瞬變電磁法在遺留采空區(qū)的勘查效果

陸一鋒 周 庭 郝柏園

（1.江蘇中煤地質(zhì)工程研究院有限公司，江蘇 常州 213000；2.常州市自然資源和規(guī)劃局鐘樓分局，江蘇 常州 213000）

采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被開(kāi)采后的空洞及其圍巖變形失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開(kāi)裂、破碎垮落、直至上覆巖土層整體彎曲、下沉所引起的地表變形和破壞的地區(qū)或范圍[1]。采空區(qū)會(huì)直接引發(fā)建筑物開(kāi)裂、地面沉降、塌陷、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)對(duì)既有建筑帶來(lái)不同程度的安全隱患，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了較大的威脅，嚴(yán)重影響區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定[2]。隨著常州市城市化發(fā)展越來(lái)越快，對(duì)土地的需求也不斷擴(kuò)大，一些涉及煤礦采空區(qū)的土地也將會(huì)被開(kāi)發(fā)和利用。而這些土地在開(kāi)發(fā)利用之前，采空區(qū)的探測(cè)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及后期治理都是土地建設(shè)開(kāi)發(fā)所需要面對(duì)并解決的問(wèn)題。

卜弋煤礦位于江蘇省常州市鐘樓區(qū)鄒區(qū)鎮(zhèn)，為20 世紀(jì)末遺留下來(lái)的老煤礦，在礦區(qū)下部形成了范圍比較大的采空區(qū)。采空區(qū)的存在不僅嚴(yán)重威脅附近周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也直接對(duì)該地區(qū)的土地開(kāi)發(fā)利用和城市建設(shè)帶來(lái)不利的影響。因此急需找到一種勘探方法，來(lái)精準(zhǔn)、快速地探明卜弋煤礦歷史遺留采空區(qū)的空間分布區(qū)域和埋藏深度。

地球物理勘探是利用地下介質(zhì)的物性差異和變化來(lái)探測(cè)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件。探測(cè)采空區(qū)的地球物理勘探方法主要有人工地震法、電磁法以及電阻率法等[3-6]。卜弋煤礦的采空區(qū)形狀不規(guī)則，埋藏深度大，現(xiàn)有資料較少，要準(zhǔn)確地探測(cè)出采空區(qū)的分布范圍具有一定的難度。通過(guò)分析勘探區(qū)的構(gòu)造特征、水文特征及地球物理特征，認(rèn)為煤礦采空區(qū)在充水后，其電阻率與圍巖相比呈低阻特征，因此本次勘查選擇了對(duì)低阻異常比較敏感的瞬變電磁法作為主要手段來(lái)對(duì)卜弋煤礦采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 地形地貌

卜弋煤礦位于長(zhǎng)江三角洲沖積平原，地形平坦，海拔高程低，地面標(biāo)高+2.27～+7.00 m。測(cè)區(qū)內(nèi)河流縱橫、河塘密布，水系比較發(fā)育，周邊還有多個(gè)村莊分布。

1.2 地層巖性特征

卜弋煤礦為全掩蓋區(qū)，第四系沖積層厚達(dá)110～158 m。下部基巖由老至新分別為：二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，主要由細(xì)砂巖、粉砂巖及泥巖組成；三疊系中下統(tǒng)青龍群，主要由灰?guī)r組成；白堊系上統(tǒng)浦口組，巖性為紫紅色礫巖；白堊系上統(tǒng)赤山組，巖性為紅色中細(xì)砂巖；第三系始新統(tǒng)阜寧組，巖性為灰綠色泥質(zhì)粉砂巖夾淺灰色鈣質(zhì)泥巖。

可采煤層主要賦存在二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，采空區(qū)也主要分布在這層。煤層開(kāi)采厚度在0.1～2.5 m之間，平均1.30 m，傾角15°～20°。

1.3 構(gòu)造

蘇南煤田位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的下?lián)P子-錢塘褶皺的東北部，而卜弋煤礦則處在溧陽(yáng)-江陰隆起中部的次級(jí)短軸背斜上。卜弋煤礦總體構(gòu)造形態(tài)為一斜歪背斜，傾伏方向?yàn)镹E 向。該背斜位于走向北東向的卜弋橋逆斷層和走向北北東的竹巷村正斷層之間，并受到后期北西西向新華村右旋平移正斷層的切割破壞[7]。卜弋煤礦的主要部分為該斜歪背斜的東南翼，地層總體走向?yàn)镹NE 向，地層傾角較平緩。

1.4 水文特征

卜弋煤礦為一向北東傾伏的背斜構(gòu)造，煤層頂板生物灰?guī)r屬弱巖溶裂隙承壓水層，其上為厚層泥質(zhì)粉砂巖、頁(yè)巖等隔水層與上覆青龍灰?guī)r、白堊系礫巖等含水層所隔離，礦井涌水量較小，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。但是由于井田煤系遭受二次剝蝕，在井田北翼由于外力剝蝕了煤系，縮短了煤層與上覆含水層間距，使之小于防水煤柱高度，甚至部分煤層被剝蝕，直至上2煤頂板，使上述區(qū)域成為煤層富水區(qū)。上覆含水層水可以通過(guò)不整合的剝蝕面滲入煤層，造成煤面透水事故的發(fā)生。水文地質(zhì)條件由簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)為中等。

礦井主要水害為礫巖含水層，結(jié)合礦井涌水量補(bǔ)給條件、古地貌形態(tài)、井田構(gòu)造及煤層賦存穩(wěn)定性等因素綜合分析，礦井水文地質(zhì)條件應(yīng)屬為簡(jiǎn)單-中等類型，屬巖溶充水礦床。

1.5 地球物理特征

卜弋煤礦地層巖性以泥巖、砂巖及煤層為主，地層呈層狀分布。在煤層未開(kāi)采的情況下，電性特征在水平方向上的變化是比較均一的，在垂直方向上的變化應(yīng)與地層變化相一致。但煤層開(kāi)采后，煤層頂板塌陷會(huì)形成三帶，破壞了橫向上地層的均一性[8]。且由于測(cè)區(qū)內(nèi)水資源比較豐富，開(kāi)采年代比較久遠(yuǎn)，地下水沿著裂隙在采空區(qū)逐漸富集，使該采空區(qū)附近區(qū)域電阻率明顯降低，與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異。因此，勘查區(qū)擁有進(jìn)行瞬變電磁勘查的電性條件。

1.6 煤礦開(kāi)采歷史

卜弋煤礦于1969 年9 月27 日開(kāi)始建井，先施工主、副斜井，因第四系流砂層層數(shù)多、厚度大，施工技術(shù)工藝存在問(wèn)題，斜井難以過(guò)流砂，后改為立井開(kāi)拓，于1976 年10 月26 日建成投產(chǎn)。開(kāi)拓方式為副井在-300 m水平，軌道下山在-450 m水平，風(fēng)井在-150 m 水平再由分段斜井延至-450 m 水平，采用走向長(zhǎng)壁式采煤方法。

礦井建成投產(chǎn)后，開(kāi)采上1 煤層，首采水平-150～-300 m。1982 年1 月，第一生產(chǎn)水平（-300 m 水平）開(kāi)采結(jié)束，生產(chǎn)原煤26 萬(wàn)t。根據(jù)卜弋井田1992 年6 月2 日礦井、采區(qū)回收率調(diào)查表為80%，礦井水平回采率為77.71%。截至1994 年未，全礦采出原煤86.6 萬(wàn)t，開(kāi)采-450 m 第二生產(chǎn)水平。1995 年礦井停采關(guān)閉。目前，井口已經(jīng)關(guān)閉密實(shí)，斜井位置已改為廠房用地，立井位置已經(jīng)改為駕校，地面已無(wú)井口殘留跡象。

2 地球物理勘查

2.1 工作裝置

瞬變電磁法的剖面法工作裝置有許多種，但根據(jù)本次工作的目標(biāo)任務(wù)、地表地物條件、卜弋煤礦地層特征、地球物理特性和以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，本次瞬變電磁勘查選擇重疊回線裝置進(jìn)行電性數(shù)據(jù)觀測(cè)采集的工作。它是采用小線框，在不存在一次場(chǎng)源干擾的情況下，在脈沖間隙進(jìn)行電磁場(chǎng)變化的觀測(cè)。

2.2 試驗(yàn)工作

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，先進(jìn)行瞬變電磁法參數(shù)試驗(yàn)，來(lái)選取一個(gè)既能達(dá)到勘探目的、又能壓制干擾的施工參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本次工作進(jìn)行了多次不同發(fā)射電流和不同發(fā)射線框的試驗(yàn)（圖1）。當(dāng)供電電流為300 A 的時(shí)候，衰減曲線尾支出現(xiàn)了干擾跳變，而供電電流500 A 和700 A 衰減曲線壓制干擾逐漸增強(qiáng)，發(fā)射電流越大，裝置的抗干擾能力越強(qiáng)。發(fā)射框?yàn)?.5 m×1.5 m 的衰減曲線互感強(qiáng)烈，發(fā)射框?yàn)? m×3 m 的衰減曲線能有效壓制干擾，互感較小。最后選擇供電電流為700 A、選擇發(fā)射框?yàn)? m×3 m 來(lái)進(jìn)行瞬變電磁數(shù)據(jù)采集。

圖1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

2.3 瞬變電磁勘查工作

2.3.1 工程部署

兩組患者治療后6h、24h、48h、72h的血乳酸水平,顯著下降,且與對(duì)照組患者的血乳酸水平相比,治療組患者明顯更優(yōu)(P<0.05)。詳見(jiàn)表1。

勘查區(qū)屬構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜、煤層不穩(wěn)定的類型，為了有效控制采空區(qū)的空間形態(tài)分布規(guī)律，本次采用勘查網(wǎng)布置系統(tǒng)控制采空區(qū)。卜弋煤礦的構(gòu)造走向?yàn)镹NE 向，因此布設(shè)物探測(cè)線時(shí)，選擇與構(gòu)造走向近似垂直的E-W 向。根據(jù)地形和地質(zhì)條件，本次勘查測(cè)網(wǎng)網(wǎng)度設(shè)置用80 m×40 m，即線距為80 m，點(diǎn)距為40 m；線號(hào)編排采用L1、L2、L3 等遞增，點(diǎn)號(hào)編排采用1000、1040、1080 等距離遞增，如L1-1200 表示線號(hào)L1、點(diǎn)號(hào)1200。物探點(diǎn)覆蓋整個(gè)采空區(qū)的可能分布范圍。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集

瞬變電磁野外數(shù)據(jù)采集施工嚴(yán)格按照《煤炭電法勘探規(guī)范》《地面磁性源瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》和設(shè)計(jì)方案要求進(jìn)行。施工過(guò)程中，特別是受地形地物等條件的影響時(shí)，采取了適當(dāng)偏移等措施進(jìn)行定位，以確保線框的擺放精度符合“規(guī)程”要求，對(duì)移動(dòng)的測(cè)點(diǎn)和發(fā)射回線的擺動(dòng)情況做詳細(xì)記錄；對(duì)于無(wú)法布設(shè)測(cè)點(diǎn)地段，采取了將該處測(cè)點(diǎn)偏移、加密至附近異常區(qū)，保證資料完整性。此次瞬變電磁野外數(shù)據(jù)采集共施工完成19 條勘探線、492 個(gè)物理點(diǎn)。施工物理點(diǎn)位置如圖2。

圖2 瞬變電磁物探點(diǎn)布置圖

2.3.3 資料處理

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，實(shí)時(shí)觀察衰減曲線的畸變，保證迭代的相對(duì)誤差小于5%。對(duì)穿過(guò)居民聚集區(qū)的區(qū)段，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾情況，及時(shí)調(diào)整發(fā)射電流的大小，改變迭代的次數(shù)，以便獲得高質(zhì)量的原始采集數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)資料處理過(guò)程中，對(duì)那些明顯不符合實(shí)際（隨機(jī)電磁干擾引起）的觀測(cè)數(shù)據(jù)挑選出來(lái)刪除，對(duì)由高壓線、鐵器等物體引起的電磁干擾，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)班報(bào)的記錄情況，對(duì)受干擾的觀測(cè)數(shù)據(jù)采用平滑、濾波等處理手段，從而確保野外采集的原始數(shù)據(jù)符合現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的地質(zhì)情況。

2）數(shù)據(jù)反演處理

3）數(shù)據(jù)成圖

將反演輸出的測(cè)線數(shù)據(jù)文件進(jìn)行編輯，加入各測(cè)點(diǎn)高程，然后使用surfer 軟件繪制各測(cè)線視電阻率斷面圖。

4）平面圖制作

根據(jù)已有的各煤層底板等高線圖將各煤層繪制到TEM 視電阻率斷面圖上，相應(yīng)的圈定測(cè)線上采空區(qū)的范圍，然后在平面圖上繪制全區(qū)的采空區(qū)分布范圍圖。

2.4 資料解譯

2.4.1 斷面圖解譯

在視電阻率斷面圖上，如果地下煤層沒(méi)有被采空且地層沒(méi)有被導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造切割的情況下，視電阻率變化應(yīng)該與實(shí)際地層相對(duì)應(yīng)，在橫向、垂向上的變化具有一定的規(guī)律，表現(xiàn)為在縱向上視電阻率等值線均勻連續(xù)變化，在橫向上視電阻率值比較穩(wěn)定，等值線近似呈水平狀形態(tài)，變化比較平緩，無(wú)較大的褶曲躍變。如果地下煤層被采空，由于勘查區(qū)地理位置位于長(zhǎng)江三角洲平原區(qū)，地下水比較豐富，因此在采空區(qū)范圍將形成一個(gè)低阻異常區(qū)?？辈閰^(qū)還分布有多條導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造，也會(huì)形成低阻異常區(qū)。綜上，采空區(qū)和導(dǎo)水?dāng)嗔堰@兩個(gè)因素將造成視電阻率數(shù)值出現(xiàn)低阻異常，等值線發(fā)生扭曲、變形或呈密集條帶狀等。以下對(duì)L8 線、 L13 線資料解釋進(jìn)行闡述（圖3）。

圖3 L8 線、L13 線視電阻率斷面圖

L8 線位于勘查區(qū)的中部偏南，剖面長(zhǎng)1080 m。在樁號(hào)1550左右，視電阻率等值線梯度變化比較大，往大號(hào)方向視電阻率值變低，視電阻率等值線呈現(xiàn)低阻閉合圈，形成低阻異常，推斷該處為采空區(qū)的電性反應(yīng)；往小號(hào)方向，視電阻率值變高，等值線的變化也比較平緩，推斷為正常地層的電性反應(yīng)；由此推斷樁號(hào)1550 為小號(hào)端采空區(qū)邊界。在樁號(hào)2440 左右，視電阻率等值線梯度變化較大，往小號(hào)方向視電阻率值變低，視電阻率等值線呈向下彎曲，形成低阻異常，推斷該處為采空區(qū)的電性反應(yīng)；往大號(hào)方向，視電阻率值變高，等值線變化也趨向平緩，推斷為正常地層的電性反應(yīng)；由此推斷樁號(hào)2430 為大號(hào)端采空區(qū)邊界。在樁號(hào)1900、2100 位置附近，各有一個(gè)視電阻率等值線變化梯度帶，根據(jù)收集的地質(zhì)資料推斷為斷層的電性反應(yīng)。

L13 線位于勘查區(qū)的中部偏北，剖面長(zhǎng)1080 m。在樁號(hào)1600左右，視電阻率等值線梯度變化比較大，往大號(hào)方向視電阻率值變低，視電阻率等值線呈現(xiàn)低阻閉合圈，形成低阻異常，推斷該處為采空區(qū)的電性反應(yīng)；往小號(hào)方向，視電阻率值變高，等值線的變化也比較平緩，推斷為正常地層的電性反應(yīng)；由此推斷樁號(hào)1600 為小號(hào)端采空區(qū)邊界。在樁號(hào)2430 左右，視電阻率等值線梯度變化較大，往小號(hào)方向視電阻率值變低，視電阻率等值線呈現(xiàn)低阻閉合圈，形成低阻異常，推斷該處為采空區(qū)的電性反應(yīng)；由此推斷樁號(hào)2430 為大號(hào)端采空區(qū)邊界。在樁號(hào)1750、1800 附近，各有一個(gè)視電阻率等值線變化梯度帶，呈低阻異常，根據(jù)收集的地質(zhì)資料推斷為導(dǎo)水?dāng)鄬拥碾娦苑磻?yīng)，樁號(hào)1750 位置的斷層為游塘廟正斷層。在樁號(hào)2000、2200 附近，各有一個(gè)小的視電阻率等值線梯度變化，視電阻率值較低，推測(cè)是小斷層的電性反應(yīng)。

2.4.2 成果平面圖解釋

通過(guò)對(duì)全區(qū)19 條視電阻率斷面圖進(jìn)行綜合分析、研究、對(duì)比，劃定了煤層采空區(qū)的范圍（圖4）。

圖4 采空區(qū)范圍推斷成果圖

該煤層采空區(qū)位于勘查區(qū)中部，由測(cè)線L3～L17控制，控制程度較高，南北兩頭小、中間大，形狀不規(guī)則，面積約為0.84 km2，涉及游唐廟、湖北村、段莊等多個(gè)村莊，省道239 也有1000 m 左右的長(zhǎng)度在采空區(qū)范圍內(nèi)。采空區(qū)埋深在150～450 m 之間。在勘查區(qū)內(nèi)局部斷層比較發(fā)育，視電阻率較高，推測(cè)斷層附近的小部分煤層可能未采。

從現(xiàn)有的已知資料及本次物探成果來(lái)看，受采空區(qū)影響，地層穩(wěn)定性遭到破壞，塌陷變形導(dǎo)致裂隙發(fā)育，采空區(qū)存在一定的富水。

3 結(jié)論

1）將瞬變電磁法用于常州市老煤礦遺留采空區(qū)的采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查是可行的。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘、資料收集和參數(shù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，瞬變電磁對(duì)遺留采空區(qū)的低阻異常具有較明顯的反應(yīng)，可以對(duì)采空區(qū)范圍進(jìn)行快速準(zhǔn)確的圈定，節(jié)省了大量的時(shí)間和勘探費(fèi)用。

2）卜弋煤礦遺留采空區(qū)的面積約為0.84 km2，埋深在150～450 m 之間，采空區(qū)內(nèi)地層的視電阻率值偏低，說(shuō)明地層受采空區(qū)影響，穩(wěn)定性遭到破壞，塌陷變形導(dǎo)致裂隙發(fā)育，地下水匯集，采空區(qū)內(nèi)存在一定的富水。

3）物探解譯一般具有多解性，在后續(xù)的土地利用開(kāi)發(fā)和采空區(qū)治理階段，還需要配合其他勘探手段（如鉆探）來(lái)進(jìn)行詳細(xì)勘查和互相驗(yàn)證，提高采空區(qū)分布范圍的精度。