綜合物探在南水北調禹州采空區探測中的應用

邵根安，曹泰瑞，楊亞茹

(河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008)

0 引言

南水北調中線一期工程總干渠禹州礦區段線路位于禹州市西南，初步設計階段有繞山線和隧洞線兩種比選方案，兩條線路相鄰近，起始點和終點均相同，繞山線線路全長11.52 km，隧洞方案線路全長6.95 km，其中隧洞段全長3.65 km。無論是隧洞方案還是繞山明渠方案都無法避開禹州礦區的采空區，是南水北調中線一期工程直接穿過的唯一一段采空區。繞線采空區分布長度3.11 km，采空區層數多為一層(可采煤層厚度約1m)，多為20世紀90年代以后小煤礦開采形成，2002年以后多數已停產，采空區深度多為100～269 m，隧洞線沿線采空區長度2.05 km，多集中在三峰山一帶，采空區層數3～4層(下煤組厚2～3 m)，開采歷史長，有大、小煤礦形成的采空區，又有小煤窯、古窯形成的采空區，開采水平、采空程度、回采率大小各異。為滿足方案論證、線路比選及工程建設的需要，需要進一步查清線路沿線采空區的詳細分布情況。

地球物理勘探方法具有效率高、無損及成本低的優點，已成為煤礦采空區探測的主要手段。不同的物探方法有各自的優勢和缺點，單一的物探方法在復雜地質和開采條件下往往不能取得較好的應用效果，需要綜合運用多種物探技術進行探測，實現優勢互補。文章通過綜合運用瞬變電磁法和地震勘探法，對復雜地質條件下煤礦采空區探測進行有益嘗試，取得較好的應用效果。

1 采空區基本地質條件

1.1 地形地貌

采空區主要地貌單元為低山丘陵，地形上表現為西高東低，展布方向為東西向，區內三峰山為單斜山，自東向西沿地層走向延展，由丘陵上部耐剝蝕性強的平頂山砂巖構成。

1.2 地層巖性

2 采空區地球物理特征

表1給出了本區物探測井實測電阻率，縱、橫波波速統計值，可以看出粘土巖、泥巖等軟巖與砂巖、石英砂巖、石英砂巖夾泥巖、泥巖夾石英砂巖之間存在電阻率、縱橫波波速差別。

表1 禹州煤礦采空區物性參數表

2.1 地震地質條件

從以往禹州市各煤礦開采的情況來看，各主要煤層的開采情況如下：二1煤厚度約2～7 m，埋藏深度約300 m，局部采空。六4、六2煤厚度約1 m，埋藏深度約200 m，局部采空。研究區內各個煤層的埋藏深度不大、規模(厚度、延伸等)適中，與周圍巖體存在明顯的波阻抗差異界面，這是地震反射波法工作的物理基礎，當地震波傳播到煤層和圍巖分界面時，將產生強烈的連續反射信號；而對于煤層采空區，往往被空氣或水所填充，地震波在空氣或水中的傳播速度明顯低于在煤層中的傳播速度(V氣=340m·s-1,V水=1 400m·s-1,V煤=2 000m·s-1,V氣、V水和V煤分別表示地震波在空氣、水河煤層中的傳播速度)，因此，地震反射波在三種介質中傳播時將產生相位延遲，連續同相軸中發生波形畸變的地方為煤層采空區的響應特征。

2.2 電性特征

根據沉積學規律可知，正常煤層的電阻率具有連續性、均勻性和層理性，而且煤層的電阻率值往往遠低于周圍巖體的電阻率值，因此，正常煤層和圍巖之間存在明顯的電性差異界面，在電阻率剖面圖上表現為水平、連續的色帶特征。當煤層中出現采空區時，將打破原始煤層電性特征的均勻性和連續性，在電阻率剖面圖上表現為局部的相對高阻異?；蛳鄬Φ妥璁惓＃瑸樗沧冸姶欧ㄟM行煤層采空區探測提供了電性基礎。

瞬變電磁法是根據異常體的二次感應場信號特征進行工作的，對于高阻異常體，二次感應場信號弱且衰減快；對于低阻異常體，二次感應場信號強且衰減慢，因此，瞬變電磁法對于低阻的煤層采空區具有更好的探測效果。

3 探測成果分析

3.1 隧洞段成果分析

在隧洞線SD2+247～SD4+047處：即測線D4、D5、D6處，D4線上采空區范圍較大，六4煤在測線小號處(SD2+380～2+800樁號間)采空，采空區在地震時間剖面上表現為地震波頻率變低，在測線上長度約300 m；五2煤采空范圍很大，在整個測線上斷續分布，采空區在地震時間剖面上的響應特征表現為波頻率變低、相位轉換以及波形錯斷，但是在所分析的采空區內斷續有T5波反射軸出現，認為是保護煤柱所形成，整個五2煤采空區在測線上長度約700 m，主要在SD2+560～SD2+680、SD3+050～SD3+800處；由于上組煤被采空，及地表地震地質條件極差，下組煤反射波較弱，二1煤采空區解釋的可靠性相對降低，其范圍位于測線中部的SD3+490～SD3+900之間，在測線上長約400m。D4線上采空區分布范圍的地震解釋見圖1，D5、D6測線與D4線類似。

圖1 隧洞段D4線地震解釋圖

該段的采空區在視電阻率反演斷面圖(圖2)中表現為低阻異常，分析為采空后充水的反映。測線小號處(300～620樁號間)六4煤的采空區，反映很明顯，在高程0米以下有一視電阻率值小于28 Ωm的低阻值區，與上部的低阻層上下貫通，分析為六4煤的采空所致；在680～720和820～900樁號間，在高程-50米以下有一視電阻率值小于28 Ωm的低阻值區，與上部的低阻層未貫通，分析與地震解釋的760～1 020樁號間的五2煤采空區所對應；在1 120～1 140、1 200～1 240和1 300～1 320樁號間，在高程-180米以下有一視電阻率值小于32 Ωm的低阻值區，其上部有阻值大于35 Ωm的高阻值區，分析與地震解釋的1 100～1 400樁號間的二1煤采空區所對應。

圖2 隧洞段D5線視電阻率反演圖

3.2 繞山線成果分析

在繞山線處：即測線D7、D8、D9處，D7線上：六4煤對應的T6波在時間剖面上大面積波形不連續、無明顯的煤層沉積形態、在該段時間剖面上還可看出反射波頻率變低，故認為該段采空區面積較大，反映在地質剖面上為620～1 330(SH75+700～SH76+400)采空，長度約700 m。根據已知地質資料及本次勘探所獲時間剖面來看，五2煤在繞山線處缺失(見圖3)。D8、D9線與D7線相似。該段的采空區在視電阻率反演斷面圖(圖4)中表現為低阻異常較為明顯。在380～620和720～820樁號之間，在高程-50米以下有一視電阻率值小于32Ωm的低阻值區，異常反映不明顯，與上部的低阻層上下貫通，分析為六4煤的采空區所致，其中720～820段與地震解釋的六4煤的采空區一致，而380～620段地震未解釋的六4煤的采空區，其可靠性較差；在12 200～1 320樁號間，在高程-50米以下有一視電阻率值小于20 Ωm的低阻值區，異常反映明顯，與上部的低阻層貫通，分析為六4煤的采空區所致，與地震解釋的六4煤的采空區一致。

圖3 繞山段D7線地震解釋圖

圖4繞山段D7線視電阻率反演圖

4 結論

一是，隧洞線(Ⅰ段)處：采空區極少，僅在測線中部，五2煤缺失。隧洞線(Ⅱ段)處：采空區范圍較大，在測線小號處六4煤采空，采空范圍表現在測線上長度約300 m；五2煤采空區在整個測線上斷續分布，表現在測線上長度約700 m；由于上組煤被采空，及地表地質條件極差，下組煤反射波較弱，初步解釋二1煤采空區范圍在測線上長約400 m，位于測線中部。

二是，繞山線(Ⅲ段)處：六4煤采空區面積較大，反映在測線上為測線中部大部分采空，長約700 m；二1煤采空區范圍較小，僅在測線小號及測線中部部分采空，在測線上的采空長度約280 m；根據已知地質資料及本次勘探所獲時間剖面來看，五2煤在繞山線處缺失。

三是，瞬變電磁和淺層地震綜合方法在本次煤礦采空區探測中取得了較好的應用效果，驗證了綜合物探方法進行采空區探測的有效性，為工程方案比選、后期施工建設及保障工程安全提供了強有力的技術支持，也為類似工程技術問題的解決提供了經驗積累。