曹永剛(吉林省煤田地質(zhì)局物測隊(duì)，吉林 長春 130000)

0 引言

煤炭是我國的主要能源之一，煤礦開采后會(huì)形成采空區(qū)，由此對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定破壞。為減輕采空區(qū)的影響和危害，需要采取有效的方法，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測，此項(xiàng)工作成為地質(zhì)勘探的重要任務(wù)。下面就綜合物探在煤田采空區(qū)勘查中的應(yīng)用展開分析探討。

1 勘查區(qū)域基本情況介紹

本次研究中所選的勘查區(qū)域?yàn)槟趁禾?，在勘查區(qū)的東部存在出露煤層，巖性相對(duì)比較復(fù)雜。在勘查區(qū)的西部，分布有沖洪積物，以風(fēng)化巖、砂礫石為主，厚度從0～10m不等。在礫石層內(nèi)賦存有潛水，水層相對(duì)較薄，多分布于沖溝之內(nèi)，以季節(jié)性賦水為主。由該煤田的開采資料可知，在對(duì)煤炭資源進(jìn)行開采時(shí)，受地下水的影響比較嚴(yán)重，并且曾經(jīng)發(fā)生過涌水事故，礦井的涌水量約為30m3/d。在該勘查區(qū)域范圍內(nèi)的地表水流均不具備常年性，以斷斷續(xù)續(xù)的形式為主，雨水及其他地表水全部都是以下滲的方式補(bǔ)給地下水。在該勘查區(qū)的含水層之間，存在一些透水性比較差的泥質(zhì)粉砂巖，各層間的水力聯(lián)系變得比較微弱。通過對(duì)勘查區(qū)內(nèi)的巖石進(jìn)行取樣測試可知，層狀結(jié)構(gòu)是基巖的主要結(jié)構(gòu)形式，巖石的質(zhì)地相對(duì)比較軟弱，為典型的軟質(zhì)巖體，力學(xué)強(qiáng)度比較高。

2 綜合物探在煤田采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

2.1 勘查區(qū)綜合物探的可行性

在煤礦采空區(qū)勘查中，采用某種物探方法進(jìn)行勘查，雖然可以使操作過程變得簡單，但由于單一的物探方法具有多解性的特點(diǎn)，所以很難保證勘查結(jié)果的準(zhǔn)確性。為解決這一問題，可以采用多種物探方法相結(jié)合，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測，從而使勘查結(jié)果更加準(zhǔn)確[1]。本次采用的物探方法為高密度電法、瞬變電磁法，并配合地震反射波法。選取具有代表性兩條測線，用上述方法進(jìn)行探測，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。其中高密度電法、地震反射波法、瞬變電磁法的勘探深度分別控制在100m、150～200m和300～400m，這樣做的主要目的是為了對(duì)解釋效果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。采空區(qū)內(nèi)巖石視電阻率＞60Ω·m，密度在1.4～1.8g/cm3的煤巖，波阻抗為16.8～32.4(104g/s·cm2)，密度在2.31～2.57g/cm3的泥、砂巖的波阻抗為55.4～90.0(104g/s·cm2)。在對(duì)該勘查區(qū)的基本特征進(jìn)行分析后得出如下結(jié)果：具備采用多種物探方法進(jìn)行探測的前提條件，綜合物探在該采空區(qū)勘查中具有良好的可行性[2]。

2.2 綜合物探的應(yīng)用

2.2.1 高密度電法

高密度電法歸屬于陣列勘探方法的范疇，其應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在電極可一次性布設(shè)完成，避免了多次布設(shè)產(chǎn)生的干擾問題，為快速測量提供了條件；可對(duì)多種電極排列方式進(jìn)行掃描測量，能夠準(zhǔn)確獲得豐富的地電斷面結(jié)構(gòu)特征；信息豐富、解釋方便。在對(duì)本文中的勘查區(qū)進(jìn)行高密度電發(fā)探測時(shí)，選用的儀器型號(hào)為WGMD-9，這是一套超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，上電開機(jī)后，可對(duì)勘查區(qū)內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，施測方式為高密度α排列，當(dāng)測線的長度比較長時(shí)，可以進(jìn)行分布式測量，這樣可以使探測的有效范圍與瞬變電磁法的測線相重合[3]。

(1)測線A。該條測線的點(diǎn)間距按照5.0m進(jìn)行布設(shè)，剖面的總層數(shù)為19層，整條測線的實(shí)際長度為990m。圖1為綜合物探成果斷面示意圖。

圖1 測線A高密度電法和瞬變電磁法的成果斷面示意圖

從圖1中可以看出，斷面的高程變化在760～865m這一區(qū)間范圍內(nèi)，本次探測的實(shí)際深度在105m左右，視電阻率值的變化區(qū)間在5.0～275Ω·m，通過不同的色級(jí)對(duì)視電阻率值進(jìn)行表示，按照從小到大的順序，色級(jí)由深藍(lán)到大紅。在淺表分布有漸變藍(lán)色，視電阻率值的變化區(qū)間在5.0～30Ω·m，這是該勘查區(qū)內(nèi)潮濕巖層的電性反應(yīng)所致。不同的測線長度對(duì)應(yīng)的高程均不相同，但卻都出現(xiàn)高阻異常封閉圈，視電阻率值的變化區(qū)間在100～280Ω·m。引起高阻異常的原因與煤礦采空之后所形成的空體有關(guān)[4]。全部異常均反映在瞬變電磁剖面圖上。

(2)測線B。該條測線的點(diǎn)間距按照10m進(jìn)行布設(shè)，剖面的總層數(shù)與測線A相同，即19層，整條測線的實(shí)際長度比測線A短100m，為890m。圖2為綜合物探成果斷面示意圖。

從圖2中可以清楚的看到，斷面的高程變化在770～875m這一區(qū)間范圍內(nèi)，本次探測的實(shí)際深度約為105m，視電阻率的變化區(qū)間在8.0～300Ω·m，通過不同的色級(jí)對(duì)視電阻率值進(jìn)行表示，按照從小到大的順序，色級(jí)由深藍(lán)到大紅。在淺表分布有漸變藍(lán)色，視電阻率值的變化區(qū)間在8.0～35Ω·m，這是該勘查區(qū)內(nèi)潮濕巖層的電性反應(yīng)所致。整條測線上，有兩處出現(xiàn)高阻異常封閉圈，一處為240～335m，另一處在430～540m，視電阻率值的變化區(qū)間在80～300Ω·m。引起高阻異常的原因與煤礦采空之后所形成的空體有關(guān)。全部異常均反映在瞬變電磁剖面圖上。由高密度電阻率反演圖可知，高阻異常半封封閉圈出現(xiàn)在測線的640～735m上，但該異常卻并未呈現(xiàn)在瞬變電磁剖面圖上。通過對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行分析后得出如下結(jié)論：該異常為煤礦采空區(qū)的宏觀反應(yīng)所致。

2.2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種利用脈沖磁場，探測介質(zhì)電阻率的物探方法，通過該方法可獲得不同深度的地電特征。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在探測效率高，對(duì)低阻體具有非常高的敏感性，是煤田勘探的首選方法之一，不會(huì)受到地形的影響，可以提供大量有利用價(jià)值的信息。

(1)剖面A。該剖面上的測點(diǎn)按照10m間距進(jìn)行布設(shè)，整個(gè)剖面的長度為540m，剖面的具體方向?yàn)楸睎|15°。將測點(diǎn)的間距設(shè)置為橫軸，高程設(shè)定為縱軸，選用1:2000的比例尺。圖3為剖面A瞬變電磁物探成果斷面示意圖。

圖3 剖面A瞬變電磁物探成果斷面示意圖

從圖3中可以看出，該斷面的高程變化在650～860m這一區(qū)間范圍內(nèi)，本次探測的實(shí)際深度為210m，視電阻率值的變化區(qū)間在8.0～125Ω·m。高阻半封閉圈出現(xiàn)在240～340m，視電阻率值的變化區(qū)間在45～65Ω·m，主要為煤層的電性反應(yīng)所致。高阻封閉圈出現(xiàn)在450～576m，其上下兩側(cè)的視電阻率等值線存在明顯的異常波動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)過推測后得出如下結(jié)果：采空區(qū)是引起高阻封閉圈的主要原因。

(2)剖面B。該剖面上的測點(diǎn)按照10m間距進(jìn)行布設(shè)，整個(gè)剖面的長度為520m，剖面的具體方向?yàn)楸睎|15°。將測點(diǎn)的間距設(shè)置為橫軸，高程設(shè)定為縱軸，選用1:2000的比例尺。圖3為剖面A瞬變電磁物探成果斷面示意圖。

從圖4中能夠清楚的看到，該斷面的高程變化在660～857m這一區(qū)間范圍內(nèi)，本次探測的實(shí)際深度為197m，視電阻率值的變化區(qū)間在7.0～125Ω·m。高阻半封閉圈出現(xiàn)在240～297m，視電阻率值的變化區(qū)間在48～59Ω·m，主要為煤層的電性反應(yīng)所致。高阻封閉圈出現(xiàn)在453～576m，其上下兩側(cè)的視電阻率等值線存在明顯的異常波動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)過推測后得出如下結(jié)果：采空區(qū)是引起高阻封閉圈的主要原因。

圖4 剖面B瞬變電磁物探成果斷面示意圖

2.2.3 地震反射波法

在本次勘查工程中，選擇地震反射波法作為輔助方法，由該方法獲得的結(jié)果可用于地層巖性的判斷。選用的地震儀型號(hào)為WZG-24A，探測深度控制在150～200m，以對(duì)比的方法驗(yàn)證瞬變電磁法的結(jié)果。觀測方法為24道6次覆蓋，采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)通過VISTA軟件進(jìn)行處理。為確保最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要先進(jìn)行頻帶濾波和疊前去噪，并在水平疊加和時(shí)深轉(zhuǎn)換后得出最終的測量結(jié)果。

(1)測線A。該測線的總長度為500m，根據(jù)勘查區(qū)的地質(zhì)資料，在共反射點(diǎn)上，連續(xù)性比較好的反射波同相軸出現(xiàn)在CDP125-145這個(gè)區(qū)間內(nèi)，由剖面解釋可以初步推斷出其反映的是含煤地層。在共反射點(diǎn)上，存在三處同相軸錯(cuò)斷比較嚴(yán)重的部位，經(jīng)過推斷認(rèn)為是采空區(qū)引起。該探測結(jié)果與其他兩種方法所得的結(jié)果基本相同。

(2)測線B。該測線的總長度與測線A相同，即500m。通過對(duì)勘查區(qū)已有的地質(zhì)資料進(jìn)行分析，得出如下結(jié)果：在共反射點(diǎn)上連續(xù)性較好的反射波同相軸出現(xiàn)在CDP130-159這一區(qū)間范圍內(nèi)，推斷其反映的是含煤地層。在共反射點(diǎn)上有兩處比較嚴(yán)重的同相軸錯(cuò)斷，經(jīng)推測是采空區(qū)引起，這個(gè)結(jié)果，與其他兩種物探方法有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié)語

綜上所述，在對(duì)煤田采空區(qū)進(jìn)行勘查的過程中，可以對(duì)高密度電法和瞬變電磁法進(jìn)行聯(lián)合使用，由此能夠進(jìn)一步提升探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。未來一段時(shí)期，要不斷加大對(duì)物探技術(shù)的研究力度，除對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化外，還應(yīng)加快開發(fā)一些新的技術(shù)，從而使其能夠更好地為采空區(qū)探測服務(wù)。