间三个灰层及以下的反射波组的坍塌点反映清晰，坍塌柱内部有一个反射层。由于这个陷落柱的影响，上部三个煤层的反射波稍有消退，说明陷落柱的陷落高度与第三个煤层接近，在水平等时剖面上有一个圆形异常，自上而下较小，在连续层理变异剖面上有一个明显的椭圆形异常(见图1c)。

(2)梁宝寺24号矿区西部三维地震勘探面积14.2km2，发现3根陷落柱或疑似陷落柱。WX1陷落柱位于西区南部3号煤层露头附近，3号煤层反射波无明显断层，仅有一个小凹陷。3号煤层陷落柱的影响范围较小。陷落柱的高度接近新近纪的底界(见图2)。

(3)红阳煤矿首采区进行了4.95km2三维地震，同时进行了电法勘探。在互不沟通的情况下，三维地震(如图3)和地面电法勘探解释了同一位置的陷落柱。根据电法资料，陷落柱穿过16号煤层顶板灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层中的富水异常区，推断该陷落柱为局部含水、导水陷落柱。综合地球物理解释结果表明，陷落柱的解释具有较高的可信度。

3.3分布规律及原因分析

陷落柱主要分布在井田中南部，岩浆岩侵入边界之外。分析原因如下:

3.3.1供水区在南部，奥陶系灰岩含水量大。

地下水径流条件是陷落柱形成不可或缺的水动力因素[14]。从水力资源分析，井田内主要有六个含水层，从上到下依次为新近系砾石层。二叠系砂岩，三煤顶底板砂岩。太原组三灰、十灰和中奥陶统灰岩。井田南部靠近嘉祥市，奥陶系灰岩和太原组10号灰岩均为含水层，奥陶系灰岩含水层富水性强，补给丰富。电磁资料还显示，梁宝寺井田南部富水，强大的水力条件导致井田南部陷落柱向北发育。

3.3.2与岩浆岩有关

梁寺井田存在中性岩浆侵入体。根据梁宝寺井田钻探资料及煤矿揭露分析，主要侵入太原组，对16、17号煤层及煤质均有不同程度的影响。只有井田中部和北部的巨厚岩浆岩以岩壁形式侵入山西组，仅有勘探区内的两个钻孔和外围钻孔有岩浆岩出露。从整个梁宝寺井田钻探揭示的侵入体的侵入层位、深度、层数、厚度等资料可以看出，岩浆在煤系沉积后的构造运动中沿构造破碎带上升，遇到煤层等软弱地层时沿层理侵入[3-5]。从井田揭露的情况分析，岩浆岩北部厚，逐渐变薄，向南分叉直至消失。在南方，岩浆岩的侵入力减弱，基本是沿地层的，不太可能形成没有断层的“岩峰”。井田北部有巨大的厚岩浆岩，岩层密集。虽然奥陶系灰岩中发育溶洞，但厚厚的岩浆岩阻隔了上部岩层的联系，因此岩浆岩发育带未发现陷落柱(图4)。

3.3.3分配法

综合分析不同目的层在平面上圈定的陷落柱分布位置、陷落柱长轴分布方向、不同剖面发育的陷落柱数量等因素，发现本区陷落柱在中南部发育，无明显规律。全区陷落柱的一个共同特点是其长轴方向一般垂直于地层走向。

3.4可靠性分析

从三维地震时间剖面、水平等时切片和地震属性数据来看，断层特征明显，断层点简单交错。从电法资料分析，视电阻率明显降低。从陷落柱的形成条件分析，奥陶系灰岩层以上40 ~ 60m范围内发育大量的溶隙和溶洞，形成岩溶发育带，是陷落柱形成的基础，提供了陷落空空间；梁寺井田南部奥陶系灰岩富水性，井田南部奥陶系灰岩出露地表，有充足的供水和形成陷落柱的水动力条件。从以上几个方面来看，梁宝寺井田解释的陷落柱是可靠的~可靠的。

3.5预测和建议

预计红阳煤矿仍有陷落柱，希望在矿井投产前做好勘探工作。根据该区奥陶系灰岩地层的导水性和含水量，建议进行三维地震和电磁综合勘探。

4.山东省陷落柱不同于其他地区的特征

在山西六安、江苏徐州等地，陷落柱极其发育，一般与可溶岩层、丰富的侵蚀性地下水、良好的地下水通道和排泄口有关，常呈珠状或散点状发育，规模不等[6-11]。有的陷落柱直径十几米，有的陷落柱轴线长达几百米，严重影响煤矿生产安全。淮南地区发现的岩溶陷落柱多为寒武系，而华北地区的岩溶陷落柱多为奥陶系。见表1。

从山东金桥煤矿和张集煤矿发现的陷落柱来看，山东省许多矿区都存在陷落柱，这也成为矿井生产的巨大安全隐患。从发现陷落柱的几个矿井的三维地震勘探资料来看，直径30m以上的陷落柱基本都能清晰反映出来，控制可靠。如果利用电磁资料进行综合地球物理分析，陷落柱的含水量(导水率)将得到有效控制，为矿井安全提供有力的技术保障。

对鲁西乃至整个华北石炭二叠纪煤田陷落柱发育规律和活动性的分析表明，该区北部岩浆岩较厚，侵入16号煤层附近，堵塞了陷落柱的形成通道[12-14]。

5结论

综合物探是确定陷落柱最有效的方法，对确定其可靠性具有重要意义，将提高控制程度，减少多重性。

山东省陷落柱相对较少，使人们对其危害性缺乏认识和警惕。从梁宝寺井田和山东省其他矿井的资料和揭露情况分析，山东省的陷落柱也是以点状出现，希望有关部门高度重视。

建议在有陷落柱隐患的地区开展地震、电磁等综合物探方法，为矿井生产安全提供可靠的地质保障。

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