陽泉礦區(qū)煤田采空區(qū)綜合地球物理探測模式應(yīng)用

王森，王春輝，查恩來，翁愛華

1.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130026；2.吉林省勘查地球物理研究院,長春 130012；3.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051

0 引言

山西省作為煤炭資源大省，是中國重要的煤炭生產(chǎn)基地。在煤炭資源長期高強度、大規(guī)模開發(fā)的同時，山西也付出非常沉重的生態(tài)環(huán)境破壞代價[1]。近年來，山西省省委省政府提出深化礦區(qū)治理與城鎮(zhèn)化建設(shè)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、提高公共服務(wù)水平和推進生態(tài)文明建設(shè)相統(tǒng)籌的總要求[2]。開展采煤沉陷區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，查明礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，評估地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境風(fēng)險和恢復(fù)治理的成本效益[3]。筆者采用綜合地球物理手段，在陽泉礦區(qū)選擇典型礦點，勘查采空區(qū)邊界和深度等屬性，解決環(huán)境地質(zhì)問題，為采煤沉陷區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查提供技術(shù)支撐。

1 地球物理勘查技術(shù)方法與應(yīng)用思路

1.1 采空區(qū)地球物理技術(shù)手段

陽泉礦區(qū)煤田采空區(qū)地球物理勘查實施重力勘探、淺層地震勘探、瞬變電磁勘探和探地雷達勘探等多種技術(shù)手段。探地雷達法勘探深度相對較淺，主要用于排查隱伏地裂縫分布。

通過探索與實踐，總結(jié)出煤田采空區(qū)地球物理勘探模式[4-8]。從技術(shù)方法的適用性、有效性、工作效率以及經(jīng)濟因素等多種因素考核，本項工作選擇重力勘探、淺層地震勘探和瞬變電磁勘探作為煤田采空區(qū)勘查主要技術(shù)手段。

1.2 采空區(qū)探測方法原理分析

重力勘探重力勘探地球物理前提為勘探目標體與周圍介質(zhì)間的密度差異，其輸出結(jié)果為重力布格異常曲線及后續(xù)數(shù)值計算結(jié)果。煤田采空及后續(xù)發(fā)生的地層沉陷會造成質(zhì)量虧損，在重力布格異常中形成局部低值異常，通過識別布格異常中的低值異常區(qū)可初步判定采空區(qū)在平面上的邊界位置，經(jīng)進一步的計算(需要鉆孔條件約束)可初步給出采空區(qū)深度信息[9-10]。

淺層地震勘探淺層地震勘探法通過地下介質(zhì)彈性波波阻抗差異進行層位劃分和局部地質(zhì)體的識別，其輸出結(jié)果為地震時間剖面及地質(zhì)推斷圖。對于煤田采空區(qū)勘探，其地球物理響應(yīng)為：①煤系地層與其他巖體波阻抗差異大，會形成明顯的反射界面；②采空陷落在地震剖面上表現(xiàn)為局部兩組或多組反射波同相軸的中斷和消失，異常多呈喇叭形；③采空區(qū)會引起地震反射波同相軸的局部異常擾動、中斷和錯動。通過識別反射波組變化可實現(xiàn)對采空位置的識別，經(jīng)時深轉(zhuǎn)換后，可初步判定采空區(qū)深度[11-12]。

瞬變電磁勘探瞬變電磁法通過向地下發(fā)射電流，接收二次場電壓和電流變化，輸出結(jié)果為地下介質(zhì)電阻率斷面圖。地下采空后會形成局部高阻，當(dāng)發(fā)射線框激發(fā)的二次場電流達到采空頂板后，二次場會發(fā)生激發(fā)極化效果，二次場電流會快速衰減并出現(xiàn)負值，通過識別該高阻界面可劃定采空頂板位置，但不能揭示采空區(qū)底板位置[13-20]。

1.3 應(yīng)用思路

實際工作中，推薦使用組合勘探模式，以實現(xiàn)去除多解性和提高探測精度的目的。組合模式為：重力勘探、淺層地震勘探和瞬變電磁勘探。實際應(yīng)用中，地球物理勘查應(yīng)具備前期地面調(diào)查基礎(chǔ)，重力勘探為初勘手段，可初步確定煤層采空邊界，進一步在重力勘探異常區(qū)實施淺層地震勘探工作和瞬變電磁勘探工作，地球物理資料結(jié)合地面調(diào)查和鉆孔結(jié)果，即可實現(xiàn)對采空區(qū)邊界定位和深度判定。

應(yīng)用條件研究區(qū)環(huán)境噪聲低， 地形起伏小， 滿足重力剖面、淺層地震剖面和瞬變電磁剖面布置。 勘探成本高， 工作效率適中。

異常效果結(jié)合地質(zhì)資料，能夠劃分煤層深度，劃定采空位置及深度信息。

2 工作區(qū)概況

2.1 地形地貌

工作區(qū)所屬井田位于山西省中部東側(cè)太行山西麓，屬中低山丘地帶，地表經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕，溝谷縱橫，梁嶺綿延，地形復(fù)雜。地球物理勘查試驗區(qū)選擇在井田內(nèi)地勢開闊、地形平坦區(qū)域內(nèi)開展，海拔930～980 m。

2.2 煤系地層

井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。

2.1.1 太原組(C3t)

太原組分為上、中、下3段。下段巖性以砂巖、粉砂巖和泥巖為主，其中上部所含15#煤層為全井田可采的穩(wěn)定煤層，層厚5.49～8.91 m，為主要可采煤層。中段由灰?guī)r和粉砂巖、泥巖和中細粒砂巖及3層薄煤層(11-13#)組成。上段由灰黑色泥巖、粉砂巖及深灰色泥灰?guī)r和煤層組成，所含8#煤層為大部分可采的較穩(wěn)定煤層，9#煤層為大部分可采的穩(wěn)定煤層。

2.1.2 山西組(P1s)

平均厚度51.50 m。巖性為中細砂巖、砂質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖及粉砂巖，含煤3層(3-5#)，4#煤層為局部可采的不穩(wěn)定煤層，井田內(nèi)4#煤層大部分區(qū)域被剝蝕，其余均屬不可采煤層。

3 地球物理數(shù)據(jù)處理與分析

選擇陽泉礦區(qū)陽泉市盂縣東坪煤礦為煤田采空區(qū)地球物理勘查典型礦點。該區(qū)地表為壓實土，路面寬度60 m，兩側(cè)為公路削坡，為采煤沉陷、地裂縫和小型斷裂構(gòu)造密集發(fā)育區(qū)。部署陽泉礦區(qū)東坪煤礦1號剖面，位于2016年采空區(qū)范圍內(nèi)，地層為下石盒子組、太原組和山西組砂巖和頁巖，開采9#煤層和15#煤層，平均厚度分別為2.5 m、6.9 m，15#煤層埋深150～182 m，工作面寬度150 m。

1號剖面部署3種地球物理手段。其中重力G01剖面長度為1 100 m。地震勘探S01剖面長度為1 000 m，起點位于重力剖面起點以東100 m，剖面位置是1號剖面100～1 100 m段。瞬變電磁T01剖面長度為675 m，位于1號剖面400～1 075 m段(圖1)。

圖1 陽泉礦區(qū)1號剖面地球物理工作部署簡圖Fig.1 Geophysical deployment of No.1 section in Yangquan mining area

3.1 重力勘探結(jié)果

通過重力測量，獲取剖面位置布格異常曲線。G01剖面重力布格異常曲線在450～700 m段出現(xiàn)明顯的倒三角形低值異常區(qū)。理想條件下，水平煤層巷道模型重力異常響應(yīng)為在布格異常曲線的低值區(qū)間內(nèi)，存在一段相對的低值平臺或波動區(qū)。而G01剖面布格重力異常曲線呈明顯的單峰形態(tài)，而不是簡單的平板形態(tài)，分析其原因：① 負向單峰異常響應(yīng)為地下介質(zhì)綜合響應(yīng)，可能包含巖體分布、采空、陷落和斷裂構(gòu)造等多種因素貢獻；② 大區(qū)段負峰值出現(xiàn)，可指示地下采空區(qū)的存在，為精細刻畫該采空區(qū)屬性，可在該區(qū)段進一步實施其他地球物理手段，重力勘探可為地球物理詳勘提供一定的參考依據(jù)；③ 條件允許情況下，應(yīng)實施面積性勘探，通過布格重力異常平面圖中低值異常分布確定采空區(qū)邊界位置。由此可初步界定采空區(qū)邊界(圖2)。

為進一步求證采空區(qū)的形變特征，間隔2年后，在2018年7月，對該剖面位置實施了重力勘探重復(fù)觀測，其布格重力異常曲線見圖2b。結(jié)果顯示重復(fù)測量布格重力異常曲線呈高度的相似性。分析其原因，重力剖面位置位于主采煤工作面西南，該區(qū)在2016年3—5月發(fā)生采空后，地下采空位置趨于穩(wěn)定。

3.2 淺層地震勘探結(jié)果

在重力勘探工作基礎(chǔ)上，部署淺層地震勘探工作，地震勘探時間剖面見圖3a。地震時間剖面包含了豐富的地質(zhì)信息。取巖體均方根速度為2 000 m/s，時深轉(zhuǎn)換后，深度與反射波走時大致相等。地震時間剖面可清晰地揭示巖體形態(tài)。

在重力布格異常曲線300～400 m低值段，反射波出現(xiàn)大面積繞射區(qū)，推斷該位置由于采空造成的砂層沉陷。重力布格異常曲線600～900 m低值異常區(qū)位置，為一小型背斜，有小型斷裂發(fā)育，地震反射波同相軸至少有兩組同相軸出現(xiàn)了明顯的中斷和錯動，推斷為9#煤層及15#煤層采空區(qū)，這也證實對重力勘探結(jié)果的推斷。結(jié)合地質(zhì)資料與地球物理勘探結(jié)果，9#煤層采空區(qū)深度70～80 m，15#煤層采空區(qū)深度為150～180 m。圖3a中紅色圓圈指示出剖面中一處采煤沉陷區(qū)位置，該區(qū)位于剖面260～330 m，深度大致在30～100 m，呈喇叭狀，巖層已完全遭到破壞。白色和紅色虛線標注了9#煤層和15#煤層采空邊界位置，為進一步明確采空區(qū)走向，實施了瞬變電磁法工作。

圖2 陽泉礦區(qū)1號剖面重力勘探布格重力異常曲線Fig.2 Bouguer gravity anomaly curves of No.1 section in Yangquan mining area

3.3 瞬變電磁勘探結(jié)果

瞬變電磁剖面部署于重力勘探異常區(qū)位置，其剖面位置見圖1。瞬變電磁反演電阻率斷面見圖3b。

反演電阻率斷面圖中，T01剖面在640～760 m和870～980 m段出現(xiàn)2組高阻異常，推斷為采空區(qū)異常，通過識別高阻界面，可判定采空頂板位置，采空頂板高阻為假異常。

分析其異常特征，電阻率斷面中揭示出沿東西方向展布的2組采空區(qū)，西翼采空埋深大于東翼采空區(qū)，且中間存在未采區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料及地震勘探結(jié)果，推斷9#煤層采空區(qū)西翼深度約120 m，水平距離在640～760 m段；東翼深度約80 m，水平距離在870～940 m段。15#煤層采空區(qū)西翼深度約160 m，水平距離在630～760 m段；東翼深度約50 m，水平距離在870～980 m段。其中西翼采空區(qū)兩層煤采空區(qū)寬度基本一致，而東翼采空區(qū)9#煤層采空區(qū)范圍要明顯偏小。瞬變電磁勘探結(jié)果與淺層地震勘探結(jié)果基本一致。

4 結(jié)果與討論

4.1 地球物理探測結(jié)果

根據(jù)地球物理探測結(jié)果得到1號剖面位置地質(zhì)推斷圖(圖4)。圖中給出采煤塌陷區(qū)位置，及9#和15#煤層采空區(qū)位置。剖面260～320 m段采空沉陷區(qū)，深度在30～100 m，巖體陷落明顯。

剖面640～760 m和870～980 m段為9#煤層和15#煤層采空區(qū)，其間伴隨有斷裂發(fā)育。西翼采空區(qū)埋深較東翼采空區(qū)大，9#煤層采空頂板埋深約120 m，15#煤層采空頂板埋深約175 m，2層煤采空作業(yè)面寬度約120 m。東翼采空區(qū)，9#煤層采空作業(yè)面寬度明顯<15#煤層。9#煤層采空頂板深度約為75～80 m，采空作業(yè)寬度約70 m。15#煤層采空頂板深度約120～130 m，采空作業(yè)寬度約110 m。

圖3 陽泉礦區(qū)1號剖面淺層地震時間剖面和瞬變電磁反演電阻率斷面圖Fig.3 Shallow seismic time profile and TEM inversion resistivity profile of No. 1 section in Yangquan mining area

圖4 陽泉礦區(qū)1號剖面地質(zhì)推斷圖Fig.4 Geological inference of No.1 section in Yangquan mining area

4.2 討論與分析

通過在山西陽泉礦區(qū)的理論研究和實踐工作，總結(jié)出采煤沉陷區(qū)綜合地球物理勘查工作模式。該套技術(shù)手段適用于煤層埋深在50～300 m，煤層厚度>2 m的采空區(qū)探測。在地球物理勘探方法選擇上，應(yīng)從經(jīng)濟成本核算、工作效率、工作現(xiàn)場地形條件和噪聲/電磁干擾情況等因素綜合考慮。施工條件上，因需要一定長度的作業(yè)面積，應(yīng)盡量在地勢平坦開闊的區(qū)域開展工作。瞬變電磁法需要布置發(fā)射線框，而淺層地震法需避讓高環(huán)境噪聲干擾，如機械振動和通行車輛等。重力勘探法可初步劃定煤田采空區(qū)邊界位置，可作為一種初勘手段。盡可能地部署重力勘探平面測網(wǎng)，揭示采空區(qū)界面位置分布信息。從分辨率和工作效率分析，地震勘探有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，可較為清晰地揭示出煤系地層分布，劃定采空區(qū)邊界及大致深度,瞬變電磁勘探能夠給出采空區(qū)頂板展布信息。多種地球物理手段聯(lián)合勘探可有效地提高勘探精度，通過聯(lián)合解譯，揭示出煤田采空區(qū)位置、埋深及采空作業(yè)寬度等屬性信息。

5 結(jié)論

(1)通過重力測量，獲取剖面位置布格異常曲線。通過布格重力異常曲線圖中低值異常分布確定采空區(qū)邊界位置，由此可界定采空區(qū)邊界。

(2)通過部署淺層地震勘探工作，地震時間剖面可清晰地揭示巖體形態(tài)。推斷出9#煤層及15#煤層采空區(qū)，證實了重力勘探結(jié)果的推斷。

(3)通過瞬變電磁勘測識別高阻界面，可判定采空頂板位置，驗證地震勘探工作結(jié)果。

(4)通過在山西陽泉礦區(qū)的理論研究和實踐工作，總結(jié)出重力勘探、淺層地震法和瞬變電磁法相結(jié)合的采煤沉陷區(qū)地球物理勘查工作模式。