綜合物探法在采空區(qū)和采空積水區(qū)勘探中的應用研究

劉小兵

(中陜核工業(yè)集團 二一八大隊有限公司，陜西 西安 710100)

隨著礦井的逐年開采，礦井產(chǎn)生了很多的采空區(qū)和采空區(qū)積水，給礦井的安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護帶來了巨大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外學者對此進行了很多研究，文獻[1]采用瞬變電磁法和自然電位以及井徑、自然伽馬、三側(cè)向電阻率等多種測井參數(shù)，對煤層采空區(qū)進行探測，查明了采空區(qū)的分布范圍，多種物探方法結(jié)合使用提高了物探結(jié)果的準確性和可靠性；文獻[2]采用瞬變電磁物理勘探法，對煤礦采空區(qū)水害隱患治理進行了研究，利用三維切片技術(shù)，研究了瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)，然后對采空區(qū)積水的水力特征進行了評價，研究為采空區(qū)水害綜合治理提供了可靠依據(jù)；文獻[3]分析了榆林地區(qū)淺埋煤層采空區(qū)電法綜合勘探技術(shù)，采用瞬變電磁法和高密度電阻率法探測的異常區(qū)范圍基本一致，為研究區(qū)煤層采空區(qū)綜合物探的合理手段；文獻[4]采用瞬變電磁法和高密度電阻率法，合理化去噪、相互配合，分析了工作面采空區(qū)積水范圍，并用鉆探進行驗證，該物探結(jié)果與實際吻合。基于此，本文采用瞬變電磁法、激電測深法、電法探測法、活性炭測氡法，并利用鉆探進行驗證，得到了研究區(qū)的采空區(qū)和采空積水區(qū)分布和賦存情況。

1 采空區(qū)調(diào)查情況

礦區(qū)及周邊所在區(qū)域煤炭開采活動歷史悠久，根據(jù)礦區(qū)以往資料，3號、8-1號、8-2號、9-1號、9-2號、12號煤層已大面積采空。其中，3號煤層采空面積0.56 km2，8-1號煤層采空面積6.15 km2，8-2號煤層采空面積9.09 km2，9-1號煤層采空面積0.54 km2，9-2號煤層采空面積1.09 km2，12號煤層采空面積7.34 km2，15號煤層煤層采空面積9.27 km2。3號、8-1號、8-2號、9-1號、9-2號、12號、15號煤層采空區(qū)與小窯破壞區(qū)平面投影面積約10.66 km2。此次工作根據(jù)物探勘探及鉆孔驗證等綜合手段對工作區(qū)采空區(qū)進行調(diào)查，固莊煤礦3號、8號、9號、12號及15號煤層采空區(qū)總面積34.04 km2。

2 瞬變電磁法勘查

2.1 瞬變電磁異常判別分析

瞬變電磁探測的資料處理和解釋工作是同時進行的，二者之間是一個從實踐到認識的提高過程。資料的解釋建立在資料處理后所獲得的視電阻率斷面圖和視電阻率順層切片圖的基礎(chǔ)上，并以測區(qū)內(nèi)以往的地質(zhì)工作為重要參考。首先，依據(jù)各條測線視電阻率斷面圖，對勘探區(qū)內(nèi)可能存在的地質(zhì)異常區(qū)進行解釋；然后，對各順層視電阻率切片圖進行分析，著重分析低阻異常的分布規(guī)律；最后，依據(jù)視電阻率斷面圖，結(jié)合地質(zhì)資料成果進行對比分析，確定富水異常區(qū)的分布規(guī)律和分布范圍，繪制富水異常區(qū)分布圖。

該區(qū)資料的解釋，首先，對在剖面圖上有異常反應的區(qū)域在平面位置上進行圈定和組合，初步確定異常區(qū)的范圍；然后，與順層切片圖對比分析，進一步確定異常區(qū)的分布形態(tài)，并與地質(zhì)成果對應分析，分析采空區(qū)的分布規(guī)律；最后，通過對全區(qū)地質(zhì)資料及繪制的各種圖件和參數(shù)進行綜合分析，分別劃分各煤層層位的采空區(qū)及其積水區(qū)，繪制相應的成果圖[5-7]。

當開采面積較小時，且煤層頂板為塑性巖石并保存完整，由于殘留煤柱較多，壓力轉(zhuǎn)移到煤柱上，未引起地層塌落、變形，采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來，頂板塌落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶(圖1)。這些地質(zhì)因素的變化，使得采空區(qū)及其上部地層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化。煤層采空區(qū)冒落帶與完整地層相比，巖性變得疏松、密實度降低，即單位介質(zhì)的密度降低，同時使得導電性降低，在電性上表現(xiàn)為高阻異常，若充水，則表現(xiàn)為低阻異常。

圖1 采空區(qū)地質(zhì)模型Fig.1 Gob geological model

綜合分析認為，要判別目的地層含水及富水性，不能僅直觀地靠視電阻率值來判斷測區(qū)地層的含水性，還要綜合剖面圖和平面圖的信息。平面圖是沿煤層上下含水層切出各層視電阻率順層切片圖，通過對比測線各段地層之間的相對視電阻率來判別。

低阻是一個相對的概念，在采空積水區(qū)的劃分上也應遵循相對的原則。從視電阻率剖面圖可以看出，電阻率等值線發(fā)生變化呈凹陷狀或向上凸起的地段，應視為可疑地段，進行重點分析。積水區(qū)在順層切片上表現(xiàn)為電阻率的相對低阻的特征，重點對相對低阻異常進行圈定和組合，對每個低阻異常分析原因，確定真?zhèn)巍?/p>

瞬變電磁推測異常區(qū)主要存在2類：采空區(qū)和采空積水區(qū)。采空區(qū)異常編號為CK01，CK02，…，CK10，CK11等，并且前綴加煤層號(如8號CK01)；采空積水異常編號為CKJS01，CKJS02，…，CKJS10，CKJS11等，并且前綴加煤層號(如8號CJSK01)。此次物探電法工程布置如圖2所示，分為4個采區(qū)。

圖2 物探電法工程布置區(qū)塊示意Fig.2 Schematic diagram of geophysical and electrical engineering layout blocks

2.2 異常的解釋推斷

(1)瞬變電磁視電阻率剖面圖分析。該測區(qū)從縱向上看(圖3)，由淺至深其視電阻率基本呈現(xiàn)由低—中—高阻的電性特征。上部視電阻率表現(xiàn)為中低阻，反映了第四系地層、二疊系地層電性的變化特征。中下部本應表現(xiàn)為中高阻的石炭系煤系地層，在此卻表現(xiàn)為中阻或中低阻，推測煤系地層因煤層的開采造成該地層破壞，上覆地層垮塌裂隙較為發(fā)育，且裂隙為地下水的存儲和運移提供了通道，致使采空區(qū)(煤系地層)有一定富水而表現(xiàn)為中阻或低阻形態(tài)。下部為高阻反映，視電阻率有明顯增高的趨勢，為奧陶系地層的反映。

圖3 測區(qū)視電阻率剖面Fig.3 Apparent resistivity profiles of measuring areas

由圖3可知，由淺至深視電阻率基本呈現(xiàn)由低—中—高阻的電性特征。上部視電阻率表現(xiàn)為中低阻，反映了第四系地層、二疊系地層電性的變化特征。中下部為中阻或中低阻，推測煤系地層因煤層的開采造成該地層破壞，裂隙較為發(fā)育，采空區(qū)(煤系地層)有一定積水而表現(xiàn)為低阻形態(tài)。3100線5000—5160點和5500—5560點區(qū)域，8號煤層位置視電阻率值明顯較低，推測該區(qū)域采空區(qū)有積水；3000線5000—5260點和5460—5560點區(qū)域，8號煤層位置視電阻率值明顯較低，推測該區(qū)域采空區(qū)有積水。

(2)瞬變電磁視電阻率順層切片圖分析。根據(jù)勘探區(qū)內(nèi)已知地質(zhì)資料和鉆孔資料，分別以8號、12號和15號煤底板等高線為基礎(chǔ)作各煤層視電阻率順層切片圖，分析各主采空煤層采空區(qū)分布及其積水情況。一般來說有巖溶、裂隙存在且充水時，相對于完整的巖石的視電阻率值較低。同一探測區(qū)域視電阻率的絕對高低又與巖石的充水強弱有關(guān)，強積水區(qū)巖層其電阻率值相對于弱積水區(qū)的電阻率值要低。針對各煤層所做的順層切片圖中，可推測采空區(qū)范圍內(nèi)以相對的低阻區(qū)域為本區(qū)的采空積水區(qū)域。結(jié)合分析礦方提供地質(zhì)資料，制作8號、12號、15號煤層順層視電阻率切片圖，如圖4所示。

圖4 煤層瞬變電磁視電阻率平面Fig.4 Transient electromagnetic apparent resistivity plane

圖4(a)中，1測區(qū)南部視電阻率等值線明顯較低，推測為8號煤層采空積水區(qū)；圖4(b)中，1測區(qū)南部視電阻率等值線明顯較低，推測為12號煤層采空積水區(qū)；圖4(c)中，1測區(qū)南部視電阻率等值線明顯較低，推測為15號煤層采空積水區(qū)。

綜上所述，推測1測區(qū)內(nèi)8號、12號及15號煤層均已開采，其采空積水區(qū)主要集中在測區(qū)的西南區(qū)域。

3 激電測深勘查

3.1 激電測深異常判別分析

所測視電阻率是一個相對值，與巖層物性及觀測裝置參數(shù)有關(guān)，也受其圍巖電阻率值高低的影響。所以，判定異常的主要標準是：此次所測得的視電阻率曲線基本上為HA型，首支視電阻率值較低，為淺部新生界松散層黃土、黏土、亞黏土的低電阻特性相符。第1個H型中部視電阻率較低二疊系砂泥巖互層地層，電阻率較低；第2個A型中支為相對中高阻，為石炭煤系地層電阻率較高相對應；而曲線尾支呈高角度近45°上升，其視電阻率值最高，反映了深部奧陶系灰?guī)r地層的高阻率電性特征。若測深曲線異常且本測區(qū)典型曲線為HA電阻率曲線形態(tài)，則判定為視電阻率異常[8-10]。

激電測深數(shù)據(jù)異常判定：通常激電參數(shù)視極化率M1、M2值、半衰時Th值均相對較高且異常幅度超出背景值30%以上時，推測判定采空區(qū)積水(圖5)。

圖5 某點激電測深視極化率M1、M2曲線及視半衰時Th曲線Fig.5 Apparent polarizability M1 and M2 curves of a certain point IP sounding and the Th curve of the apparent half-life

由圖5可知，測點位置在AB/2=400 m附近，激電參數(shù)視極化率M1、M2值、半衰時Th值均相對較高，異常幅度超出背景值60%左右，衰減度D超出背景值30%以上。根據(jù)定量解釋結(jié)果，推斷該點在400 m段深度的地層較富水，若是采空區(qū)可推測為采空積水。

3.2 激電測深數(shù)據(jù)分析

通過激電測深數(shù)據(jù)分析，共推測圈定采空積水平面位置4處：1測區(qū)1處，3測區(qū)1處，4測區(qū)2處。視電阻率ρs、視極化率Ms、半衰時Th、衰減度D是此次激電測深獲取的主要技術(shù)參數(shù)。通常采空積水位置特征時低視電阻率、高視極化率、半衰時異常變化、高衰減度異常。通過激電測深數(shù)據(jù)分析，3200線6400點位置激電測深曲線如圖6所示，在AB/2為50 m左右，表現(xiàn)為低視電阻率、高視極化率、半衰時異常變化、高衰減度異常，符合采空積水區(qū)異常特征(圖6)，推測為煤層采空積水區(qū)。地質(zhì)資料顯示，該深度位置為8號煤層采空區(qū)，并且與瞬變電磁資料相互印證，為8號煤層采空積水區(qū)。

圖6 3200線6400點激電測深曲線Fig.6 3200 line 6400 point IP sounding curve

4 電法探測

4.1 采空區(qū)及采空積水區(qū)分布

(1)8號煤層采空區(qū)及采空積水區(qū)分布。推測圈定測區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)4處，全部覆蓋礦區(qū)的4個測區(qū)范圍，8號煤層CK01、CK02、CK03、CK04面積分別為168 846.5、55 103.2、84 762.2、113 597.2 m2。推測圈定采空積水區(qū)4處：1測區(qū)1處，8號煤層CKJS01面積為44 586.7 m2；3測區(qū)1處，8號煤層CKJS02面積為9 701.5 m2；4測區(qū)2處，8號煤層CKJS03面積為15 384.1 m2、CKJS04面積為34 131.1 m2。

(2)12號煤層采空區(qū)及采空積水區(qū)分布。推測圈定測區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)4處，全部覆蓋礦區(qū)的4個測區(qū)范圍，12號煤層CK01、CK02、CK03、CK04面積分別為168 846.5、55 103.2、33 622.3、113 597.2 m2。推測圈定采空積水區(qū)1處，1測區(qū)12號煤層CKJS01面積為17 997.4 m2。

(3)15號煤層采空區(qū)及采空積水區(qū)分布。推測圈定測區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)2處，全部覆蓋礦區(qū)的1測區(qū)和4測區(qū)范圍，15號煤層CK01、CK04面積分別為168 846.5、113 597.2 m2。推測圈定采空積水區(qū)1處，1測區(qū)處15號煤層CKJS01面積為10 154.9 m2。

4.2 電法成果應用效果

(1)推測了區(qū)內(nèi)8號、12號和15號煤層采空區(qū)分布情況，圈定了測區(qū)內(nèi)采空區(qū)范圍及采空積水區(qū)范圍。合計圈定煤層采空區(qū)10處和采空積水區(qū)6處。

(2)推測采空區(qū)及采空積水區(qū)范圍情況與礦區(qū)地質(zhì)資料基本吻合，同活性炭放射性測量結(jié)果吻合程度較高，為礦山地質(zhì)環(huán)境治理提供了可靠的前期資料。

5 活性炭測氡法采空區(qū)勘查

活性炭測氡只能測量采空區(qū)地表形成的氡異常，可以有效地圈定采空區(qū)范圍，效果顯著。但是，活性炭本身也有許多不足之處，如活性炭測量埋置時間比較長(5～7 d)，容易受氣象條件影響，容易受埋置的土壤條件影響，不能區(qū)分采空區(qū)層位、深度等[11-12]。從某礦測量成果圖中可見，測量結(jié)果異常值明顯。通過對固莊兩測區(qū)的典型剖面分析，取某礦氡作為測區(qū)采空區(qū)異常邊界值，即大于異常邊界值推測為采空區(qū)，從而推測采空區(qū)位置。

某礦異常邊界值為1 500 Bq/m3，推測采空區(qū)5個，分別為采1、采2、采3、采4、采5。①采1位于某礦西北，反應測線4—11，推測采空區(qū)面積0.44 km2。②采2位于某礦中部偏西，反應測線3—30，推測采空區(qū)面積2.71 km2。③采3、采4位于某礦東北，反應測線31—45，推測采空區(qū)面積采3(0.67 km2)、采4(0.13 km2)。④采5位于某礦東南，反應測線39—60，推測采空區(qū)面積0.37 km2。通過與礦區(qū)收集的已知采空區(qū)資料相對比，吻合較好，說明了活性炭探測采空區(qū)的合理可行性。

6 鉆探驗證

6.1 鉆探情況

此次專項調(diào)查鉆探項目某礦設計工作量為900 m，實際施工913.49 m，施工達到設計要求，終孔層位均為太原組15號煤底，完成鉆孔5個，見煤14層，見采空區(qū)4層。詳細的鉆孔統(tǒng)計見表1。

表1 鉆探工程鉆孔統(tǒng)計Tab.1 Activated carbon results of a mine

工作區(qū)位于沁水盆地東北邊緣，按地層區(qū)劃屬于華北地層區(qū)山西分區(qū)陽泉小區(qū)，地層走向北西南東，傾向南西。區(qū)域內(nèi)除志留系、泥盆系、白堊系沉積缺失外，二疊系、三疊系、石炭系、奧陶系、寒武系地層，均有不同厚度的沉積。從東向西寒武、奧陶、石炭至二疊系、三疊等地層地表均有出露，第四系、第三系不整合覆蓋于各時代地層之上。

此次鉆探工程的5個鉆孔，涉及的地質(zhì)條件較簡單：①地層主要為第四系地層、二疊系地層和石炭系地層，第四系巖性主要為殘坡積、黏土和沖洪積堆積體；二疊系主要包括下石盒子組和山西組地層，主要巖性為砂巖、泥巖及少量煤層。鉆孔典型巖心照片如圖7所示。②鉆孔內(nèi)整體構(gòu)造較弱，但受到采空區(qū)的影響，巖體多有碎裂化，節(jié)理裂隙發(fā)育，鉆孔內(nèi)存在多層破碎帶。

圖7 鉆孔典型巖心照片F(xiàn)ig.7 Typical core photo of borehole

6.2 主要地質(zhì)現(xiàn)象

此次鉆探工程主要反映了采礦區(qū)分布特征、地層特征、巖體變化特征、采空塌陷分帶特征及含水層破壞特征。各個鉆孔特征具有一定差異，但整體特征基本一致。受到采空區(qū)的影響，上層巖體發(fā)生了不同程度的變化，根據(jù)一些學者的研究成果，結(jié)合鉆孔巖心特征，將采空區(qū)以上變形巖層自下而上分為3個典型區(qū)域：冒落帶、斷裂帶和彎曲帶。斷裂帶巖層向下沉，并發(fā)生破裂，產(chǎn)生大量裂隙。巖心多為短柱狀和塊狀，一組陡傾的裂隙極發(fā)育，該鉆孔斷裂帶巖體主要為炭質(zhì)泥巖，巖體層理發(fā)育，巖心破碎。冒落帶是由采空區(qū)頂板巖體破裂塌落而形成的，冒落巖塊大小不一，巖心主要呈碎塊狀，采取困難。

綜上所述，此次物探工作查明8號煤層采空區(qū)異常4處，推斷采空面積共計422 309 m2；12號煤層采空區(qū)異常4處，采空面積共計371 169.2 m2；15號煤層采空區(qū)異常2處，采空面積共計282 443.7 m2。井田內(nèi)各煤層共有采空積水區(qū)55處，礦井總積水面積為1 037 517 m2，總積水量2 253 232 m3。

7 結(jié)論

(1)通過瞬變電磁法勘查得出，推測1測區(qū)內(nèi)8號、12號及15號煤層均已開采，其采空積水區(qū)主要集中在測區(qū)的西南區(qū)域。

(2)通過激電測深勘查得出，共推測圈定采空積水平面位置4處：1測區(qū)1處，3測區(qū)1處，4測區(qū)2處。

(3)通過電法探測，推測了區(qū)內(nèi)8號、12號和15號煤層采空區(qū)分布情況，圈定了測區(qū)內(nèi)采空區(qū)范圍及采空積水區(qū)范圍，合計圈定煤層采空區(qū)10處和采空積水區(qū)6處。

(4)通過活性炭測氡法采空區(qū)勘查，推測采空區(qū)5個：采1、采2、采3、采4、采5。

(5)此次鉆探工程主要反映了工作區(qū)采礦區(qū)分布特征、地層特征、巖體變化特征、采空塌陷分帶特征及含水層破壞特征。