張開偉 趙海超 王世淼

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

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多種物探技術(shù)在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究

張開偉 趙海超 王世淼

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

根據(jù)某煤礦采空區(qū)表現(xiàn)出來的地球物理特征，利用高密度電阻率法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達法三種綜合物探方法，探測了其位置、發(fā)育規(guī)模及范圍，三種物探方法相互驗證，異常位置基本一致，提高了物探成果的解釋精度。

高密度電法，瞬變電磁法，地質(zhì)雷達，采空區(qū)

0 引言

我國的煤炭開采活動具有歷史久、范圍廣、規(guī)模大等特點，而早期煤炭開采活動管理混亂，盲目開采，未能及時填埋治理形成的采空區(qū)，時間久之，引起一系列的地表沉陷、斷裂等地質(zhì)災(zāi)害，威脅人民生命財產(chǎn)安全。而因為缺少正確的開采施工圖紙，不能及時發(fā)現(xiàn)已有地下采空區(qū)，這就迫切需要采用有效的物探方法去探測采空區(qū)的位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等，以便于及時治理。

1 地球物理特征及勘探方法的選擇

1.1 地球物理特征

大部分煤層分布于覆蓋層以下，經(jīng)地下開采后，形成空洞，破壞了原有的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，應(yīng)力失衡，如未做有效的相應(yīng)支護措施，造成頂板下沉、塌陷，最終形成三帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[1],見圖1。

三帶的產(chǎn)生相應(yīng)的破壞了原有的地質(zhì)形態(tài)，也打破了該區(qū)域的正常的地球物理特征，形成采空區(qū)以下幾點特有的物理特征：

1)電阻率特征。當煤層被采空以后,若被地下水充填，因水中富含游離的鈣、鐵離子，使得采空區(qū)具有低阻高極化率的電性特征；當裂隙帶或冒落帶不充水時,僅為高阻的空氣，則采空區(qū)出現(xiàn)高阻特征,據(jù)此可確定采空區(qū)的范圍。

2)電磁波特征[2-4]?？諝馐亲匀唤缰须娮杪首畲蟆⒔殡姵?shù)最小的介質(zhì)，電磁波速最高，衰減最小。水是自然界中介電常數(shù)最大的介質(zhì)，電磁波速最低。干燥的巖石、土和混凝土其電磁參數(shù)雖有差異，但差異不大，基本上多數(shù)屬于高阻介質(zhì)，介電常數(shù)在4～9之間，屬中等波速介質(zhì)。但是由于各類巖土不同的孔隙率和飽水程度，顯現(xiàn)出較大的電磁學(xué)性質(zhì)差異。在采空區(qū)的冒落帶上下表面，存在原有巖體與空氣或地下水的界面；在裂隙帶區(qū)域，存在致密巖體與破碎松散巖體的分界面；以上兩種界面，由于界面兩側(cè)介電常數(shù)的不同，產(chǎn)生明顯的電磁性差異，利用這些差異，可探測出采空區(qū)的產(chǎn)狀埋深。

1.2 勘探方法原理

由于地下采空區(qū)情況復(fù)雜，采用單一物探方法進行探測容易造成誤判，所以我們通常采用多種物探方法進行綜合解釋。經(jīng)多次驗證，我們提出了用高密度電剖面法、瞬變電磁法相互佐證探測深部采空異常，并以地質(zhì)雷達掃面尋找淺層裂隙及采空塌陷造成的上覆地層松動帶異常，最后輔以鉆探驗證的工作方法。

1.2.1 高密度電法

高密度電法是通過人工建立地下穩(wěn)定直流電場，一次性布置若干道電極，采用數(shù)控裝置控制排列形式快速采集數(shù)據(jù)進行剖面掃描，研究地下地質(zhì)體的電阻率變化，從而查明有關(guān)地質(zhì)問題的一種直流電阻率勘探方法。

1.2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法(簡稱TEM)通過發(fā)射回線向地下發(fā)射電磁波激勵地下目標，當發(fā)射回線產(chǎn)生的一次磁場在周圍傳播過程中，遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過接收回線觀測二次場，并對觀測的數(shù)據(jù)進行分析和處理，對地下地質(zhì)體的相關(guān)物理參數(shù)進行解釋。

1.2.3 地質(zhì)雷達法

雷達探測的基本原理是使用電磁波穿透地質(zhì)介質(zhì)，當存在電磁性質(zhì)差異界面時，電磁波發(fā)生反射，根據(jù)反射波的時程與動力學(xué)特征確定介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。通常用于快速掃描、發(fā)現(xiàn)異常。

2 應(yīng)用實例

2.1 探測區(qū)地質(zhì)概況

探測區(qū)位于井陘礦區(qū)北部，屬近山丘陵地貌，地勢較平緩。本區(qū)煤田含煤系地層頂板埋深約100 m，自下而上分別為二疊系下統(tǒng)山西組黑灰色頁巖、深灰色砂巖夾薄層煤；石炭系太原組深灰、灰黑色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、頁巖夾灰?guī)r夾一層煤及本溪組鋁土頁巖、泥巖夾灰?guī)r夾薄煤層。山西組厚度約50 m，底部含煤有1層局部可采；太原組厚度約50 m，中部含煤厚度約20 m可采；本溪組厚50 m～60 m，僅見1～2薄層煤，分布不穩(wěn)定，煤層均不可采。

2.2 物探工作及解釋

按照我們提出的綜合物探方法，我們對該區(qū)域進行了探測。高密度電法采用DUK-2高密度電法測量系統(tǒng)，采用120道、點距5 m大剖面測量；瞬變電磁法使用ATEM Ⅲ型瞬變電磁儀，采用重疊回線裝置，線框邊長為50 m，點距10 m；地質(zhì)雷達法使用Zond-12 e型地質(zhì)雷達及配套非屏蔽型38 MHz天線，采用點測方式，點距1 m。下面選取三種方法在同一區(qū)域所做的數(shù)據(jù)做簡要對比解釋。

圖2為高密度電法G5號測線視電阻率等值線圖，剖面東西向布置。表層土在電性上呈低電阻率反應(yīng)，視電阻率ρs<40 Ω·m；堆積層巖性不均勻,較松散,呈較高電阻反應(yīng),視電阻率ρs=40 Ω·m～90 Ω·m；而下伏基巖為高阻電性層,視電阻率ρs在200 Ω·m左右；在剖面中部第120 m和320 m處出現(xiàn)低電阻率等值線圈，埋深在30 m左右，分析解釋為淺層采煤巷道被地下水或碎石土充填引起的低阻反應(yīng)；另外，地表水通過地層中的裂隙垂向滲透可能將第四系地層中粉土、粉質(zhì)粘土等細顆粒土運移至地層深部，會形成低阻粉質(zhì)粘土層的缺失、不連續(xù)或明顯的產(chǎn)狀變化，通過設(shè)置視電阻率ρs=40 Ω·m標志層并追蹤其形態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)標志層在第120 m和320 m處向下彎曲，因此推斷此處地層電性發(fā)生了異常，佐證了采煤巷道的存在。

圖3是與G5剖面垂直布置的T3雷達剖面，在G5剖面第120 m處相交；由T3可以看出有三處強反射信號，呈雙曲線狀態(tài)，在125 m后雷達反射信號紊亂，變?nèi)酰橛须p曲線型反射波，推測此處為空洞及松動帶反應(yīng)，此異常位置與G5的“低阻異常1”對應(yīng)。圖4是與本測線中部基本平行重合的地質(zhì)雷達T4號測線，雷達影像在第55 m～65 m埋深30 m下出現(xiàn)強烈的反射波信號，呈雙曲線狀態(tài)(見圖4空洞異常3)，分析解釋為地下空洞異常引起，與G5剖面的“低阻異常2”位置對應(yīng)。雷達剖面與高密度剖面異常位置基本吻合，說明地質(zhì)雷達法可有效發(fā)現(xiàn)淺表地層中的空洞及松動帶反應(yīng)，進一步可判斷出采空塌陷對表層地基穩(wěn)定性已經(jīng)有了一定的影響。

圖5為S29號瞬變電磁剖面，該剖面與T3平行，水平距離約20 m，本剖面反演所得視電阻率等值線圖顯示在中部有高阻異常反應(yīng)，與T3中“空洞異常2”位置對應(yīng)，因此可判斷此異常的產(chǎn)狀；北側(cè)低阻反應(yīng)與G5高密度剖面的“低阻異常1”位置對應(yīng)，而T3號地質(zhì)雷達剖面反映此處反射波同相軸錯亂，信號變?nèi)酰释茰y此區(qū)域為采空塌陷引起表層土松動、地表水滲漏造成的低電阻率異常，并可根據(jù)瞬變電磁剖面中視電阻率等值線的形態(tài)進一步大體判斷采空的空間分布形態(tài)及采空對周圍土體的影響范圍。

綜合三種物探方法互相驗證，異常位置基本一致，證明了綜合物探方法在尋找采空區(qū)的有效性。

3 結(jié)語

通過本工程實例證明，高密度電法、瞬變電磁法和地質(zhì)雷達三種物探方法相結(jié)合對于尋找煤礦采空區(qū)的有效性，高密度電法和瞬變電磁法側(cè)重尋找深部采空異常，其中高密度電法可利用電性追蹤判定地表水對地基的破壞程度，瞬變電磁可大體判斷采空區(qū)的空間展布，而地質(zhì)雷達通過尋找采空區(qū)塌陷和持力層破壞等采空區(qū)表層特征來推測采空區(qū)的位置。三種物探方法相互驗證，綜合判斷,使解釋與推斷更趨合理。

[1] 李煥春,張有朝,王士平.高密度高分辨電阻率法在采空區(qū)“三帶”的探測研究[J].河北煤炭,1999(2):38-40.

[2] 劉紅軍,賈永剛.探地雷達在探測地下采空區(qū)范圍中的應(yīng)用[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,1999,10(4):73-76.

[3] 路軍臣,蘇維濤,張濟懷.瞬變電磁法在探測小窯采空區(qū)中的應(yīng)用[J].河北煤炭,2002(2):39.

[4] 任基林,鄧金燦,蘇亞汝,等.瞬變電磁法在探明某礦區(qū)采空區(qū)方面的應(yīng)用[J].礦產(chǎn)與地質(zhì),2001(15)：69.

Study on the application of multi-geophysical prospecting techniques in mined-out area survey

Zhang Kaiwei Zhao Haichao Wang Shimiao

(HebeiConstructionSurveyAcademyCo.,Ltd,Shijiazhuang050031,China)

According to global physical features of mine-out area, the paper applies High-Density Resistivity Method, transient electromagnetic method and geological radar method, it explores its location, development scale and scope. Three kinds of physical probing methods testifies one another, and abnormal location is in accordance, which improves the interpretation accuracy of its physical probing achievement.

High-Density Resistivity Method(HDRT), transient electromagnetic method, geological radar, mined-out area

1009-6825(2017)09-0060-02

2017-01-12

張開偉(1982- )，男，碩士，高級工程師

P624

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