河南某煤礦區(qū)采空區(qū)物探應(yīng)用分析實(shí)例

徐曉培, 秦學(xué)業(yè)，賈繼標(biāo)

(1.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040； 2.河南省有色礦產(chǎn)地質(zhì)勘查局第五大隊(duì)， 鄭州 450016)

采空區(qū)的存在嚴(yán)重地制約著礦井的生產(chǎn)發(fā)展。為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模并防患未然，對某煤礦二礦井田西部“采空區(qū)”分布情況進(jìn)行物探勘測工作。測區(qū)東至107勘探線，西至井田邊界，上至井田邊界，下至+120m二1煤底板等高線，工作范圍200m×1000m。實(shí)際完成偶極—偶極測深剖面3.3km，對稱四極電測深剖面0.95km，瞬變電磁測深0.9km。測區(qū)內(nèi)鉆探資料較為豐富，并進(jìn)行了綜合測井等項(xiàng)工作，測區(qū)內(nèi)物探工作做的較少，其物性特征依據(jù)電測井資料，對測區(qū)地層進(jìn)行綜合電性層分析。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

1.1.1 地層

勘測區(qū)地層由老到新為寒武系，上石炭統(tǒng)太原組，二疊系山西組、石盒子組、石千峰組及第四系坡積、沖洪積層等。含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組、二疊系山西組及石盒子組；其中二疊系山西組為區(qū)內(nèi)重要含煤(二1煤)地層，其次為石盒子組的三9煤層。

寒武系(∈)地層依據(jù)巖性可分為中、上寒武統(tǒng)，主要巖性以泥巖間夾泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖間夾粉砂巖及透鏡狀灰?guī)r、生物碎屑-礫屑灰?guī)r及中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r為主。地層沉積厚度達(dá)500m以上。

第四系(Q)主要以風(fēng)積黃土為主，其次為沖積、洪積物。堆積厚度較小，一般為0～20m。

1.1.2 構(gòu)造

基本構(gòu)造形態(tài)為一走向北東，南東傾斜的單斜構(gòu)造。構(gòu)造特征以斷裂構(gòu)造為主，褶皺不甚發(fā)育。斷裂構(gòu)造一般表現(xiàn)為正斷層，次為斜交正斷層或平移斷層。工作區(qū)內(nèi)有韓家門正斷層(F27)縱貫全區(qū)，測區(qū)位于F27斷層的北西盤。

1.1.3 水文地質(zhì)

勘測區(qū)幾乎無地表水徑流，地下水源主要來自大氣降雨及雨季洪流的入泄補(bǔ)給。含水層巖性以砂、礫石層為主的第四系松散孔隙弱含水層，出露面積不大，分布在溝谷及河谷階地地帶。二疊系煤系地層各含煤層段的頂板砂巖屬砂巖裂隙水弱含水層，由淺入深各含水層表現(xiàn)為煤層頂板直接充水含水層、局部地段成為間接充水含水層，深部富水性極弱。上石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r屬巖溶裂隙水弱含水層，受構(gòu)造的控制被切割成互不溝通的封閉塊段，各塊段富水性有異。老窯采空積水主要表現(xiàn)在采空區(qū)使得地表塌陷、斷裂，雨季雨水及洪流沿裂隙導(dǎo)入?yún)R集于采空區(qū)形成“富水區(qū)”，沿煤層露頭多年來開采形成小窯采空，并存在大量的小窯積水，特別是小窯處于河床、溝谷旁且低于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面的采空區(qū)積水現(xiàn)象較為普遍，往往也是采空“富水區(qū)”。

1.2 地球物理特征

根據(jù)勘測區(qū)鉆孔測井資料反映，二疊系煤系地層的含煤層段呈次高阻反映，二疊系下統(tǒng)各組的石英砂巖及中、粗粒砂巖呈高阻電性特征，泥巖、粉砂巖及其互層呈相對低阻；上石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r及其互層亦呈高阻特征。統(tǒng)計測區(qū)內(nèi)鉆孔的視電阻率測井曲線歸納出各層對應(yīng)的電性參數(shù)見表1。

本次物探工作的主要目的是探測二1煤的采空情況。對應(yīng)的物探問題是探測本區(qū)第3層電性層頂部(二1煤)電性的變化情況。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)采空一般表現(xiàn)為較圍巖電阻率高或次高阻。綜述以上可以得出，電性剖面上下伏高阻基巖(C+∈)頂部出現(xiàn)的局部高阻區(qū)即為二1煤采空區(qū)的電性標(biāo)志。

表1 巖石、地層電阻率參數(shù)表Table 1 Rock and strata resistivity parameters

2 工作原理方法

電阻率測深法是以地層巖石的電性差異為基礎(chǔ),通過人工建立穩(wěn)定直流電場(或瞬變電磁場),觀測與研究同一測量點(diǎn)下垂向不同深度電阻率的變化規(guī)律,推測解決地下各類地質(zhì)問題的一組電法勘探。通過在已知探測目標(biāo)體上試驗(yàn),確定如下方法和裝置參數(shù)。

①偶極-偶極電阻率測深。根據(jù)探測目標(biāo)體埋深，裝置參數(shù)選擇AB=MN=a=50m、偶極子間距=na的等偶極距高密度觀測系統(tǒng)。記錄點(diǎn)位OO′中心，最小極距OO′=100m(即n=1)、最大OO′=700m(即n=13)。

②對稱四極電阻率測深。采用MN/AB=1/10等比參數(shù)的電阻率測深法，最小供電極距AB/2=10m，最大供電極距AB/2=1 000m。剖面點(diǎn)距在50m的基礎(chǔ)上加密到25m。

③瞬變電磁法。測量參數(shù)dBz/dt，根據(jù)探測目標(biāo)體埋深，裝置選擇中心回線，發(fā)射線框邊長200 m×200m，發(fā)射電流20A，發(fā)射基頻為6.25Hz，時間道20個道，中心延時0.352 5～27.92ms。剖面點(diǎn)距50～100m。

3 資料處理與解釋

對稱四極電測深基本上反映了地層層狀分布和大致的橫向電性變化情況，對局部的電性變化反映較差。瞬變電磁法對地層垂向?qū)訝罘植己蜋M向電性變化反映較清晰、直觀。偶極-偶極電阻率測深對地層垂向?qū)訝罘植挤从城逦瑢植侩娦宰兓草^靈敏，其異常形態(tài)復(fù)雜，解釋和定位異常體難度較大。資料的解釋是依據(jù)采空的電性標(biāo)志(即在下伏基巖高阻層的頂部，這個特定的部位出現(xiàn)的局部高阻異常)利用上述方法采用相互印證、互為補(bǔ)充的辦法進(jìn)行。同時在垂向深度上利用煤礦控制的地層資料進(jìn)行綜合判定。

10線偶極-偶極測深視電阻率斷面圖(圖1)，在55～80號測點(diǎn)有一采空電性標(biāo)志高阻異常，推斷為二1煤的采空區(qū)，深度在210～230m；110號點(diǎn)有一向大號點(diǎn)沒有封閉的局部高阻異常，推斷可能為二1煤的采空區(qū)，深度在240m。另外在測點(diǎn)-10～3、93～105、115～130r 淺部都出現(xiàn)了次高阻異常，推斷在其相應(yīng)位置可能為三9煤的采空區(qū)，深度約65～85m。

20線偶極-偶極測深和瞬變電磁法視電阻率斷面(圖2)在30～70號測點(diǎn)有三個采空電性標(biāo)志的復(fù)合高阻異常，推斷在30-70號測點(diǎn)為二1煤的采空區(qū)，深度200m，同時30～40號測點(diǎn)較淺部位存在一采空區(qū)；100號點(diǎn)向大號點(diǎn)方向有三個以上的采空電性標(biāo)志高阻異常近連續(xù)出現(xiàn)，推斷可能為二1煤的采空區(qū)，深度在200～230m。

圖1 10線電測深電阻率斷面圖Figure 1 Line 10 electric sounding resistivity section

圖2 20線電測深電阻率斷面圖Figure 2 Line 20 electric sounding resistivity section

30線偶極-偶極測深和四極測深視電阻率斷面圖(附圖3)，在35-60號測點(diǎn)有二個采空電性標(biāo)志的復(fù)合高阻異常，推斷在35～60號測點(diǎn)為二1煤的采空區(qū)，深度在160～180m，同時50-55號測點(diǎn)在較淺部存在一采空區(qū)；110號點(diǎn)有一向大號點(diǎn)沒有封閉的局部高阻異常，推斷可能為二1煤的采空區(qū)，深度在210～220m。另外在96～102號測點(diǎn)淺部有一個次高阻異常，推斷在96～102號測點(diǎn)可能為三9煤的采空區(qū)，深度約25m。

圖3 30線電測深電阻率斷面圖Figure 3 Line 30 electric sounding resistivity section

4 結(jié)束語

(1)本次探測工作，對該礦的采空區(qū)有著電阻率異常反應(yīng)，并能根據(jù)測量數(shù)據(jù)資料推斷采空區(qū)深度與范圍。

(2)由于主要目的層二1煤(采空區(qū))的埋深較大，物探布設(shè)極距較大導(dǎo)致探測結(jié)果對規(guī)模小的采空區(qū)難于分辨、對采空區(qū)在平面位置的控制稍差。圈定采空區(qū)的邊界誤差,在垂直于測線方向上大于測線方向。

(3)探測方法以偶極-偶極電阻率測深對地層垂向?qū)訝罘植挤从城逦?、對局部電性變化也較靈敏，探測效果最好。因其異常形態(tài)較為復(fù)雜，解釋和定位異常體難度較大，為了彌補(bǔ)電法探測在垂向深度的分辯率較低的弱點(diǎn)，實(shí)際工作中要充分利用煤礦區(qū)已有大量的控制的地層資料，進(jìn)行綜合判定。