綜合物探方法在煤礦采空區(qū)探測中的應用

王強，田野，劉歡，朱春光，白超琨，郝森

(中國地質(zhì)調(diào)查局 廊坊自然資源綜合調(diào)查中心，河北 廊坊 065000)

0 引言

煤礦經(jīng)過地下開采工作后，會留下大面積空洞，形成采空區(qū)，其上覆巖層主要靠礦柱等支護設施維持應力平衡[1]，當某些礦柱實際強度低于設計承載能力或因長期處于地下水浸泡，在泥化、軟化或受復采爆破震動等因素影響下，就會遭到破壞，進而改變采空區(qū)頂板的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，此時會引起采空區(qū)上覆巖層發(fā)生形變，使形變區(qū)向周圍蔓延，最終導致地面出現(xiàn)裂縫、沉降、塌陷等。

遼陽市下轄燈塔市鏵子鎮(zhèn)—西大窯一帶就處于這種地質(zhì)現(xiàn)狀下[2]。20世紀后期該礦區(qū)煤炭資源就已瀕于枯竭，主要是私營礦企在殘采區(qū)復采，以巷道采掘為主，向兩邊無規(guī)律開挖支巷道，多呈網(wǎng)格狀，上下多層重疊交錯，采寬范圍較窄，高、寬一般為2～3 m，甚至更小，大多不支撐或臨時支撐。由于開采深度較淺，地表變形劇烈，大多形成塌陷坑和地裂縫，給居民生命財產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞[3]。因此，準確地查明礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)的位置和深度，有助于為地質(zhì)災害的預防和治理提供可靠的依據(jù)。

目前，國內(nèi)探測和評價采空區(qū)的主要物探方法一般包括電磁法、高密度電法、淺層地震法等，近年來也有部分同行探索了重力、微重力法在采空區(qū)調(diào)查的效果[4-7]。但是小窯一般的開采方式為以掘代采，采空區(qū)面積較小，尤其在人文活動、電磁干擾、地形地質(zhì)條件復雜的地區(qū)，很難準確勘查[8]。本次研究區(qū)位于村莊及周圍，存在諸多不利因素，綜合考慮選擇了重力法、高密度電法、淺層地震法等物探手段，并通過布設鉆探進行了驗證。

1 工作區(qū)地質(zhì)特征

工作區(qū)茨山村北距鏵子鎮(zhèn)約3 km，南距西大窯鎮(zhèn)約2 km，交通方便。區(qū)內(nèi)地勢東高西低，地貌類型東部為鏵子嶺剝蝕構造低丘，走向南北為單斜山，最高點海拔136 m，西部為剝蝕堆積山前傾斜平原，地勢平坦，微向西傾斜，海拔標高約60～80 m，由坡洪積粉質(zhì)黏土和亞黏土組成。區(qū)內(nèi)出露的地層主要為古生界石炭系太原組，二疊系山西組、下石盒子組和新生界第四系。

巖性由老到新分別為：石炭系太原組(C3t)巖性主要為砂巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖夾層。巖層產(chǎn)狀為走向NE20°，傾角NW約275°。含煤9層，地層總厚87 m。二疊系山西組(P1s)呈整合覆于石炭系太原組之上，巖性為石英砂巖、細粒石英砂巖，巖層總厚104 m，上部為含煤段，主要為灰黑色石英砂巖、黑色炭質(zhì)頁巖。據(jù)原燈塔市煤礦勘探資料，在區(qū)內(nèi)該組巖層中含煤5～6層。下石盒子組(P1x)整合覆于山西組地層之上，主要巖性為砂巖與頁巖、粉砂巖互層，風化強烈破碎，區(qū)內(nèi)厚度25 m左右。第四系大面積分布于勘查區(qū)的西部、東部山前平原。主要巖性為坡洪積粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)砂土，粉質(zhì)含量較高，含零星小礫石、碎石。據(jù)前人鉆探揭露，東部山前厚6～11 m，西部厚20 m左右。

構造方面，工作區(qū)處于遼東山地與平原的結合部，區(qū)域構造體系屬遼陽蓮花狀構造的次一級構造鏵子溝向斜的西翼。巖層向西緩傾，地表因被松散層覆蓋斷裂構造不清。

2 煤層采空區(qū)的地球物理特征

煤層被開采后會形成“三帶”，即冒落帶、裂隙擴展帶、彎曲變形帶[8]。當應力平衡被打破后，上覆巖層會向下發(fā)生錯動形變，形成裂隙發(fā)育區(qū)域的裂隙擴展帶。采空區(qū)的冒落帶和裂隙帶根據(jù)富水程度、垮塌程度等會形成多種不同的地球物理特征。

2.1 密度特征

采空區(qū)上覆巖層發(fā)生變形破壞，裂隙帶會有地下水沿裂隙、空洞滲漏匯集，冒落帶會有松散物質(zhì)填充，致使采空區(qū)巖土體密實程度、含水程度產(chǎn)生差異，形成不同的地球物理特性：基底為完整穩(wěn)定基巖，巖體密實；采空區(qū)為松散堆積物，導水性強。原始地層物性發(fā)生改變，與圍巖相比形成質(zhì)量虧損[6-7]，滿足重力勘探所需的密度差異。

2.2 電性特征

煤層開采后形成的“三帶”破壞了原始地層在橫向上電阻率均勻分布的特性[8]，當裂隙帶上的大量空洞和裂隙區(qū)域不充水時，相對圍巖一般表現(xiàn)為高電阻率的特征，若地下水沿裂隙匯集并賦存，則采空區(qū)及其上覆松散裂隙帶在地電斷面上會呈現(xiàn)低阻特征。根據(jù)這種較大的電性差異進行電阻率法工作，符合存在明顯電性差異的地球物理勘探前提。

2.3 波阻抗特征

含煤地層在開采前，煤層頂板的波速和密度與圍巖之間具有較大的差異，能夠形成一個良好的波阻抗界面，產(chǎn)生較為明顯的反射波，可用于追蹤識別煤層反射面，為地震勘探提供了良好的前提條件。當煤層開采后的采空區(qū)發(fā)生塌陷，原有的波阻抗界面會發(fā)生明顯的畸變和破壞[1]，地震時間剖面表現(xiàn)為反射波同相軸的彎曲、中斷或缺失。因此反射波組的紊亂或畸變，可以作為識別采空區(qū)的主要依據(jù)。

3 方法應用與成果解釋

本次采空區(qū)工作部署思路為：由大比例尺重力測量確定采空區(qū)的邊界范圍，由高密度電阻率法及淺層地震反射波法對異常的深度、規(guī)模進行更細致的劃分，由鉆探對發(fā)現(xiàn)的異常進行驗證。

3.1 重力測量

在研究區(qū)內(nèi)首次選用高精度重力測量法進行采空區(qū)探測，從茨山村、蘆屯到東南側山腰布置重力測線21條，線距50 m，點距10 m，走向NW。重力測量儀器采用加拿大Scintrex公司制造的CG-5全自動陸地重力儀，該重力儀測量過程中對讀數(shù)自動進行漂移改正、傾斜改正、地震濾波、溫度補償?shù)?，儀器分辨率為1 μGal。根據(jù)收集資料顯示，工作區(qū)3煤厚度為0.10～2.34 m，頂板埋深100 m左右，密度差約0.3～2 g/cm3，據(jù)此建立長方體模型，經(jīng)正演計算得出其引起的重力異常在儀器測量的精度范圍內(nèi)。實際測量完成后由布格、地形、正常場改正值經(jīng)過總精度公式[6]計算后，得到本次工作布格重力異常總精度為0.008×10-5m/s2。

由布格重力異常(圖2)可見，區(qū)內(nèi)重力區(qū)域背景場形態(tài)總體表現(xiàn)為重力梯級帶反映，布格重力異常特征表現(xiàn)為北西高南東低的分布特征，布格重力異常值范圍為(-51～-48)×10-5m/s2。根據(jù)地質(zhì)情況分析整體地層的產(chǎn)狀向東傾。引起正值異常的原因可能為重力異常反映深部綜合的信息，而淺部采空區(qū)引起的異常并未在整體異常圖中產(chǎn)生明顯的指示。

為能夠從布格重力異常中凸顯地下采空區(qū)所產(chǎn)生的異常，對布格重力異常進行了場分離處理來求取剩余重力異常。國內(nèi)外學者已經(jīng)提出趨勢分析法、濾波法、窗口法、高次導數(shù)法、解析延拓法等諸多場分離方法，不同的方法處理效果略有差異，在實際應用中，需對比選取最適合的方法進行處理。經(jīng)初步處理對比后，本文最終選擇窗口滑動平均法進行處理，采用的小窗半徑為100 m×100 m，大窗半徑為300 m×300 m，求取的剩余重力異常結果如圖3所示。經(jīng)過處理后的剩余重力等值線圖，異常形態(tài)發(fā)生改變，推斷的低密度異常區(qū)位置與已發(fā)現(xiàn)的地表沉陷區(qū)相符，沉陷區(qū)皆出現(xiàn)在負異常帶中，說明處理方法獲得的結果是可信的。

圖3 工作區(qū)剩余重力異常Fig.3 Residual gravity anomaly map of working area

3.2 高密度電法

根據(jù)工況條件，從村莊到山腰共布設了高密度電法剖面11條，點距12 m，其中NW向剖面8條，NE向剖面3條。儀器采用美國AGI公司制造的SuperSting R8高密度電法儀，80道分布式電纜和不銹鋼電極。

圖4為高密度電法L3線視電阻率反演斷面，地表下13 m以內(nèi)皆為低阻，視電阻率<20 Ω·m，推斷為地表粉土、粉質(zhì)黏土層。根據(jù)反演斷面圖顯示，L3線存在3處低阻異常，在剩余重力異常圖上為低密度體反映，符合采空區(qū)異常特征，推測為采空區(qū)引起。Ⅰ號異常區(qū)位于測線435～540 m、深度37～74 m之間，視電阻率值約為39～69 Ω·m左右；Ⅱ號異常位于測線645～765 m、深度32～97 m之間，視電阻率值約為32～105 Ω·m左右；Ⅲ號異常位于測線1 000～1 070 m、深度26～60 m之間，視電阻率值約為10～42 Ω·m左右，該異常未封閉，還有向下延伸的趨勢。Ⅰ號異常區(qū)和Ⅱ號異常區(qū)上方都有較薄的高阻層覆蓋，結合工作區(qū)的地層、物性及鉆孔情況分析，推測為原巖性為泥巖、細砂巖及粉砂巖由于下部煤層采空，部分地層發(fā)生沉降，導致的電性反映不均勻。

圖4 高密度電法L3線視電阻率反演斷面Fig.4 High density resistivity inversion section of line 3

為驗證異常在L3線720 m處布置鉆孔，鉆孔施工中發(fā)生兩次掉鉆，約為2 m，進一步證實了采空區(qū)的存在。但高密度電法剖面圖顯示的低阻異常區(qū)深度范圍比采空區(qū)要大，推測是由于采空區(qū)上方冒落帶和裂隙帶充水，因礦化度較高，其電阻率整體呈低阻反映。因此采空區(qū)深度應根據(jù)鉆孔進一步校正。

3.3 淺層地震反射波法

在茨山村中部及東側農(nóng)田布設淺層地震剖面3條，其中NE向2條，NW向1條，測線主體部分基本與重力測量和高密度電法工區(qū)重合。淺層地震儀器采用美國GEOMETRICS公司制造的Strata Visor NZXP專業(yè)型高精度地震儀。使用落錘式震源，落錘自重50 kg，離地高度1 m，采用單邊激發(fā)單邊接收的6次覆蓋觀測系統(tǒng)，48道接收，偏移距0 m，道間距3 m，采樣間隔500 μs，記錄長度1 000 ms。

地震剖面中，同一反射界面的反射波組應具有強振幅特性和同相軸的連續(xù)性，而采空區(qū)內(nèi)的反射波組會出現(xiàn)同相軸斷裂、缺失或振幅明顯減弱等異常特征[9]。圖5為NE向的DZ03線水平疊加時間剖面，對剖面反射波組進行追蹤可得到60～100 ms和110～150 ms范圍內(nèi)的兩組振幅較強且連續(xù)的反射波(T1、T2波組)，再往下一定范圍仍有幾組反射波，但同相軸連續(xù)性較差。T1波組在測線215～290 m和380～470 m之間，T2波組在70～100 m、160～190 m、215～290 m和380～470 m之間分別出現(xiàn)同相軸錯斷、缺失或振幅減弱等情況，符合采空區(qū)異常特征，推斷這幾段空白區(qū)域為采空區(qū)引起異常(圖5)。

圖5 淺層地震DZ03線水平疊加時間剖面Fig.5 Shallow seismic time profile of line DZ03

鉆孔JCZK2001揭露圍巖巖性為粉砂巖、泥巖，煤層波速約為1 300～1 600 m/s，參照鉆孔處的采空區(qū)兩側的T1、T2波組雙程旅行時，估算采空區(qū)T1、T2埋深約為42 m和104 m。

4 鉆探驗證

為進一步驗證以上推斷的準確性，在分析收集煤礦資料和物探工作成果后，于重力測量1150線、高密度電法L3線和淺層地震DZ03線交叉位置，布置JCZK2001監(jiān)測鉆孔。在鉆探施工過程中，鉆進至39.0～40.6 m處突然嚴重漏水，孔口水位突然消失(淺層煤采空區(qū))，掉鉆1.60 m；鉆進至103.1～105.1 m深度突然嚴重漏水，孔口水位突然消失(深部煤采空區(qū))，掉鉆2.00 m。圍巖可見部分泥巖煤狀光澤，其中47.50 m處和61.20 m處發(fā)現(xiàn)完整木塊。鉆孔驗證結果與物探推斷結果基本吻合。

5 結論

1) 煤礦采空區(qū)具有多種地球物理異常特征，針對不同的地球物理特征，建議選擇多種物探方法對采空區(qū)進行綜合探測，來減少單一方法局限性帶來的影響，提高異常解釋的準確度。

2) 初步探索了煤礦采空區(qū)探測的地球物理方法組合?？墒紫壤么蟊壤咧亓y量對采空區(qū)分布范圍進行識別，利用高密度電法對采空區(qū)充水情況和大致深度范圍進行判斷，利用淺層地震對采空區(qū)位置、深度規(guī)模進行估算。

3) 物探方法解釋出的采空區(qū)范圍和深度，建議通過在異常位置布設鉆孔進行驗證。