綜合物探技術(shù)在煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

王 霞，謝孔金，韓 剛，白 云，謝一鳴

（1. 山東正元建設(shè)工程有限責任公司，濟南 250101；2. 山東正元地質(zhì)資源勘查有限責任公司，濟南 250101；3. 山東建筑大學土木工程學院，濟南 250101）

0 引言

隨著城市建設(shè)進程的加速，土地資源越來越稀缺，采空區(qū)場地用于工程建設(shè)的情況時有發(fā)生，但采空區(qū)頂板崩落會引起地面沉降、裂縫和塌陷[1]以及采空區(qū)存在的殘余變形[2]，諸多不良地質(zhì)作用易導(dǎo)致建筑地基受損破壞。所以，采空區(qū)場地在工程建設(shè)之前應(yīng)進行勘察工作，以查明采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性，判定其作為工程場地的適宜性[3]。煤礦采空區(qū)主要是人為采煤活動形成的，有的采空區(qū)埋藏深度大[4]，雖然鉆探成果可靠性強，能夠準確地反映采空區(qū)的存在，但其成本高、耗時長，且不能全面地反映勘察區(qū)域的采空區(qū)分布狀況[5]，完全依靠鉆探手段是不適宜的。國有大型煤礦采空區(qū)的資料齊全，可不進行物探，只進行采礦調(diào)查即可，而大多小煤窯的開采年代久遠，且多為無序開采，資料缺乏，因而給建設(shè)場地的工程地質(zhì)勘察帶來了困難[6]，小煤窯采空區(qū)應(yīng)進行必要的物探工作，明確采空區(qū)范圍、埋深、大小、上覆沉積物類型、斷裂構(gòu)造位置、巖層厚度等情況，物探方法選擇時需要結(jié)合采空區(qū)的具體情況而定[7]。隋宏巖[8]等采用瞬變電磁法進行采空區(qū)判定，經(jīng)鉆孔驗證效果較好。李家春[9]和冉云[10]通過工程實例說明了高密度電法在采空區(qū)勘察中的應(yīng)用可行性和合理性。周學明[11]和陳成申[12]利用地震勘探方法探明了采空區(qū)的位置和特征。單種物探方法只能對探測目標體的某一方面屬性做出解釋，由于物探本身的多解性[13,14]，所做出的結(jié)論有很大的不確定性。大量研究成果[15-20]表明，應(yīng)采用綜合物探技術(shù)查明采空區(qū)的分布，并通過鉆探驗證其可行性和合理性，綜合物探技術(shù)已成為解決采空區(qū)工程地質(zhì)勘察的首選技術(shù)。

濟南市章丘區(qū)煤炭資源豐富，開采歷史悠久，開發(fā)利用程度高，但規(guī)模較小，大部分為小型礦山，多有小型濫采煤礦采空區(qū)分布[21-25]，對地質(zhì)環(huán)境造成了一定程度的破壞，引發(fā)采空塌陷、伴生地裂縫地質(zhì)災(zāi)害等，給當?shù)鼐用裨斐闪溯^大損失。本文結(jié)合工程實例，運用多種物探方法對煤礦采空區(qū)進行勘察，查明了建設(shè)場地采空區(qū)的分布情況，并利用鉆探驗證了物探結(jié)果的可靠性。

1 工區(qū)的地質(zhì)和地球物理特征

1.1 工區(qū)地質(zhì)概況

濟南市章丘區(qū)屬于魯中山地和山前傾斜平原過渡地帶，地勢南高北低、東高西低。南部主要是太古界泰山群變質(zhì)巖組成的低山丘陵地形；中部為古生界寒武、奧陶系灰?guī)r組成的低山丘陵地形，地勢陡峭，溝谷縱橫，山區(qū)地形因受巖層產(chǎn)狀的影響，單面山地形較多，一般南坡陡，北坡較緩；北部地勢平緩，明水街道附近基本上已過渡為山前傾斜平原，其上發(fā)育有南北向沖溝。

工區(qū)位于章丘區(qū)的北部，屬山前沖洪積平原地貌單元，地貌類型單一，地形起伏變化小，區(qū)內(nèi)大部分地段較為平坦，總體呈現(xiàn)南高北低的特點（圖1）。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和前期鉆探成果，按地質(zhì)年代劃分的工區(qū)地層巖性詳見表1。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

表1 地層簡表

1.2 工區(qū)地球物理特征

根據(jù)該區(qū)域獲取的巖、礦石電性特征得知，區(qū)內(nèi)第四系巖性主要為粘土、粉質(zhì)粘土，部分地段地表有素填土及碎石，粘土、粉質(zhì)粘土電阻率較低；第四系以下為二疊系，巖性主要為泥巖、砂巖，泥巖電阻率相對較低，砂巖電阻率相對較高；石炭系的砂泥巖、灰?guī)r位于二疊系之下，砂巖電阻率較低，灰?guī)r電阻率最高，是評估區(qū)內(nèi)地層劃分的明顯標志。正常情況下，地層在完整無破碎時其橫向上電性相對均一、差異較小，但隨著同一地層破碎和積水程度的不同，電性曲線上其與圍巖相比有明顯的異常點和畸變點；當巖層因為采礦而造成采空，引起上覆地層塌陷時，電阻率就會迅速變化，不充水采空區(qū)的電阻率明顯高于同巖層的電阻率；充水采空區(qū)的電阻率明顯低于同一層位巖層的電阻率。工區(qū)具備開展地球物理勘探的前提條件，主要地層的電性參數(shù)見表2。

表2 地層電性參數(shù)表

2 物探方法選擇及工作參數(shù)

工區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜，采空區(qū)埋深較大，但地形條件相對簡單，在充分調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上，優(yōu)先采用綜合物探技術(shù)，經(jīng)分析該區(qū)地質(zhì)資料及地球物理特征，采用瞬變電磁測深法和可控源音頻大地電磁法進行探測。在施工過程中，輔助以地面調(diào)查工作，為地面物探的資料解釋及成果分析提供可靠的地質(zhì)資料。

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法（簡稱：TEM法）是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，從而解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法。瞬變電磁法的激勵場源主要有2種，一種是載流線圈或回線，另一種是接地電極，使用較多的是回線場源[26-27]。發(fā)射的電流脈沖波形主要有矩形波、三角波、半正弦波等，不同波形有不同的頻譜，激發(fā)的二次場頻譜也不相同。

本次瞬變電磁測深選用大回線裝置，具有測深測量和橫向分辨率高的優(yōu)點，理論上其勘探深度受地層電性條件和最晚有用信號時間的影響，實際生產(chǎn)中發(fā)射電流波形和裝置的形式對數(shù)據(jù)質(zhì)量和勘探深度影響更大。使用的儀器為加拿大Geonics公司生產(chǎn)的PROTEM瞬變電磁儀，瞬變電磁工作使用300 m×300 m發(fā)射線框，發(fā)射基頻25 Hz，發(fā)射電流15 A。

2.2 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）基本原理是以有限長接地電偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電、磁場參數(shù)的一種電磁測深方法。本次物探勘察采用赤道偶極裝置進行標量測量，同時觀測與場源平行的電場水平分量Ex和與場源正交的磁場水平分量Hy；然后利用電場振幅Ex和磁場振幅Hy計算視阻抗電阻率ρS；觀測電場相位EP和磁場HP用以計算視阻抗相位φ，用視阻抗電阻率和視阻抗相位聯(lián)合反演計算可控源反演電阻率參數(shù)；最后利用可控源勘探反演的電阻率進行地質(zhì)推斷解釋。

測量儀器采用加拿大鳳凰地球物理公司研制的V8多功能電法勘探系統(tǒng)。

3 物探成果解譯

3.1 物探解譯原則

物探解釋時遵循以下原則：遵循從已知到未知、從點到面、從簡單到復(fù)雜、從局部到全局的原則。綜合研究評估區(qū)地質(zhì)、巖性、水文及工程施工等因素，結(jié)合物探測量成果，以地電對比作為劃分掩蓋區(qū)地層的主要依據(jù)，當采空區(qū)存在時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。物探工作在資料解釋時還應(yīng)遵循以下原則：

1）相對異常原則：由于影響砂巖以及采空區(qū)電阻率高低的因素較多，如采空區(qū)不同年代、不同層位、塌陷、冒落程度、充填水情況等，其電性特征均可表現(xiàn)出相對高阻或低阻差異。在解釋過程中應(yīng)特別注意弱異常的特征和規(guī)律，根據(jù)實際情況和異常特征綜合分析，確定勘探區(qū)的電磁異常響應(yīng)特征及規(guī)律。

2）相關(guān)性原則：由于勘察工作是按一定的工作網(wǎng)度開展的，相鄰剖面異常具有一定的相關(guān)性，利用其相關(guān)性可進行采空區(qū)分布特征推斷。

3）采空區(qū)異常形狀原則：采礦為人為活動，其采掘具有一定規(guī)律，采空區(qū)及巷道分布因此也有一定的規(guī)律，故異常特征及分布亦有一定的規(guī)律性。

4）地層電性參數(shù)可由已知點瞬變電磁測深曲線反演計算的平均值作為地層物性參數(shù)結(jié)果，同時要掌握全區(qū)地層物性參數(shù)的縱、橫向變化規(guī)律。

5）充分研究目的層、目標物及相關(guān)地層的對應(yīng)物性標志，并注意各標志的縱、橫向聯(lián)系。

6）在定性解釋的基礎(chǔ)上，分析各種地質(zhì)特征在多參數(shù)圖件上所表現(xiàn)出的響應(yīng)，為進一步的電法資料解釋建立基礎(chǔ)。

3.2 物探成果

根據(jù)地質(zhì)資料和場地因素情況，物探沿工區(qū)NS向及EW向按40 m×10 m測網(wǎng)完成瞬變電磁測深剖面23條，測深點766個，后根據(jù)瞬變電磁測深初步測定結(jié)果使用可控源音頻大地電磁法進行驗證對比，完成測深剖面16條，測點578個。選擇有代表性的12#和18#剖面物探成果對比分析。

3.2.1 12#剖面測試成果

12#物探剖面位于工區(qū)北部，TM12瞬變電磁法剖面方位角為9°，長度210 m，測深點22個；CS12可控源音頻大地電磁剖面和TM12位置重合，長度210 m，測深點22個。物探測試結(jié)果見圖2。

通過分析瞬變電磁法剖面TM12（圖2a）和可控源音頻大地電磁剖面CS12（圖2b）可知，2個剖面整體視電阻率均從上到下呈“高-低-高”形態(tài)反映，剖面平距1 560～1 740 m、深度?60～?240 m范圍內(nèi)視電阻率等值線較其他區(qū)域呈明顯的低阻異常，低阻異常由南往北越來越深，異常中心電阻率約10 Ω·m，符合采空區(qū)的電性特征，推斷為4層煤的采空區(qū)及其三帶異常的電性特征反映；剖面平距1 630～1 640 m范圍內(nèi)視電阻率等值線呈不連續(xù)斷面倒“V”字形上凸，符合斷裂構(gòu)造的電性特征，推斷為F17分支斷裂的異常反映；剖面平距1 690～1 710 m范圍內(nèi)視電阻率等值線呈不連續(xù)斷面，符合斷裂構(gòu)造的電性特征，推斷為F15斷裂的異常反映。

通過2種方法的對比分析可知，2種方法視電阻率變化趨勢接近，采空區(qū)和斷裂的電性特征明顯，但二者異常反映略有不同，采空區(qū)區(qū)域視電阻率等值線常呈現(xiàn)明顯的低阻異常，且區(qū)域上方有明顯的彎曲帶異常，而斷裂破碎帶區(qū)域視電阻率等值線常呈不連續(xù)斷面。2種方法視電阻率總體范圍變化不大，吻合較好，互相驗證，說明采集資料可信度較高，對于略有出入的地方推測是由于地面磁場對瞬變電磁法視電阻率影響較敏感引起的。

3.2.2 18#剖面測試成果

圖2 12#剖面物探測試結(jié)果對比圖

物探剖面位于工區(qū)中部，TM18瞬變電磁法剖面方位角為99°，長度470 m，測深點48個；CS18可控源音頻大地電磁剖面和TM18位置重合，長度470 m，測深點48個。物探測試結(jié)果見圖3。

通過對瞬變電磁法剖面TM18（圖3a）和可控源音頻大地電磁剖面CS18（圖3b）分析可知，2個剖面整體視電阻率均從上到下呈“高-低”形態(tài)反映。剖面平距1 000～1 470 m、深度?130～?250 m范圍內(nèi)視電阻率等值線較其他區(qū)域呈明顯的低阻異常，異常中心電阻率約10 Ω·m，符合采空區(qū)的電性特征，推斷為9層煤的采空區(qū)及其三帶異常的電性特征反映。

通過2種方法的對比分析可知，2種方法視電阻率變化趨勢接近，采空區(qū)異常反映略有不同，瞬變電磁法視電阻率等值線低阻異常相對較明顯，表現(xiàn)為采空區(qū)呈現(xiàn)不連通狀（圖3a），但是視電阻率總體范圍變化不大，吻合較好，互相驗證，說明采集資料可信度較高，對于略有出入的地方推測可能是由于地面磁場對瞬變電磁法視電阻率影響較敏感引起的。

圖3 18#剖面物探測試結(jié)果對比圖

4 鉆探驗證

通過分析區(qū)域地質(zhì)資料及物探結(jié)果可知，工區(qū)存在淺部采空區(qū)，為揭露和控制區(qū)內(nèi)地層，揭示場區(qū)內(nèi)低阻區(qū)的地質(zhì)特征，查明采空區(qū)的分布情況，結(jié)合有關(guān)規(guī)范[28]，在物探異常區(qū)布置鉆探驗證孔2個，ZK1位于18#剖面線 1 050 m 處，ZK2位于12#剖面線1 650 m處。根據(jù)鉆探揭露情況，工區(qū)地層由新至老為第四紀、上二疊統(tǒng)上石盒子組、下二疊統(tǒng)下石盒子組、下二疊統(tǒng)山西組、上石炭統(tǒng)太原組、中石炭統(tǒng)本溪組、中奧陶馬家溝組。巖性以泥巖和砂巖為主。各鉆孔揭露情況如下：

1）ZK1鉆孔：該孔鉆探總進尺155.0 m，自上而下揭露了第四系土層、上石炭統(tǒng)太原組的砂質(zhì)泥巖、砂巖。在150.0～151.0 m處揭露采空區(qū)，該層鉆進過程中出現(xiàn)循環(huán)水不返水、進尺快、易埋鉆現(xiàn)場，取出巖芯破碎、局部無巖芯，見少量煤碎塊，結(jié)合資料分析，該鉆孔揭露的采空區(qū)為9層煤采空區(qū)。巖芯見圖4。

圖4 ZK1鉆孔巖芯（146～155 m）

2）ZK2鉆孔：該孔鉆探總進尺120.0 m，自上而下揭露了第四系土層、二疊統(tǒng)石盒子群萬山組和上石炭統(tǒng)太原組的砂質(zhì)泥巖、砂巖。在100.4～102.3 m揭露采空區(qū)，該層鉆進過程中出現(xiàn)循環(huán)水不返水、進尺快、易埋鉆現(xiàn)場，取出巖芯破碎、局部無巖芯，見少量煤碎塊，結(jié)合資料分析，該鉆孔揭露的采空區(qū)為4層煤采空區(qū)。巖芯見圖5。

圖5 ZK2鉆孔巖芯（96～105 m）

根據(jù)鉆探和物探結(jié)果對比分析（表3），鉆孔揭露的煤層采空區(qū)與物探結(jié)果相吻合，驗證了物探成果的有效性。

表3 物探與鉆探成果對照表

5 結(jié)語

采用瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法，推測出了煤礦采空區(qū)的位置、深度和規(guī)模，基本查明了采空區(qū)的分布情況，通過對物探異常處進行鉆孔驗證，兩者結(jié)果基本吻合，表明應(yīng)用瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法對煤礦采空區(qū)進行勘察是行之有效的。由于瞬變電磁測深體積效應(yīng)較大且有50～60 m的盲區(qū)存在，可控源音頻大地電磁法在市區(qū)范圍內(nèi)受周邊電磁干擾較明顯，且2種方法分辨率對部分不成規(guī)模采空區(qū)、豎井和防空洞等反映不明顯，尤其是對淺部地層規(guī)模較小的的地質(zhì)構(gòu)造等尚待查明。