綜合物探在南水北調(diào)禹州采空區(qū)探測中的應(yīng)用

邵根安，曹泰瑞，楊亞茹

(河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008)

0 引言

南水北調(diào)中線一期工程總干渠禹州礦區(qū)段線路位于禹州市西南，初步設(shè)計階段有繞山線和隧洞線兩種比選方案，兩條線路相鄰近，起始點(diǎn)和終點(diǎn)均相同，繞山線線路全長11.52 km，隧洞方案線路全長6.95 km，其中隧洞段全長3.65 km。無論是隧洞方案還是繞山明渠方案都無法避開禹州礦區(qū)的采空區(qū)，是南水北調(diào)中線一期工程直接穿過的唯一一段采空區(qū)。繞線采空區(qū)分布長度3.11 km，采空區(qū)層數(shù)多為一層(可采煤層厚度約1m)，多為20世紀(jì)90年代以后小煤礦開采形成，2002年以后多數(shù)已停產(chǎn)，采空區(qū)深度多為100～269 m，隧洞線沿線采空區(qū)長度2.05 km，多集中在三峰山一帶，采空區(qū)層數(shù)3～4層(下煤組厚2～3 m)，開采歷史長，有大、小煤礦形成的采空區(qū)，又有小煤窯、古窯形成的采空區(qū)，開采水平、采空程度、回采率大小各異。為滿足方案論證、線路比選及工程建設(shè)的需要，需要進(jìn)一步查清線路沿線采空區(qū)的詳細(xì)分布情況。

地球物理勘探方法具有效率高、無損及成本低的優(yōu)點(diǎn)，已成為煤礦采空區(qū)探測的主要手段。不同的物探方法有各自的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，單一的物探方法在復(fù)雜地質(zhì)和開采條件下往往不能取得較好的應(yīng)用效果，需要綜合運(yùn)用多種物探技術(shù)進(jìn)行探測，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。文章通過綜合運(yùn)用瞬變電磁法和地震勘探法，對復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦采空區(qū)探測進(jìn)行有益嘗試，取得較好的應(yīng)用效果。

1 采空區(qū)基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

采空區(qū)主要地貌單元為低山丘陵，地形上表現(xiàn)為西高東低，展布方向?yàn)闁|西向，區(qū)內(nèi)三峰山為單斜山，自東向西沿地層走向延展，由丘陵上部耐剝蝕性強(qiáng)的平頂山砂巖構(gòu)成。

1.2 地層巖性

2 采空區(qū)地球物理特征

表1給出了本區(qū)物探測井實(shí)測電阻率，縱、橫波波速統(tǒng)計值，可以看出粘土巖、泥巖等軟巖與砂巖、石英砂巖、石英砂巖夾泥巖、泥巖夾石英砂巖之間存在電阻率、縱橫波波速差別。

表1 禹州煤礦采空區(qū)物性參數(shù)表

2.1 地震地質(zhì)條件

從以往禹州市各煤礦開采的情況來看，各主要煤層的開采情況如下：二1煤厚度約2～7 m，埋藏深度約300 m，局部采空。六4、六2煤厚度約1 m，埋藏深度約200 m，局部采空。研究區(qū)內(nèi)各個煤層的埋藏深度不大、規(guī)模(厚度、延伸等)適中，與周圍巖體存在明顯的波阻抗差異界面，這是地震反射波法工作的物理基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ矫簩雍蛧鷰r分界面時，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的連續(xù)反射信號；而對于煤層采空區(qū)，往往被空氣或水所填充，地震波在空氣或水中的傳播速度明顯低于在煤層中的傳播速度(V氣=340m·s-1,V水=1 400m·s-1,V煤=2 000m·s-1,V氣、V水和V煤分別表示地震波在空氣、水河煤層中的傳播速度)，因此，地震反射波在三種介質(zhì)中傳播時將產(chǎn)生相位延遲，連續(xù)同相軸中發(fā)生波形畸變的地方為煤層采空區(qū)的響應(yīng)特征。

2.2 電性特征

根據(jù)沉積學(xué)規(guī)律可知，正常煤層的電阻率具有連續(xù)性、均勻性和層理性，而且煤層的電阻率值往往遠(yuǎn)低于周圍巖體的電阻率值，因此，正常煤層和圍巖之間存在明顯的電性差異界面，在電阻率剖面圖上表現(xiàn)為水平、連續(xù)的色帶特征。當(dāng)煤層中出現(xiàn)采空區(qū)時，將打破原始煤層電性特征的均勻性和連續(xù)性，在電阻率剖面圖上表現(xiàn)為局部的相對高阻異常或相對低阻異常，為瞬變電磁法進(jìn)行煤層采空區(qū)探測提供了電性基礎(chǔ)。

瞬變電磁法是根據(jù)異常體的二次感應(yīng)場信號特征進(jìn)行工作的，對于高阻異常體，二次感應(yīng)場信號弱且衰減快；對于低阻異常體，二次感應(yīng)場信號強(qiáng)且衰減慢，因此，瞬變電磁法對于低阻的煤層采空區(qū)具有更好的探測效果。

3 探測成果分析

3.1 隧洞段成果分析

在隧洞線SD2+247～SD4+047處：即測線D4、D5、D6處，D4線上采空區(qū)范圍較大，六4煤在測線小號處(SD2+380～2+800樁號間)采空，采空區(qū)在地震時間剖面上表現(xiàn)為地震波頻率變低，在測線上長度約300 m；五2煤采空范圍很大，在整個測線上斷續(xù)分布，采空區(qū)在地震時間剖面上的響應(yīng)特征表現(xiàn)為波頻率變低、相位轉(zhuǎn)換以及波形錯斷，但是在所分析的采空區(qū)內(nèi)斷續(xù)有T5波反射軸出現(xiàn)，認(rèn)為是保護(hù)煤柱所形成，整個五2煤采空區(qū)在測線上長度約700 m，主要在SD2+560～SD2+680、SD3+050～SD3+800處；由于上組煤被采空，及地表地震地質(zhì)條件極差，下組煤反射波較弱，二1煤采空區(qū)解釋的可靠性相對降低，其范圍位于測線中部的SD3+490～SD3+900之間，在測線上長約400m。D4線上采空區(qū)分布范圍的地震解釋見圖1，D5、D6測線與D4線類似。

圖1 隧洞段D4線地震解釋圖

該段的采空區(qū)在視電阻率反演斷面圖(圖2)中表現(xiàn)為低阻異常，分析為采空后充水的反映。測線小號處(300～620樁號間)六4煤的采空區(qū)，反映很明顯，在高程0米以下有一視電阻率值小于28 Ωm的低阻值區(qū)，與上部的低阻層上下貫通，分析為六4煤的采空所致；在680～720和820～900樁號間，在高程-50米以下有一視電阻率值小于28 Ωm的低阻值區(qū)，與上部的低阻層未貫通，分析與地震解釋的760～1 020樁號間的五2煤采空區(qū)所對應(yīng)；在1 120～1 140、1 200～1 240和1 300～1 320樁號間，在高程-180米以下有一視電阻率值小于32 Ωm的低阻值區(qū)，其上部有阻值大于35 Ωm的高阻值區(qū)，分析與地震解釋的1 100～1 400樁號間的二1煤采空區(qū)所對應(yīng)。

圖2 隧洞段D5線視電阻率反演圖

3.2 繞山線成果分析

在繞山線處：即測線D7、D8、D9處，D7線上：六4煤對應(yīng)的T6波在時間剖面上大面積波形不連續(xù)、無明顯的煤層沉積形態(tài)、在該段時間剖面上還可看出反射波頻率變低，故認(rèn)為該段采空區(qū)面積較大，反映在地質(zhì)剖面上為620～1 330(SH75+700～SH76+400)采空，長度約700 m。根據(jù)已知地質(zhì)資料及本次勘探所獲時間剖面來看，五2煤在繞山線處缺失(見圖3)。D8、D9線與D7線相似。該段的采空區(qū)在視電阻率反演斷面圖(圖4)中表現(xiàn)為低阻異常較為明顯。在380～620和720～820樁號之間，在高程-50米以下有一視電阻率值小于32Ωm的低阻值區(qū)，異常反映不明顯，與上部的低阻層上下貫通，分析為六4煤的采空區(qū)所致，其中720～820段與地震解釋的六4煤的采空區(qū)一致，而380～620段地震未解釋的六4煤的采空區(qū)，其可靠性較差；在12 200～1 320樁號間，在高程-50米以下有一視電阻率值小于20 Ωm的低阻值區(qū)，異常反映明顯，與上部的低阻層貫通，分析為六4煤的采空區(qū)所致，與地震解釋的六4煤的采空區(qū)一致。

圖3 繞山段D7線地震解釋圖

圖4繞山段D7線視電阻率反演圖

4 結(jié)論

一是，隧洞線(Ⅰ段)處：采空區(qū)極少，僅在測線中部，五2煤缺失。隧洞線(Ⅱ段)處：采空區(qū)范圍較大，在測線小號處六4煤采空，采空范圍表現(xiàn)在測線上長度約300 m；五2煤采空區(qū)在整個測線上斷續(xù)分布，表現(xiàn)在測線上長度約700 m；由于上組煤被采空，及地表地質(zhì)條件極差，下組煤反射波較弱，初步解釋二1煤采空區(qū)范圍在測線上長約400 m，位于測線中部。

二是，繞山線(Ⅲ段)處：六4煤采空區(qū)面積較大，反映在測線上為測線中部大部分采空，長約700 m；二1煤采空區(qū)范圍較小，僅在測線小號及測線中部部分采空，在測線上的采空長度約280 m；根據(jù)已知地質(zhì)資料及本次勘探所獲時間剖面來看，五2煤在繞山線處缺失。

三是，瞬變電磁和淺層地震綜合方法在本次煤礦采空區(qū)探測中取得了較好的應(yīng)用效果，驗(yàn)證了綜合物探方法進(jìn)行采空區(qū)探測的有效性，為工程方案比選、后期施工建設(shè)及保障工程安全提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，也為類似工程技術(shù)問題的解決提供了經(jīng)驗(yàn)積累。