多種物探方法在煤礦采空區(qū)勘察中的應用對比

摘 要：煤礦采空區(qū)是高速公路等基礎設施建設的重大地質隱患，針對緩傾斜、埋藏淺、煤層薄且含水的煤層采空區(qū)，以高密度電法、EH4與地震映像法相結合的勘察思路，可以達到相互驗證、相互補充的作用，提高物探成果的解釋精度。

關鍵詞：煤礦采空區(qū)；高密度電法；EH4法；地震映像法

中圖分類號：P631.4 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）27-0214-02

融水至河池高速公路K56+800～K57+500段穿過某煤礦開采區(qū)，該區(qū)經(jīng)國營煤礦及小煤窯的開采，造成地下結構復雜，采空區(qū)分布縱多且充滿地下水，給高速公路建設帶來重大地質隱患。為查明路基下采空區(qū)的具體分布范圍，采用了高密度電法、EH4法深測及地震映像等物探方法進行綜合勘察，取得了較好的效果。

1 工程概況

采空區(qū)出露地層主要為第四系的雜色粘土、亞粘土、砂土；中石炭統(tǒng)大埔組的白云巖；下石炭統(tǒng)大塘階羅城段的白云質灰?guī)r，寺門段的含煤巖組及黃金段的厚層狀灰?guī)r組成。其中寺門段的含煤巖組上部為頁巖和硅質巖；下部為灰黑色頁巖和含黃鐵礦頁巖；中部煤層分為五層煤，煤層中夾頁巖、含黃鐵礦頁巖、炭質頁巖的硅質巖等；煤層厚度11.90～26.60m。

2 物性參數(shù)

第四系粘土層電阻率一般在20～100？贅·m，灰?guī)r電阻率一般在50～2000？贅·m，頁巖電阻率一般在100～800？贅·m。第四系粘土層縱波速度一般在40～800m/s，灰?guī)r縱波速度一般在3000～5000m/s，頁巖縱波速度一般在2500～4000m/s。

第四系粘土層、灰?guī)r與頁巖之間在電阻率以及縱波速度等方面均存在較明顯的物性差異。用反映電性差異的電阻率法以及反映彈性波速度差異的地震勘探，具有較好的地球物理前提。

3 工作布置

在高速公路設計路線范圍內(nèi)，以公里數(shù)增大為方向，以中線為基準，分別在中線、中線右20m、中線左20m和中線左40m分別布設4條高密度電法、地震映像法測量線及EH4測深點；垂直于公路路線方向布置5條高密度電法橫測線，如圖1所示。

4 成果解釋

4.1 電阻率正演模型

根據(jù)本區(qū)地質水文特征設計了一電阻率模型進行計算機正演模擬，如圖2所示。圖中第一層為粘土層，電阻率為500？贅·m；深色區(qū)域表示為灰?guī)r，電阻率為1000？贅·m；中間白色區(qū)域表示為頁巖，其中采空區(qū)內(nèi)充水，電阻率為50？贅·m；電極間距10m，電極數(shù)60個。

圖3為對高密度正演模擬數(shù)據(jù)反演得到的電阻率剖面圖，從圖中可以看出電阻率較高的灰?guī)r層其形態(tài)與模型一致，在小里程方向厚度較大，大里程方向厚度較小。在高阻層下部出現(xiàn)較為明顯的低阻層，但低阻層的厚度相對較大。從模型的模擬結果可知，如果地層中存在一近水平的低阻層時，其低阻層下的高阻部分較難分辨。分析其原因主要是低阻層電流的“趨膚效應”所導致，電流總是更多地沿低阻層流動而難以流向更深部的高阻層，以至于在電阻率反演圖中下部的高阻部分難以分辨。

4.2 高密度阻率反演成果

通過對K56+800～K57+500段中線采集的高密度數(shù)據(jù)反演得到如圖4所示的高密度電法電阻率等值線圖。

從電阻率等值線上分布圖中可以看出有如下特征：電阻率大致分為三層，上部電阻率值較小，一般在50～100？贅·m，推斷為表層的第四系粘土層；中部電阻率較高，一般在500～2000？贅·m，推斷為灰?guī)r；下部電阻率也較低，一般為50～500？贅·m，推斷為頁巖層、煤層或飽含水的采空區(qū)，其右下部的低阻區(qū)域邊界與左上部的高阻區(qū)域邊界傾角約10°左右，這與下石炭統(tǒng)大塘階寺門段頁巖層傾角正好相似。結合上述正演模擬結果可得出結論：對于地下巖土介質，當高阻體中存在低阻層（巖體裂隙發(fā)育且富含水）時，低阻層下部的高阻地層難以分辨。這一結論給解釋本區(qū)煤礦采空區(qū)高密度電法資料提供了一個思路：即高阻灰?guī)r下部如果存在低阻層，則此低阻層為頁巖層、煤層或者是飽含水的采空區(qū)。從圖4可見：在ZK57+300～ZK57+500段電阻率等值線從上到下依次增大，上部在40～50m深度內(nèi)電阻率值50～100？贅·m，結合鉆孔資料推斷這一層為下石炭統(tǒng)大塘階寺門段頁巖（煤矸石）；下部電阻率值100～800？贅·m，推斷為灰?guī)r。因此，從高密度電法資料可以確定含煤頁巖層的位置，但很難分辨采空區(qū)和煤柱。

4.3 EH4法成果解釋

EH4數(shù)據(jù)經(jīng)過反演后得到如圖5所示的電阻率分布圖，圖中可見部分區(qū)域電阻率出現(xiàn)低阻凹陷特征，分析推斷是由于地下煤層被開采后其采空區(qū)域充滿水所致。在K56+800～K56+860段電阻率整體較高，為400～2000？贅·m，推斷煤層未被開采；K56+860～K57+240段電阻率值相對較低，為50～300？贅·m，且有凹陷狀特征，推斷此范圍內(nèi)存在采空區(qū)；K57+240～K57+370段電阻率值相對較高，為200～500？贅·m，推斷此范圍內(nèi)煤層未被大規(guī)模開采；K57+360～K57+500段電阻率值在50～200？贅·m，結合地質資料，推斷為較厚的頁巖層導致的電阻率相對較低，由于該段區(qū)域煤層埋深較淺（5～20m），EH4對如此淺的煤層不敏感。同樣，EH4電法資料上也難以分辨采空區(qū)和煤柱。

4.4 地震映像法成果解釋

地震映像法數(shù)據(jù)通過濾波、道均衡等方法處理后得到如圖6所示的時間剖面圖，圖中可見同相軸連續(xù)性局部較好，但出現(xiàn)的波組較多。通過結合地質資料分析，下石炭統(tǒng)大塘階寺門段頁巖是由煤層、含黃鐵礦頁巖、頁巖、炭質頁巖和硅質巖混合組成，其中煤層有5層。由于該巖層較復雜，而地震波在不同層位均產(chǎn)生反射，從而使得波組較多。地震映像法資料的解釋思路為：同相軸連續(xù)性較好，表明地層較穩(wěn)定與連續(xù)，推斷為煤層未被開采；同相軸連續(xù)性較差，或具“眼球型”特征，震相變得模糊、零亂，能量衰減變?nèi)?，或可見地震波的續(xù)至振蕩現(xiàn)象，可推斷存在煤層采空區(qū)。

4.5 綜合解釋成果及鉆孔驗證

通過對三種物探方法所獲得的電阻率等值線圖和地震映像時間剖面圖進行分析解釋，推斷該區(qū)采空區(qū)分布如圖1所示。

為驗證解釋成果，在K57+377中線、K57+270中線左30m和K57+140中線處三個位置布設3個鉆孔（圖1）。

鉆孔ZK1（K57+377中線）處在高密度電法剖面上在20m深度有一低阻層，但橫向無法分別。時間剖面圖中有較為明顯的弧形反射波特征，因此推斷此處存在采空區(qū)。鉆孔在18.0～19.0m處無巖心，頂?shù)装寰鶠槠扑榈捻搸r，為煤層賦存部位，推測為采空區(qū)。

鉆孔ZK2（K57+270中線左30m）在K57+270中線和左40m處在EH4電阻率等值線圖中呈低阻凹陷特征，特別是在左40m測線上特征較為明顯，且在左40m測線的地震映像剖面中反射波有明顯的弧型特征，高密度電阻率圖上部電阻率較高，下部較低。推斷此處存在采空區(qū)。鉆孔驗證在深度為44.8～50.0m無巖心，為煤層采空區(qū)。

鉆孔ZK3（K57+140中線）處高密度電法上部電阻率較高，下部較低；在EH4電阻率等值線圖中呈低阻凹陷特征，在地震映像剖面中反射波有明顯波組延續(xù)特征，推斷存在有采空區(qū)。在該處鉆孔巖心中未見明顯的開采跡象，但其煤系地層段巖心破碎且出現(xiàn)較大涌水。因此可以判定在煤炭開采過程中保留有一定的煤柱，由于煤柱的規(guī)模較小，應用地面物探方法探測時由于分辨率較低，無法準確的探測出煤柱的分布。

從鉆孔驗證結果來看，ZK1和ZK2鉆孔中都發(fā)現(xiàn)了較為明顯的采空區(qū)特征，鉆探驗證結果和物探解釋結果較為相符。ZK3雖未揭示到明顯的采空區(qū)跡象，但從鉆探結果來看在煤層開采時保留了一定的安全煤柱且充填了水，在電阻率等值圖中呈現(xiàn)低阻層?？傮w來看鉆孔揭示的結果與物探解釋結果基本吻合，這也進一步驗證的物探結果的準確性。

5 結 論

（1）由于本區(qū)地下水位高，高密度電法、EH4法可以確定含煤頁巖層的位置，但很難分辨出采空區(qū)和殘留煤柱。

（2）地震映像法能根據(jù)地震波在不同層位產(chǎn)生的反射波、繞射波特征，分析同相軸是否連續(xù)來判斷層位是否穩(wěn)定與連續(xù)，是否存在采空區(qū)。

（3）在復雜地質環(huán)境下，應用多種物探方法的探測優(yōu)點，可以達到相互驗證、相互補充的作用，提高了物探成果的解釋精度。

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收稿日期：2018-8-14

作者簡介：應西榮（1968-），男，高級工程師，本科，主要從事地質找礦等工作。