利用地球物理方法综合解释煤系地层陷落柱
1 引言
煤矿开采过程中经常碰到的陷落柱，是奥灰（或太灰）岩溶（或盐溶）发育矿区的一种特殊地质现象。陷落柱主要分布在我国的华北地区，它严重的危害到了矿井的安全生产。它不但对煤层的完整性造成破坏，减少可采储量，造成无效进尺等影响，而且陷落柱造成其周围煤层的顶底板裂隙发育、破碎，较易发生冒顶、底板突水，严重时可能引起直接淹井，影响煤矿的安全生产。因此通过地球物理技术及早发现陷落柱的分布及形态，对煤矿安全生产至关重要。
三维地震勘探以其高分辨率、高信噪比、高测网密度使得探测直径为几十米甚至更小的陷落柱成为可能。在要求勘探向深度和广度进军的同时，从事煤田地震勘探的研究和生产单位相继进行了陷落柱专题方面的研究。杨德义等[1]（2000）通过对陷落柱断陷点的绕射波时距曲线及数学模型的研究，提出了延迟绕射波是陷落柱的标志波，探讨了陷落柱在地震三瞬剖面和拟层速度剖面上的反映特征，以及利用特征剖面研究陷落柱要素的方法；肖建华等[2]（1999）提出了时间域的粘弹性和空间域的各向异性是解决陷落柱和小构造的关键因素；宁建宏等[3]（2005）通过地震资料解释的研究与实践，对华北石炭二叠系中的陷落柱的地震识别技术及其应用情况，进行了较系统的分析和总结；陈风云[4]（2005）综合物探技术、方差体技术在陷落柱解释中的应用等，这些研究都对陷落柱的探测起到了很积极的作用。
本文以张集煤矿为研究对象，利用三维地震勘探解释技术对其进行综合解释，探讨陷落柱识别的相关问题。
2 三维地震资料解释
张集煤矿所在的淮南煤田位居广阔的华北地台南缘，全部被第四系覆盖，唯有煤田南北两翼边缘的低山残丘，出露前震旦系变质岩，震旦、寒武、奥陶系等古老地层，皆由钻探的揭露。
对于陷落柱的精细定量刻画，主要通过人工合成记录进行层位准确标定，以及相关体分析技术等对陷落柱的识别及定量表征。
2.1 层位标定
研究区内现有多口井的测井资料，利用Geoview软件进行人工合成地震记录，通过提取井旁地震道统计子波，合成人工地震进行了层位的标定（见图1）。
由于煤层在密度曲线上反映明显，在合成记录上也很容易识别，对于由于没有速度资料的老井，参考彭苏萍等人提出的淮南煤田含煤地层岩性密度与纵波速度的统计关系式[5]，将密度测井曲线转换为速度曲线。
2.2 陷落柱剖面解释
在时间剖面上（图2），全区同相轴清晰、连续性好，易识别。在疑似区内同相轴错断非常明显，产生分叉，振幅突然减弱或消失，在断陷外侧一定范围内，反射波同相轴有不同程度的弯曲或向陷落柱中心倾斜的现
利用Opendect软件生成等时水平切片（图3），观察疑似区的振幅在不同时间上发生的变化，从浅部到深部，环形逐渐明显，但环形闭合程度不好，通过在不同时间切片上对陷落柱的范围进行标记，从而确定了该陷落柱在地层中三维空间展布，控制了陷落柱对煤层及周围地层的影响范围。
2.3 相干体技术
三维相干技术作为一种专门衡量这种横向非均匀性变化的三维地震快速解释技术。它利用三维地震数据体中相邻道之间地震信号的相似性，来描述地层和岩性的横向非均匀性，效果不错。
利用Opendtect软件重新生成相干体数据，充分利用这个软件在相干体方面的优势，对比了相同时间间隔的振幅切片和相干体切片。其中在相干体切片中断层位置出现相关系数高值，分布和断层位置吻合，而疑似区也出现也同样出现高值，但没有形成闭合的圆圈，在相同位置的时间切片上出现了同相轴的错断。
3 陷落柱及相关小构造地质与地震响应特征分析
在实际煤系地层地震资料解释中，经常会遇到如下问题，几种地质体却有着相似地震响应特征，从而在小构造解释过程中增加难度。为此总结前人研究成果，对具有可能造成歧义的地质异常体的地震响应特征对比综合对比研究，为相关解释提供依据。褶皱、断层属于地质构造，陷落柱是属于一种地质现象，而相变则反映沉积环境的变化。
陷落柱存在的前提是下伏地层发育碳酸盐岩等岩溶或盐溶岩层且不连续，但陷落柱外围同一地层没有位移且完整，陷落柱内部的物质均来自上覆地层，以及后期方解石充填胶结。陷落柱形态在平面上绝大多数为似圆形和椭圆形，也有长条形和不规则形。陷落柱剖面形状与所穿透岩层的岩性有关，在坚硬岩层，如砂岩、砂砾岩、石灰岩中，由于岩石坚硬不易塌陷，柱体呈现上小下大的锥状，柱面与水平面之间夹角在60°～80°之间。当遇到岩层松软极易塌陷，陷落柱呈现上大下小的漏斗状，柱面与水平面之间夹角在40°～50°之间。陷落柱在陷落过程中，由于牵引作用使围岩向陷落柱中心倾斜，倾角变化一般4～6°之间，个别可达10°以上，其影响范围一般在20m范围之内，少数可达30m。陷落柱周围的煤岩层，也因为塌陷和重力作用，沿裂隙面向下发生位移产生小断层（表1），此种小断层规模小，走向延长10～20m，落差多在0.5m以内，且都是向陷落柱中心倾斜的正断层。
4 钻孔取心验证
在陷落柱中心部位实施一钻孔XLZ1，来验证该疑似区是否为陷落柱，并在目的层位实施取心。
在XLZ1孔的岩心样品中851.71m-861.51m出现角砾岩，角砾直径小于10cm，和其他矿井下揭露的角砾岩在大小方面差别较大，棱角分明，角砾与角砾之间非紧密接触，方解石填充，角砾颜色上部浅底部深，角砾岩发育垂直裂隙，裂隙内充填方解石脉，角砾胶结程度完好，导水性差，而其他矿实际揭露的角砾未胶结，呈松散状，导水性好，另外裂隙发育，部分裂隙横穿角砾，标明角砾岩在形成后收到构造应力的作用，破碎后再充填；
在XLZ1孔850m深度位置岩心（图5.a），出现近垂直断裂面，角度达85°。部分角砾（图5）中存在大量裂隙，表现砾屑破碎；还存在切割角砾的晚期裂隙，以高角度裂隙为主，所有裂隙均被方解石充填，反映了当时的构造应力场分布情况。
在XLZ1孔中揭露的角砾岩（图5.b），由于胶结完好，发育的裂隙也已被方解石充填，形成时代均较早，形成原因可能是深部的溶洞垮塌造成上覆灰岩垮落，形成角砾岩，但未波及到1煤以上地层，故1煤以上地层层位稳定，但后期的构造运动造成该区块断层发育，同时对已胶结的角砾岩二次破坏。
5 结论
通过运用Geoview的进行人工合成地震记录标定，提取瞬时属性以及Opendtect软件进行相干体分析，对陷落柱发育位置及规模进行定量评价，最后通过关键井取心与生产勘查落实验证，得出以下几点认识：
1. 对比总结了陷落柱、断层、褶皱与相变在地质与地震响应特征，利用三维地震技术能够对陷落柱等异常体能够有效识别；
2. 通过计算相干体，陷落柱在相干体切片上表现为不连续，在平面上呈现曲线，通过对不连续区域进行标记，从而对陷落柱的三维空间展布进行准确刻画；
3. 对于煤系地层异常体解释要综合测井、地震、地质多方面信息，确保结论准确，保障煤矿的安全生产。
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