“物探+鉆探”方法在濟(jì)東煤田采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

胡建波，張友林，楊冬銘

（1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東 濟(jì)南 250014）

采空塌陷是礦層（體）采出后，采空區(qū)上方巖層在重力作用下發(fā)生彎曲、離層以致冒落形成的。按巖石的破壞程度，自采空區(qū)地表可劃分為3個(gè)不同的變形影響帶，即冒落帶、裂隙擴(kuò)展帶和彎曲變形帶，當(dāng)三帶均發(fā)育時(shí)，彎曲變形帶上方地表往往形成塌陷盆地，盆地中心下沉深度最大、邊緣最小。由于塌陷體的四周斷面與水平面的夾角較大，塌陷盆地面積一般略大于采空區(qū)面積。采空塌陷的影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，其發(fā)生發(fā)展過(guò)程及地表形態(tài)特征主要取決于礦層條件、頂板巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造和采高、開(kāi)采條件等。本研究以濟(jì)東煤田圣井煤礦為例，采用“物探+鉆探”方法對(duì)圣井煤礦采空區(qū)工程建設(shè)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 工程概況和煤礦調(diào)查

1.1 工程概況

山東藍(lán)海領(lǐng)航電子商務(wù)示范產(chǎn)業(yè)園位于圣井煤礦范圍內(nèi)，該建設(shè)項(xiàng)目占地面積約為50 828.2 m2，建筑層數(shù)基本為4～5層，高層為21～28層。根據(jù)場(chǎng)區(qū)調(diào)查分析，該場(chǎng)地屬于低山丘陵地帶，地形較為平坦，僅場(chǎng)地西側(cè)有沖溝發(fā)育，地表被第四系大站組粉質(zhì)黏土覆蓋，下伏地層為二迭系石盒子組和石炭系太原組、山西組，屬于煤田集聚區(qū)，以往屬于圣井煤田開(kāi)采區(qū)，周邊存在大量采空區(qū)。

1.2 煤礦調(diào)查

濟(jì)南圣井煤礦位于章丘市明水鎮(zhèn)西南方向12 km處，面積為1.800 2 km2，開(kāi)采標(biāo)高+70～-260 m。井田為華北型全隱蔽式井田，第四系平均厚度為20 m。含煤地層整體走向NW，傾向NE。巖漿巖較發(fā)育。井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類(lèi)型。礦井水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜類(lèi)型，工程地質(zhì)條件屬于簡(jiǎn)單類(lèi)型，環(huán)境地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。井田劃為Ⅲ-1型。井田勘察類(lèi)型確定為Ⅱ類(lèi)2型。

圣井煤礦太原組含煤4層，為7煤、9煤、10-2煤、13煤。13煤不可采，可采煤層為7煤、9煤、10-2煤。7煤局部可采，9煤、10-2煤為大部分可采煤層。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查，場(chǎng)地內(nèi)因煤礦采空引發(fā)的地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害眾多，可見(jiàn)多處采空塌陷變形地段，地表波浪起伏變形較明顯，部分房屋外墻可見(jiàn)大小不一的裂縫。

2 物探解疑

本次勘察區(qū)物探工作采用高密度電法[1]和瞬變電磁法兩種物探方法進(jìn)行。根據(jù)物探勘察區(qū)范圍，共布置高密度電法剖面15條，分別編號(hào)為G1～G15，剖面長(zhǎng)300 m，瞬變電磁法呈南北方向布置，共15條測(cè)線，全長(zhǎng)310 m。兩種方法的點(diǎn)距及線距均為10 m，基本實(shí)現(xiàn)全區(qū)覆蓋。物探和鉆探布置如圖1所示。

2.1 高密度電法

高密度電法采用溫納裝置進(jìn)行測(cè)量。本次試驗(yàn)選擇場(chǎng)區(qū)內(nèi)較有代表性的G03進(jìn)行詳細(xì)分析。G03線布線方向?yàn)檎龞|向，測(cè)線長(zhǎng)795 m。由圖1可以看出，整條剖面視電阻率變化較明顯，局部出現(xiàn)低阻異常，推斷為采空區(qū)或采空區(qū)塌陷反映。結(jié)合地質(zhì)資料，綜合分析認(rèn)為：高密度電法G03線在剖面440～505 m、埋深-45～-55 m以及剖面535～725 m、埋深-43～-79 m處出現(xiàn)低阻反映，推斷解釋為采空區(qū)或采空區(qū)塌陷；在剖面545～562 m、埋深 -155～-165 m以及剖面585～620 m、埋深-165～-175 m處出現(xiàn)低阻反映，推斷解釋為7煤采空區(qū)或采空區(qū)塌陷；在剖面325～340 m、埋深-135～-141 m，剖面355～430 m、埋深-140～-155 m以及剖面445～500 m、埋深-155～-175 m處出現(xiàn)低阻反映，推斷解釋為9煤采空區(qū)或采空區(qū)塌陷[2]。

2.2 瞬變電磁法

考慮到采空區(qū)較淺，開(kāi)展瞬變電磁法試驗(yàn)時(shí)采用重疊回線觀測(cè)裝置，邊框?yàn)?0 m×50 m。本次試驗(yàn)選擇勘察場(chǎng)地內(nèi)較有代表性的S03進(jìn)行詳細(xì)分析。S03線布線方向?yàn)檎龞|向，測(cè)線長(zhǎng)720 m。由圖1可以看出，整條剖面視電阻率變化較明顯，局部出現(xiàn)低阻異常，推斷為采空區(qū)或采空區(qū)塌陷反映。結(jié)合地質(zhì)資料，通過(guò)綜合分析認(rèn)為：瞬變電磁法S03線在剖面455～550 m、埋深-158～-200 m處出現(xiàn)低阻反映，推斷解釋為7煤采空區(qū)或采空區(qū)塌陷；在剖面240～415 m、埋深-130～-175 m以及剖面445～530 m、埋深-184～-226 m處出現(xiàn)低阻反映，推斷解釋為9煤采空區(qū)或采空區(qū)塌陷；在剖面0～105 m、埋深-110～-135 m，剖面158～406 m、埋深 -140～-210 m以及剖面465～525 m、埋深-225～-255 m處出現(xiàn)低阻反映，推斷解釋為10-2煤采空區(qū)或采空區(qū)塌陷[3]。

圖1 工作量布置

3 采空區(qū)鉆探驗(yàn)證

根據(jù)物探異常情況，結(jié)合場(chǎng)地情況在勘察區(qū)內(nèi)共布置鉆探驗(yàn)證孔56個(gè)，全孔取芯，所有鉆孔均超過(guò)3煤、9煤、10-2煤煤層部位。其中，2-0、2-3、4-3、6-4、6-10、8-13、10-1、10-3、10-8、10-9、12-1、16-6均布置在物探推測(cè)的采空異常區(qū)范圍內(nèi)，在鉆探過(guò)程中有漏水、卡鉆、跳鉆及掉鉆等現(xiàn)象出現(xiàn)，經(jīng)鉆孔電視驗(yàn)證，鉆孔內(nèi)有空洞，屬于采空區(qū)范圍。

4 采空區(qū)特征綜合分析

本次采空區(qū)勘察工作采用了高密度電法、瞬變電磁法、鉆孔等手段，通過(guò)物探與鉆探資料對(duì)比分析可知：在采空區(qū)電性特征表現(xiàn)為低阻特征，視電阻率等值線向下同向彎曲。原因?yàn)榈叵旅簩颖徊煽蘸?，上覆地層向下坍塌，破壞了地層的穩(wěn)定性，地層向下坍塌過(guò)程中產(chǎn)生裂隙被水或泥質(zhì)物質(zhì)充填。

濟(jì)南圣井煤礦采空區(qū)主要有兩層，即淺部3煤采空區(qū)和深部7煤、9煤、10煤采空區(qū)。其中，3煤采空區(qū)埋藏較淺，深度為20～50 m，7煤、9煤、10煤采空區(qū)埋藏較深，深度為100～200 m。通過(guò)對(duì)濟(jì)南圣井煤礦采空區(qū)進(jìn)行解譯可知，淺部4煤采空區(qū)主要分布在工區(qū)北半部，且采空范圍較凌亂。深部9煤為主要煤炭采空區(qū)，主要分布于工區(qū)北、中部；10煤開(kāi)采較少，采空區(qū)主要分布于工區(qū)南部。受地層產(chǎn)狀影響，采空區(qū)往東逐漸變深，如圖2所示。

圖2 采空區(qū)分布

5 結(jié)語(yǔ)

物探采用高密度電法和瞬變電磁法，基本查明在擬建場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)存在的煤礦采空區(qū)。采用“物探+鉆探”方法避免了單一物探反演結(jié)果的多解性，使勘察結(jié)果更為詳細(xì)準(zhǔn)確，又減輕了多處鉆孔對(duì)巖層造成的破壞。確定了圣井煤礦3煤、7煤、9煤、10-2煤煤層采空區(qū)分布范圍，并圈定了采空區(qū)異常范圍，為工程建設(shè)提供較為準(zhǔn)確可靠的采空區(qū)分布范圍資料。