煤矿隐蔽致灾因素普查不清是诱发矿井灾害事故的主要原因之一^[1-3]。在煤矿的各类隐蔽致灾因素中，“天窗”是其中一种重要的类型，在陕北侏罗纪浅埋煤层区广泛分布。国内外的学者将自然界中由于岩性、岩相的变化或构造变动等原因，使某些地层不连续或透水性发生明显的变化，形成沟通含水层之间的通道定义为“天窗”^[4-6]。陕北侏罗纪煤田榆神矿区内的新近系静乐组红土层岩性主要为一套浅红色−棕红色黏土、砂质黏土，偶见灰褐色粗沙层，夹多层钙质结核层及钙板，较致密。静乐组红土层位于第四系潜水含水层与煤层上覆基岩之间，为良好的隔水层，其阻水能力直接关系到煤矿生产安全，是矿区内主要的隔水层。前期的地质勘查和目前生产矿井逐步揭露区域内存在该隔水层缺失或薄弱区域而形成“天窗”，易诱发矿井的溃水溃砂灾害^[7]，是区域内矿井水害的主要隐蔽致灾因素。

目前国内外针对“天窗”的研究主要集中于“天窗”综合的物探探测技术^[8-10]，物探和钻探的综合勘查技术^[11]、“天窗”区域的沉积环境分析及不同类型天窗的成因分析^[12-14]、红土层矿物成分和渗透性测试^[15-16]、红土层工程地质研究^[17-18]，阻水能力分析^[19]，探水方法^[20-21]，疏放水标准^[22]、水害防治技术^[23-25]，以及保水采煤技术等^[26]，同时，近年来随着煤矿智能化建设水平的提高，形成了面向智能开采的隐蔽致灾因素排查、普查技术、三维地质建模及地质透明化技术等^[27-29]。但是针对“天窗”隐蔽致灾因素的系统性精细勘查技术研究较少，目前尚未形成成熟的技术体系以指导煤矿安全高效开采和相关灾害的精准防治。

为了解决这一问题，笔者以榆神矿区南部典型区域为研究对象，采用地质分析技术、综合物探技术和钻探、孔中物探、采样测试等精细勘探技术，形成“天窗”隐蔽致灾因素地质−工程一体化普查技术体系，实现对典型“天窗”隐蔽致灾因素的精细勘查，为区域内矿井“天窗”隐蔽致灾因素普查提供技术支撑。

1   地质及开采概况

1.1   地质概况

榆神矿区属华北地层区鄂尔多斯盆地分区东胜−环县小区。研究区沉积地层如图1所示。研究区地表全部被第四系松散沉积物覆盖，区内地层与区域地层相比，缺失了侏罗系中统安定组和白垩系洛河组。

图  1  榆神矿区地层综合柱状图^[30]

Figure  1.  Composite stratigraphic column of the Yushen mining area^[30]

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研究区内赋存可采煤层2层，分别为3号和3⁻¹号煤层，其中3号煤层厚度7.55~10.85 m，平均8.20 m，为全区可采的稳定煤层；3⁻¹号煤层厚度1.44~1.65 m，为大部可采煤层。

研究区自上而下划分为5个含水岩层，详见表1。隔水层组主要为新近系静乐组红土层和在基岩中厚度较大且连续分布的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及部分粉砂岩等泥岩类岩层(图1)。

表  1  研究区含水层特征

Table  1.  Characteristics of aquifers in the study area

地下水类型	含水组	水文地质特征	富水性
第四系松散 孔隙裂隙潜水	全新统河谷冲积层 孔隙含水层	分布于矿区西部柳巷河河漫滩、一级阶地及淤地坝中，冲洪积地层厚度一般厚 0~15 m，地层主要由松散的中沙、粉细沙、粉沙夹粉土组成；地下水赋存条件 较好，单位涌水量1.0389 L/(s·m)，渗透系数20.194 m/d	弱—强
	第四系上更新统 萨拉乌苏组含水层	主要分布于煤矿北部地势低的河谷地带，岩性主要为褐灰黄、浅灰黄色粉细、 中沙和沙土，一般与第四系全新统风积沙构成统一的含水体， 是陕北地区第四系潜水的主要含水岩组	弱—中等
	第四系中更新统 黄土孔隙裂隙含水层	主要分布于东南部的黄土梁峁区，其上多被薄层风积沙覆盖；含水层岩性主要为亚黏土、粉砂质黄土等，厚度一般为20~49.4 m；水位埋深靠近滩地区较浅，一般小于10 m，靠近黄土梁岗区较深，一般15~30 m；单位涌水量0.013~0.039 L/(s·m)，渗透系数0.013~0.174 m/d	弱
侏罗系碎屑 岩裂隙承压水	侏罗系碎屑岩类风化 基岩裂隙承压含水层	全区分布，均隐伏于新近系静乐组红色黏土之下，含水层为基岩顶部的风化裂隙带，一般厚20~30 m，裂隙水具承压性；统降统深单位涌水量为0.024 31~ 0.247 31 L/(s·m)，渗透系数为0.111~0.998 m/d	弱—中等
	侏罗系碎屑岩类裂隙 承压含水层	分布于3号煤层之上，主要为延安组第四岩性段，厚度26~45 m；含水层主要由细—中粒长石砂岩组成；单位涌水量0.001 8~0.081 83 L/(s·m)， 渗透系数0.007 0~0.056 5 m/d	弱

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1.2   矿井开采概况及存在问题

研究区地处二墩煤矿和杭来湾煤矿交界处，杭来湾煤矿采用大采高一次性采全高综合机械化法采煤方法，开采高度8~11 m，采煤工作面宽度多在300 m左右。二墩煤矿以往多采用房柱式和条带式开采方法，目前采用分层条带式膏体充填开采方法，分层开采高度3~3.5 m，留设1 m顶煤。

二墩煤矿2022年补充勘探过程中发现与杭来湾煤矿交界处施工的ED02号钻孔未揭露新近系静乐组红土层，说明该钻孔附近存在 “天窗”(图2)。杭来湾煤矿导水裂缝带发育高度约188 m^[31]，导水裂缝带发育高度超过基岩厚度可导通到静乐组红土层，在“天窗”区将导致上覆第四系萨拉乌苏组含水层水及黄沙沿着裂缝涌入采掘工作面，导致溃水溃砂灾害，对煤矿安全生产影响较大，是矿井的主要隐蔽致灾地质因素。

图  2  研究区红土层缺失钻孔位置及物探勘查部署

Figure  2.  Location and geophysical exploration deployment of the borehole with the lacuna of laterites in the study area

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二墩煤矿采用条带式膏体充填开采，导水裂缝带发育高度≤6 m，即使在静乐组红土隔水层缺失或薄弱带，第四系萨拉乌苏组含水层水也不会导通到采掘工作面，因此，对煤矿安全生产影响较小。

为了探查清楚研究区“天窗”的分布范围，本文采用地质分析、综合物探和精细勘探技术对研究区“天窗”隐蔽致灾因素进行了地质−工程一体化普查。

2   地质分析技术

地质分析技术主要是在研究区以往勘探资料分析的基础上，通过地面地质调查、空中卫星遥感影像资料和沉积环境分析，综合分析“天窗”形成的地质背景和控制因素。

2.1   勘探资料分析

以往勘探资料表明，研究区ED02钻孔第四系更新统厚度67.9 m，底部1.6 m砾石层与侏罗系直罗组风化基岩不整合接触。根据ED02钻孔周边ED03钻孔和ED04钻孔勘探资料，静乐组红土厚度分别为36.9 m和17.97 m，与下部侏罗系直罗组风化基岩直接呈不整合接触(图3)。

图  3  研究区典型水文地质剖面图

Figure  3.  Typical hydrogeological profile of the study area

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2.2   地面地质调查

研究区静乐组红土层缺失的ED02号钻孔位于柳巷河河谷附近。采用地面地质调查的方法对研究区柳巷河河谷红土层露头进行了调查(图4)。静乐组红土主要出露于柳巷河河谷两岸，残存红土厚度0~10 m，与风积沙、离石组黄土间隔分布。

图  4  柳巷河静乐组红土露头调查

Figure  4.  Laterite outcrops of the Jingle Formation in the valley of the Liuxiang River

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2.3   沉积环境分析

研究区新近系静乐组红土层下伏侏罗系直罗组沉积基底为一套半干旱气候条件下形成的河流相沉积，上部由于受到风化剥蚀的影响，岩性以黄绿色、褐黄色细、中、粗粒长石砂岩，粉砂岩，紫褐−蓝灰色泥岩为主，部分地区由于冲刷作用变薄。下部为灰白色中、粗粒长石砂岩、岩屑长石砂岩夹灰绿色泥岩、蓝灰色粉砂岩。新近纪中新世，在风力作用下，周边山区的岩屑和泥沙输送到区内，并在干旱环境下发生氧化而形成了红土沉积物^[31]，为一套陆相风成或半风成沉积相。之后在降水与风地质营力对土层侵蚀的基础上，直罗组基岩上覆红土层逐渐变薄，地质历史时期水流对土层颗粒的冲蚀以及局部地段线状流水多期次下蚀切入下伏基岩，导致红土层缺失。

2.4   地质综合分析

结合以往勘探资料、地面地质调查、卫星影像资料(图5)和沉积环境分析，认为研究区静乐组红土缺失原因是受古河流不断侵蚀作用，基岩上覆沉积黄土和红土层逐渐变薄、缺失形成“天窗”。 更新世晚期，研究区发育大规模的河湖相沉积，直罗组风化基岩上覆盖了萨拉乌苏组中、细沙和亚黏土以及现代风积沙。因此，研究区“天窗”受古河流控制，“天窗”分布在古河道附近，古河道的分布与现代河道分布具有继承性，因此，柳巷河河道区域尤其是曲流河的截弯取直废弃河道发育区是勘探的靶区，为后续物探和钻探探查提供方向和指引。

图  5  研究区河流分布卫星影像

Figure  5.  Satellite image showing river distribution in the study area

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3   综合物探技术

采用地面瞬变电磁、高密度电法和微动综合探查的手段对研究区“天窗”分布范围进行了探查。高密度电法和微动测线部署以红土缺失的ED02钻孔为中心，呈放射状布设，测线部署如图2所示。

3.1   瞬变电磁勘探

由视电阻率等值线反演断面图(图6)可见，高程1 170、1 180 m以浅视电阻率在95~140 Ω·m，分析推断为第四系电性反映；在桩号720位置，高程1 150~1 170 m位置视电阻率值相对较低，呈现明显低阻闭合圈，电阻率≤85 Ω·m，推断为风化基岩松散砂岩含水所致；高程在1 150~1 170 m，桩号在0~400点位置视电阻率在80~100 Ω·m，推断为新近系电性反映；高程在1150 m以深，视电阻率值在100~130 Ω·m，推断为侏罗系电性反映。

图  6  视电阻率等值线反演断面

Figure  6.  Inversion profile of apparent resistivity contours

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根据瞬变电磁探测成果，在ED02号钻孔附近表现为中阻区，该钻孔南部和北西侧有相对低阻区反映(图7)。由于ED02号钻孔附近红土层缺失，表明红土缺失区在瞬变电磁法探测中没有明显的低阻异常特征。据此分析，瞬变电磁法作为一种直流电法探测手段，对水体反映灵敏，红土层有无缺失对地层整体含水性影响不是很大，因此，利用瞬变电磁法进行红土层厚度探测存在较大困难。

图  7  研究区静乐组红土层富水异常平面

Figure  7.  Map showing the anomalies of water-yield properties of laterites in the Jingle Formation within the study area

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3.2   高密度电法勘探

高密度直流电法的应用范围十分广泛，如目标体与背景存在电阻率差异，且具有一定的空间尺寸和埋藏深度，均可使用该技术进行探测。

根据高密度电法电性层的分布特征，将剖面上电阻率<40 Ω·m的条带状低阻层判定为红土层的电性特征；>40 Ω·m的条带状高阻区，推断为黄土或沙土层的反映，以此来进行红土层分布特征规律的分析。如图8所示，在G1剖面距离710~1 010 m段有相对高阻层，推断为黄土或沙土层的反映，推测为红土层变薄乃至缺失段； G3剖面显示低阻带整体较稳定，在距离590~940 m有条带状高阻区，推断为黄土或沙土层的反映，存在红土层变薄乃至缺失段。

图  8  高密度电法剖面电阻率断面

Figure  8.  Profiles showing the electrical resistivity obtained using high-density resistivity method

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3.3   微动勘探

研究区微动勘探完成测线4条，点距为10 m，微动勘探测线视横波速度等值线断面如图9所示。

图  9  微动勘探测线视横波速度等值线断面

Figure  9.  Profiles showing the apparent shear wave velocity contours of micromotion exploration lines

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(1)在剖面纵向上波速呈递增变化特征，浅部为风积沙层，视横波速度一般<400 m/s，其下为中沙、亚沙土等介质，波速值一般<650 m/s，再往下部为红土层，波速值一般为650~950 m/s，红土层下为风化基岩层，波速值一般>950 m/s，往深部随着风化程度降低，波速值逐渐增大。

(2) W1测线在剖面距离40~600 m范围内地震波速呈近水平状，在横向上变化较平缓，局部有等值线上凸或下凹，表现为红土层顶、底界线起伏变化特征；在距离600~800 m范围，横向上地震波速特征发生变化，推测的红土层顶界线向底界线靠拢，分析为红土层厚度变薄的反映；在距离800~1 000 m，推测红土层顶、底界线接近重合，分析为红土层极薄或缺失段；在距离1 000~1 250 m段，地震波速特征在垂向上趋于正常，推测为红土层厚度逐渐变大。

(3) W3测线在剖面距离200~650 m范围内地震波速呈近水平状，在横向上变化较平缓，局部有等值线上凸或下凹，表现为红土层顶、底界线起伏变化特征；在距离660~700 m段，横向上地震波速特征发生变化，推测的红土层顶界线向底界线靠拢，分析为红土层厚度变薄的反映；在距离700~900 m段，推测红土层顶、底界线接近重合，分析为红土层厚度极小乃至缺失段；在距离900~1 000 m段，推测地震波速特征在垂向上趋于正常，分析红土层厚度逐渐变大的反映。

3.4   综合物探分析

如图10所示，根据高密度电法和微动探测对应测线剖面(G1线对应W1线，G3线对应W3线)，综合对比分析得出综合物探剖面。

图  10  综合物探解释剖面

Figure  10.  Profiles of comprehensive geophysical interpretation

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Z1测线高密度电法的高异常区与微动勘探划定的红土层顶界段基本吻合；Z3测线同样也基本吻合，但高密度电法异常段向小里程延伸约50 m，范围稍大。

根据综合物探结果，将静乐组红土层厚度≤5 m圈定为红土层缺失异常范围，如图11所示。

图  11  综合物探圈定“天窗”范围及探查钻孔布置

Figure  11.  Range of skylights delineated using comprehensive geophysical prospecting and the layout of exploration boreholes

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4   精细勘探技术

4.1   地质钻探

综合物探可大致推断红土层顶、底界线，但还需布置探查钻孔进一步确定和验证红土层缺失范围。如图11所示，在物探圈定的红土层缺失边界布置4个钻孔，其中ZK1孔揭露静乐组红土层3.4 m，ZK2、ZK3和ZK4孔均未揭露，后又在ZK4孔东北侧300 m处施工 ZK7孔，该孔揭露静乐组红土层厚度为15.7 m。

4.2   地球物理测井技术

如图12所示，红土层电阻率低异常，0~3 Ω·m，平均约1 Ω·m；自然电位负异常，为−50~−70 mV，曲线形态上低下高，与电阻率相对应；自然伽马低异常，为1.20~1.50 Pa/kg，平均约1.25 Pa/kg，形态上低下高；密度曲线大值低异常，为1.50~2.00 g/cm³，平均约1.75 g/cm³，形态平缓呈剑状异常；声波时差中高异常，为250~900 μs/m，平均约575 μs/m。

图  12  红土层测井曲线形态

Figure  12.  Morphologies of the log curves of laterites

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4.3   钻孔窥视技术

为了清晰显示钻孔的岩性、厚度、裂隙、渗水点、孔壁完整性、孔径变化等情况需开展钻孔窥视技术。如图13所示，红土发育区具有钻孔缩径、钻孔漏水量少、岩层成层性直立性好等特征。

图  13  红土岩心照片

Figure  13.  Photos of laterite cores

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4.4   岩心精细描述技术

根据探查钻孔资料，红土岩性主要为一套浅红色−棕红色黏土、砂质黏土，偶见灰褐色粗沙层，胶结疏松，含水饱和，手搓成条状；一般断面可见虫孔洞及黑色菌斑分布，可塑性较好，具有硬塑性，含成层分布的钙质结核，底部见有黄绿色砾石层，一般厚度1.0 m左右，粒径5~20 mm泥质胶结，沙质填充(图13)。

根据岩心精细描述结果，分析本区“天窗”发育区为古河道沉积形成的岩性组合，具有明显的二元结构特征，岩性组合表现为红土层二次沉积与河道沙土层混合或互层沉积。

4.5   测试技术

采取探查验证钻孔岩心的黄土、红土样品，开展变水头法的渗透能力测试。结果显示研究区红土渗透系数平均7.18×10⁻³ m/d，黄土平均2.21×10⁻² m/d，表明红土的隔水能力大于黄土(图14)。

图  14  黄、红土渗透系数与深度变化

Figure  14.  Curve showing the depth-varying permeability coefficient of laterites

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4.6   “天窗”范围确定

根据钻探、物探综合分析结果，用插值法绘制红土层厚度等值线。依据曾一凡等^[19、24]通过红土矿物含量和等效渗透系数确定榆神矿区红土有效阻水的临界厚度为10 m，将研究区红土层厚度<10 m划分为红土薄弱区，即“天窗”范围。

如图15所示，综合物探圈定的“天窗”范围小于精细勘探圈定的“天窗”范围，依据可靠性和准确性确定研究区“天窗”范围采用精细勘探结果。研究区钻探结果验证了高密度直流电法和微动勘探对 “天窗”发育区在电性和声波信号反映特征的准确性，因此，2种物探技术联合使用能快速识别红土异常区，为精细勘探工程准确圈定“天窗”提供依据。

图  15  精细勘探圈定“天窗”分布范围

Figure  15.  Distribution range of skylights delineated using detailed exploration

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5   地质−工程一体化普查技术体系

5.1   总体技术路线

通过对研究区野外地质调查、以往勘探钻孔数据、沉积环境分析等地质综合分析，获得区域内“天窗”的主控因素、空间展布特征及矿井灾害类型及特征，根据综合地质分析结果圈定潜在靶区；在靶区圈定的基础上通过瞬变电磁勘探、高密度直流电法、微动勘探等综合物探技术，分析其电性、声波等物性特征，实现快速扫面，为钻探工程部署提供依据；通过地质钻探、岩心描述、测井、钻孔窥视、采样测试等精细勘查技术手段实现对“天窗”隐蔽致灾因素的精细勘探，并进一步精细解释物探成果，精准圈定“天窗”分布范围；结合采掘工程、开采工艺综合分析评价“天窗”隐蔽致灾因素的致灾危险性。构建“天窗”隐蔽致灾因素地质−工程一体化普查技术体系(图16)。

图  16  “天窗”隐蔽致灾因素地质−工程一体化普查技术体系

Figure  16.  Technical system for geological-engineering integrated reconnaissance survey of skylights as a hidden disaster-causing factor

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5.2   技术手段选择

针对“天窗”隐蔽致灾因素普查技术手段的选择遵循以下原则。

1)地质分析优先原则

通过野外地质调查、卫星遥感影像分析，电性红土剖面测量、以往钻探及地球物理测井资料，综合分析红土层岩性组合特征、电性、波速等物性响应参数特征；“天窗”的岩性组合及其物性特征，为后续工程部署及技术手段选择提供依据。

2)问题导向原则

以“天窗”可能诱发的矿井灾害类型为导向，综合矿井地质调查结果，重点查明“天窗”诱发水灾、溃水溃砂等灾害的因素，如“天窗”的分布范围、红土层厚度展布、岩性组合、渗透性、阻水性及导水裂缝带高度等关键性隐蔽致灾因素参数特征。

3)“地质三边”原则

在普查的过程中始终坚持地质三边(边勘查施工、边整理分析资料、边调整修改设计)原则，根据遥感影像、地质调查、物探及钻探成果，适时调整工程部署，优化施工设计和采样测试、分析化验项目。

4)一体化原则

坚持地质−工程一体化普查技术原则，实现以地质调查、综合物探、精细探查、综合研究为一体的技术思路，在施工过程中地质、物探人员全程参与调查、工程部署以及方案优化，根据钻探及孔间物探成果及时调整并优化地面物探成果。

5.3   效果评价

通过应用该普查技术体系现场工程实践，对前期靶区优选、后续综合物探圈面、精细勘探对地质分析、物探成果的钻探验证和孔中、空间及采样测试等综合勘探结果，综合评价其效果为：

(1)地质分析、工程勘查和分析评价3个阶段，采取的方法及技术手段均实现了预期的目标，并分别为下一阶段工作开展及工程部署提供了可靠的地质依据。

(2)综合物探成果表明，高密度直流电法、微动勘探对研究区红土缺失性“天窗”发育的范围、电性和声波信号反映明显，显著表现为高电阻率和波速异常的特征，而瞬变电磁勘探物性特征响应不明显。

6   结 论

(1)以榆神矿区南部典型红土缺失性“天窗”区域为研究对象，通过地质勘查资料分析、地面地质调查、沉积环境分析等地质综合分析快速圈定靶区；采用地面高密度直流电法、微动勘探等综合物探技术快速确定异常范围；利用地质钻探、钻孔岩心精细描述、地球物理测井、钻孔窥视等精细勘探技术，查明了“天窗”的分布范围、红土层厚度展布、渗透性及阻水性等关键性隐蔽致灾因素参数特征。

(2)首次构建了陕北侏罗纪煤田红土缺失性“天窗”隐蔽致灾因素地质−工程一体化普查技术体系，并进行了现场工程实践验证，为陕北侏罗纪煤田新近系以来沉积和古河流冲刷型“天窗”隐蔽致灾因素的空间分布普查提供可靠的技术支撑。

(3)目前对其他类型如后生改造型、人工开挖隐伏型等不同类型及属性的“天窗”是否有效，后续仍需要开展进一步研究和工程实践。