黃土區(qū)小煤窯采空區(qū)物探技術(shù)應(yīng)用

王 覃 王衛(wèi)紅

(中化二建集團(tuán)有限公司(山西華晉巖土工程勘察有限公司)，山西 太原 030021)

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黃土區(qū)小煤窯采空區(qū)物探技術(shù)應(yīng)用

王 覃 王衛(wèi)紅

(中化二建集團(tuán)有限公司(山西華晉巖土工程勘察有限公司)，山西 太原 030021)

根據(jù)采空區(qū)的巖體和地球物理特征，分別采用瞬變電磁法和自然電磁法，對(duì)該采空區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)勘察，說明了兩種方法的應(yīng)用技術(shù)和有效性，對(duì)復(fù)雜的小煤窯采空區(qū)的物理探測(cè)提供了一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

黃土，小煤窯，采空區(qū)，瞬變電磁法，自然電磁法

0 引言

山西其亞鋁業(yè)擬建場(chǎng)地位于山西省臨汾市汾西縣內(nèi)，該擬建場(chǎng)地500 m范圍內(nèi)，有2號(hào)煤層的小煤窯采掘情況，擬建場(chǎng)地北部邊界緊鄰山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)巨富園煤業(yè)有限公司，該公司現(xiàn)采掘9號(hào)煤層、10號(hào)煤層，沒有超層、越界；因此，擬建場(chǎng)地需對(duì)存在2號(hào)煤層的采掘情況進(jìn)行勘查。

鋁廠地基內(nèi)的東西部有數(shù)量眾多的2號(hào)煤層小窯采掘井口；大都于1989年—2005年進(jìn)行的開拓，采掘時(shí)未使用炸藥，手工掘進(jìn)，由于沒有通風(fēng)設(shè)施，采掘范圍最遠(yuǎn)到距離井口150 m；由于該地段2號(hào)煤層頂板為泥巖、頁(yè)巖，極易坍塌，巷道寬只有1 m，從150 m前后倒向回采，采掘深度在40 m～130 m。

1 采空區(qū)地球物理特征

該勘探深度范圍內(nèi)地層為黃土、泥巖、砂巖、煤層及灰?guī)r等。當(dāng)煤層被開采以后,采空區(qū)上方巖層在重力作用下發(fā)生一定的塌陷,破壞了巖石的完整性、連續(xù)性,致使巖層破碎和出現(xiàn)大量的空隙和裂隙,故該處電阻率會(huì)偏高于完整巖石處的電阻率,而采空區(qū)域及裂縫被水或泥質(zhì)所充填后,該處的電阻率將明顯低于周圍完整巖石的電阻率,表現(xiàn)出一定的低阻特征。

根據(jù)以往資料，巖石的電性特征為：土壤、粘土、亞粘土等的電阻率較低，為10 Ω·m～102Ω·m；灰?guī)r的電阻率則較高，為102Ω·m～104Ω·m。影響巖石電阻率的因素除了與巖石的組成成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)外，巖石中所含水分的多少(或濕度大小)對(duì)其有較大影響，在巖層中含有水分時(shí)，在電法勘查中表現(xiàn)為低電阻率。本測(cè)區(qū)內(nèi)2號(hào)煤層采空區(qū)，巷道較窄，存在高阻形式的采空區(qū)，同時(shí)，由于開采時(shí)間較長(zhǎng)久，頂板工程地質(zhì)性質(zhì)不佳，存在坍塌情況，部分地段地下水較豐富，采空區(qū)中可能儲(chǔ)存了水，也存在低阻形式的采空區(qū)；與正常地層在其他巖層均會(huì)有明顯物性(電阻率)差異，對(duì)于本次以探空為主要目的來說，具備投入電法所需的地球物理?xiàng)l件。

同時(shí)，地層中致密巖體或人工土洞，淺表地裂，貧水裂隙均為高阻特性；構(gòu)造中存在含水區(qū)域，富水砂巖變厚，泥巖變厚，裂隙富水等的地質(zhì)特性在電磁法中顯示為低阻，使得物探方法具有多解性。

2 勘查方法選擇

勘查區(qū)為黃土丘陵區(qū)，屬于典型的黃土峁地貌，地表沖溝發(fā)育，陡坎密集；地震方法，高密度電法等采用等距的檢波器、電極方法，一般人員無法到達(dá)而無法布置，實(shí)際整條測(cè)線無法測(cè)量；即使采用特制線纜，特種人員布設(shè)，由于地形陡，采集的數(shù)據(jù)均不是垂直向下的地層數(shù)據(jù)，而是垂直地表坡度的地下一定深度數(shù)據(jù)，無法解釋，所以，常采用的等距的檢波器、電極地震法，高密度電法無法進(jìn)行。

瞬變電磁法，采用大定源裝置，可以通過調(diào)整接收框水平，接收到垂直地下地層不同深度數(shù)據(jù)信息，一條測(cè)線上，除人員無法到達(dá)的陡坎個(gè)別點(diǎn)外，均可以測(cè)量；自然電磁法可以通過調(diào)節(jié)mn水平接收垂直向下地層的數(shù)據(jù)；一般來講，自然電磁法相對(duì)高阻靈敏，瞬變電磁法相對(duì)低阻靈敏，兩種方法搭配，可以較好地發(fā)現(xiàn)高阻、低阻異常。

3 瞬變電磁和自然電磁法應(yīng)用

3.1 瞬變電磁資料具體解釋

1)視電阻率剖面單點(diǎn)分析。

瞬變電磁數(shù)據(jù)解釋遵循從點(diǎn)到線的原則，首先，進(jìn)行了典型區(qū)域的單點(diǎn)電阻率曲線特征的分析。

圖1取于P23線的542600測(cè)點(diǎn)，該地段2號(hào)煤層埋深約140 m，2號(hào)煤層已被采空；從圖1中可見，視電阻率自地表到深度50 m左右電阻率呈現(xiàn)相對(duì)低阻緩慢遞增現(xiàn)象，為該地段地表第四系覆蓋層、風(fēng)化巖層低阻向相對(duì)高阻基巖的過渡間斷的地層反應(yīng)，50 m～150 m左右電阻率曲線出現(xiàn)向下凹陷，呈現(xiàn)相對(duì)低阻，表明2號(hào)煤層被采空，2號(hào)煤層上部地層相對(duì)富水反應(yīng)；深度150 m左右電阻率曲線出現(xiàn)較大的抬升，下部奧陶系灰?guī)r高阻反應(yīng)。

2)視電阻率擬斷面圖。

由各測(cè)線瞬變電磁視電阻率擬斷面圖分析可知：測(cè)區(qū)內(nèi)正常地層的視電阻率縱向上由淺到深，總體上表現(xiàn)為低—中—低—高變化的規(guī)律。上部第四系和二疊系表層基巖風(fēng)化面表現(xiàn)為低阻，二疊系上石盒子組的砂巖和砂質(zhì)泥巖，下石盒子組電阻率增高，二疊系山西組的泥巖、砂巖表現(xiàn)為相對(duì)較低的視電阻率；石炭系后電阻率呈增高趨勢(shì)，奧陶系灰?guī)r表現(xiàn)為高阻。

P15瞬變電磁視電阻率擬斷面圖(見圖2)，斷面自542440～543020，長(zhǎng)度為580 m，中部542780～542940是瞬變測(cè)量的空白區(qū)(見圖2)，該斷面位于勘查區(qū)中部，自剖面上542600～542740處，標(biāo)高1 045 m的2號(hào)煤層處，地層視電阻率出現(xiàn)波折，曲線有低阻凹下情況，2號(hào)煤層以上地層視電阻率也以低阻下凹為特征，分析為2號(hào)煤層采掘后巖層坍塌特征，推斷該處為2號(hào)煤層采掘區(qū)域；在剖面542960～543000，自地面到標(biāo)高,1 047 m的2號(hào)煤層處，地層視電阻率曲線出現(xiàn)波折，顯示的雜亂，2號(hào)煤層以上地層，視電阻率以低阻下凹為特征，上面地層視電阻率比下部稍低，但是，低阻中心在標(biāo)高1 100 m處，不能推斷為2號(hào)煤層采掘區(qū)；542780～542940沒有進(jìn)行瞬變測(cè)量，但是由于瞬變測(cè)量具有體積勘探效果，在采用軟件形成的斷面圖上，其空白區(qū)最邊部仍有一定參考價(jià)值。

3)視電阻率順層切片圖。

本礦區(qū)山西組2號(hào)煤層大部分已經(jīng)采掘，形成大范圍的采掘區(qū)，2號(hào)煤層的采掘，通過對(duì)勘查區(qū)瞬變電磁2號(hào)煤層視電阻率順層切片圖分析，把切片上視電阻率大于70 Ω·m地段以及小于35 Ω·m地段均劃為圈定出2號(hào)煤層采掘區(qū)范圍；一般認(rèn)為，高阻異常是未坍塌，不含水或少含水的巷道或采掘區(qū)域，低阻異常是坍塌含水或未坍塌而滿水的巷道或采掘區(qū)域；然而，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由于采掘形成的采掘區(qū)規(guī)模不同，深度不同，采掘形成時(shí)間不同，是否富水及富水程度不同，以及煤層采掘后，會(huì)形成“三帶”，加上瞬變電磁的體積勘查影響，切片本身并不是能夠較完整區(qū)分出采掘情況，所以，把瞬變電磁視電阻率擬斷面圖的采掘異常投影到切片圖上，兩者結(jié)合，圈定出2號(hào)煤層采掘區(qū)范圍，詳見2號(hào)煤層順層視電阻率平面等值線圖(見圖3)。

3.2 自然電磁資料解釋

視電阻率剖面圖。

采掘解釋原則，是在視電阻率層狀分布的等值線圖中存在相對(duì)低值，相對(duì)高阻，并配合地質(zhì)等資料情況綜合分析，根據(jù)勘查區(qū)的具體試驗(yàn)，正常的自然環(huán)境地層視電阻率一般小于15 Ω·m，煤層受到采掘坍塌或含水異常區(qū)域，視電阻率一般大于25 Ω·m巷道類未坍塌煤層采掘區(qū)，含水少的采掘區(qū)、較完整的巷道視電阻率異常大，大于60 Ω·m，最大者幾百歐姆米，結(jié)合調(diào)查情況，劃分出2號(hào)煤層采掘區(qū)域。

本次把等值線上視電阻率值大于25 Ω·m區(qū)域劃為可能的2號(hào)煤層采掘異常區(qū)域，結(jié)合剖面判斷異常的結(jié)果劃分出2號(hào)煤層采掘異常區(qū)域，具體如圖4所示。

4 結(jié)語

本次勘查自然電磁法先進(jìn)行“掃面”，自然電磁對(duì)于同樣異常，異常數(shù)據(jù)卻靈敏，所有異常不會(huì)遺漏；由于該方法屬于剖面方法，異常的深度無法判斷，會(huì)有深部、淺部異常干擾；但是，瞬變電磁法則具備剖面、測(cè)深兩種特性，在自然電磁剖面異?；A(chǔ)上，加做瞬變電磁，可以判明異常深度，排除部分非煤層采掘異常。我們把自然電磁采掘異常成果與瞬變電磁采掘異常成果進(jìn)行綜合判定，兩種方法互相印證補(bǔ)充能更好的得出物探勘查成果。

[1] 李 堅(jiān).小煤窯采空區(qū)物探技術(shù)在鐵路工程地質(zhì)中的應(yīng)用[J].物探與化探,2012,36(S1):1-6.

[2] 汝 亮,鐘偉杰,朱裕振,等.用瞬變電磁數(shù)據(jù)精細(xì)處理技術(shù)探測(cè)煤礦采空區(qū)[J].物探與化探,2012,36(S1):158-160.

[3] 蔣幫遠(yuǎn).實(shí)用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1998.

Application of physics exploring technology in mined-out area of small coal mine in loose region

Wang Tan Wang Weihong

(ChinaChemical2ndConstructionGroupCo.,Ltd(ShanxiHuajinGeotechnicalEngineeringSurveyCo.,Ltd),Taiyuan030021,China)

According to the rock and geophysical features of the mined-out area, the paper respectively applies TEM and natural electromagnetic method for geological survey, and illustrates their specific application techniques and effectiveness, which has certain guiding meaning for geological survey of mined-out area in small complicated coal mine.

loose, small coal mine, mined-out area, Transient Electromagnetic Method(TEM), natural electromagnetic method

1009-6825(2017)14-0065-03

2017-03-07

王 覃(1984- )，男，工程師； 王衛(wèi)紅(1984- )，女，工程師

P624

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