高密度電法在淄博煤田采空區探測中的應用

張立川, 葉俊麟

（1.山東省魯南地質工程勘察院, 山東兗州 272100；2.安徽理工大學地球與環境學院, 安徽淮南 232001）

當位于地面以下的煤礦或粘土礦開采之后, 采空區上部地層由于缺乏支撐, 在重力作用下往下垮塌, 發展到地表形成地面塌陷。在采空塌陷易發區確定采空區的空間分布形態是開展地質災害危險性評估和保障后期項目安全建設的前提條件。對于探測深度在100m以內的采空區, 物探比其它方法（如鉆探等）具有更經濟、高效和信息豐富的特點, 其探測的精度也能滿足地災評估及項目建設的基本需求, 是采空區探測的重要手段, 也有許多成功的案例[1-8], 常用的物探方法有高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震法、CSAMT, 其中高密度電阻率法則是探測采空區中較為有效便利的方法之一, 具有數據采集密集、生產效率高、觀測精度高和分辨率高的特點[9], 一次布極可以完成縱、橫向二維勘探過程, 既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化, 同時又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況, 具備電剖面法和電測深法兩種方法的綜合探測能力[10]。以往在本區的研究主要側重于煤礦閉坑后的地下水串層污染問題[11-12], 關于在淄博煤田使用物探方法進行采空區探測的文獻資料較少, 本文擬通過在淄博煤田邊緣使用高密度電法探測采空區的工程實例, 說明該方法在本區采空區探測中的適用性并對勘探結果進行分析評述。

1 項目實施背景

淄博煤田位于淄博市境內, 煤田面積1593.8km2, 開采時間較早, 由于資源枯竭, 大多數礦井已閉坑。研究區處于淄博煤田東南邊緣, 采空區的特點是埋藏深度?。ㄉ踔脸雎叮? 歷史上小煤窯分布多, 老采空區分布位置不詳。研究區地處淄博煤田寨里煤礦東南邊界, 處于部分煤層的露頭區, 煤系地層埋深較淺, 歷史上曾有寨里煤礦、村辦小煤窯、民辦粘土礦開采等復雜的采礦活動。目前研究區內礦產資源枯竭, 煤礦及粘土礦均已閉坑, 可收集利用的采空區資料較少, 雖經多年的地面平整, 仍在局部出現輕微塌陷。區內的采空區分布形態不詳, 給項目建設帶來潛在威脅, 必須采取有效方法, 查明研究區內的采空區分布范圍。

2 地質及采礦概況

2.1 地質條件

研究區在大地構造上屬華北板塊（Ⅰ）、魯西隆起區（Ⅱ）、魯中隆起（Ⅲ）、魯山—鄒平斷?。á簦?、博山凸起（Ⅴ）構造單元內。地層屬華北—柴達木地層大區華北地層區魯西地層分區。處于淄博煤田東南邊緣, 由老到新發育有奧陶系、石炭—二疊系和第四系, 巖層產狀：傾向320°～330°, 傾角8°～10°。對各地層簡述如下：

（1）奧陶系（O）。研究區內主要埋藏于石炭—二疊系之下, 巖性主要為中厚—厚層的灰巖和白云巖。總厚687～748m。

（2）石炭—二疊系（C-P）。研究區由老到新發育有本溪組（C2b）和太原組(C2P1t), 山西組（P1-2）在區內不發育。

本溪組（C2b）：在研究區內埋藏于太原組之下。巖性以黃色砂巖, 紫色、黃綠色泥巖、頁巖為主。厚約40m。

太原組（C2P1t）：在研究區廣泛分布, 局部出露。為海陸交互相含煤地層, 巖性以炭質頁巖和砂質頁巖為主。含十層煤, 其中10-2、3煤層為研究區所在的寨里煤礦主采煤層, 煤層厚1.5m左右。煤層上部還發育有厚1.7m左右的具備工業價值的粘土層。厚50～130m。

（3）第四系（Q）。區內第四系厚0～15m, 巖性為棕黃色黃土狀砂質粘土、粘質砂土含礫石、夾砂、礫石層透鏡體, 礫石成分以灰巖為主。

2.2 采礦活動

研究區內主要分布的太原組含十層煤, 其主要可采煤層為10-2、3層, 其在研究區內埋深5～125m, 厚0.6～1.50m, 該層煤曾于20世紀70年代以前由寨里煤礦開采, 存在一定范圍的采空區域。其次本區由于煤礦埋深較淺, 在歷史上一直存在小煤窯開展采煤活動, 其特點是手工作業, 開采系統簡單, 不正規, 無完整的地質及采礦資料, 具有較大的隨意性[1], 因此, 在區域內也有可能存在因小煤窯采礦而形成的采空區。此外, 本區是建材生產基地, 在太原組地層中還賦存一層具有開采利用價值的粘土礦, 曾設立過粘土礦采礦權, 根據收集到的粘土礦資料, 粘土礦開采深度在25～55m之間, 厚度較為穩定, 約1.7m, 開采時巷道高度約2m。粘土礦已于2010年關閉, 采空區未充填。

在上述三種類型的采空區中, 寨里煤礦開采的10-2、3層煤的采空區域和粘土礦采空區域為已知采空區（圖1）, 小煤窯或粘土礦采礦形成的采空區則無資料可查, 因此需要開展物探工作探測采空區分布范圍。

3 地球物理特征

經過收集相關資料及現場調查, 分析認為本區具備利用高密度電法探測采空區及已塌陷區的地球物理前提條件, 主要依據如下：

（1）本區第四系巖性以黃土狀砂質粘土、粘質砂土含礫石、夾砂、礫石層透鏡體為主, 其電阻率一般在8～70Ω·m之間, 當粘土含量較多時, 電阻率一般小于20Ω·m, 含礫石成分較多時, 電阻率稍高。

（2）太原組中的采空區圍巖巖性主要為炭質頁巖和砂質頁巖, 根據以往本區工作成果, 其電阻率一般在60～300Ω·m之間, 地層電阻率的大小與巖石的泥質含量、裂隙發育程度及其充填介質密切相關, 頁巖隨著泥質含量的增加, 電阻率將逐漸降低。

根據區內主要巖石標本測試資料及部分鉆孔電測井資料統計結果, 結合區域物性資料對比分析, 本區主要地層電性特征見表1。

表1 研究區主要地層電性參數一覽表

（3）由于石炭—二疊系巖層特別是粘土礦頂底巖層透水性差, 在粘土礦順地層傾向開采后, 由于采空區分布高度的不同, 地勢低處的采空區可能積水, 形成低阻區域, 再疊加上采空塌陷后泥巖的濕潤, 會使一定范圍呈現低阻特征；而地勢較高的采空區, 相對干燥, 未被水充填, 則會體現出高阻特征。因此采空區相對于圍巖的高、低阻特征響應, 均可作為劃分、解釋的前提條件。

根據上述分析, 本研究區具有較為良好的以電阻率差異特征為主的地球物理前提條件, 因此采用了以陣列式采集數據的高密度電阻率法進行采空區的探測工作。

4 工作布置及參數選擇

本區地層走向為NE或NEE, 結合研究區地形地貌條件及研究的目的, 在研究區內布置10條高密度電法測線, 各測線長度約595m, 測點距（電極間距）5m。測點坐標采用GPS定位控制, 測線間距30～100m不等, 其余相關測地工作滿足技術規范要求。高密度電法測線布置見圖2。

野外數據采集使用的儀器是重慶地質儀器廠生產的DUK-2A高密度電法測量系統和120道電極轉換系統, 供電電源為3kW發電機及整流源。通過現場試驗, 確定采用溫納裝置進行測量, 其電極間距為5m, 每條測線布置120個電極, 掃描隔離系數1～32, 供電時間為5s。

5 數據處理及解釋

高密度電法為二維電阻率斷面測量, 實測數據處理的主要過程是通過RES2DINV系統最小二乘法的迭代反演處理, 根據反演的地層電阻率進行成像是進行資料解釋的主要依據。資料解釋遵循從已知到未知、從定性到定量的原則進行。對數據利用最小二乘法迭代反演后, 101線第6次迭代時均方根誤差為2.2%, 102線第5次迭代時均方根誤差為2.6%, 反演結果精確, 可作為解釋的依據。

（1）101線。101測線近北西—南東方向布置, 全線長595m, 117個測點, 由反演電阻率剖面可見（圖3）, 地層電阻率沿測線方向變化較平緩, 沿深度方向總體變化較大。近地表層為主要低阻層, 且厚度分布不均。0～80m地層電阻率一般在8.2～23.8Ω·m, 厚度5～18m, 主要反映為第四系粘土、砂質粘土的分布；80～400m之間, 厚度5～20m, 地層電阻率一般不大于40.5Ω·m, 主要表現為第四系粘土夾礫石的電性特征。在370～420m之間, 標記為1號異常, 該異常封閉, 電阻率大于339Ω·m, 埋深25m左右, 推斷為采空區。在1號高阻區東部的440～470m之間存在一個低阻區, 該低阻區域與收集到的粘土礦采空區域的深度和位置較對應, 應為粘土礦采空以后導致上覆巖層松動使巖層裂隙吸水增加, 同時采空區被水和泥質充填形成低阻區。

圖3 101線反演模型電阻率剖面

（2）102線。102測線布置方向與101測線相同, 并與101測線300～595m大致重疊, 全線長595m, 117個測點, 由反演模型電阻率剖面可見（圖4）, 地層電阻率沿測線方向變化較平緩, 沿深度方向總體變化較大。在160～240m之間存在一個低阻區, 該低阻區與101線440～470m之間的低阻區相互對應驗證, 結合粘土礦提供的采空區分布范圍, 認為該低阻區與粘土礦采空區分布位置對應, 但粘土礦提供的采空區范圍不全, 結合其巷道分布情況, 推測采空區范圍應向東擴大到102測線240m點附近。在280～340m之間存在一個高阻區, 標記為2號, 埋深約為30m, 該異常未封閉, 推斷該高阻區為采空區。在400～480m之間存在一個高阻區, 標記為2-1號, 埋深約為25m, 推斷該高阻區為采空區。

圖4 102線反演模型電阻率剖面

6 結論

本次研究采用高密度電阻率法勘察淄博煤田邊緣采空區, 取得了一定的效果, 主要得到以下幾點認識：

（1）高密度電阻率法具有數據采集密集、生產效率高、觀測精度高和分辨率高的特點, 采用該方法在研究區進行采空區探測, 取得了良好的探測效果, 為在淄博煤田邊緣地區開展采空區探測提供了成功的經驗。

（2）從實際測量結果與收集到的已有采空區對比可知, 低阻異常與高阻異常均為采空區的響應特征, 具體可根據采空層位頂底圍巖透水性, 分析采空區是否積水, 再依據低阻和高阻區分布情況確定未知采空區的位置。

（3）高密度電阻率法是一種間接探測采空區的手段, 具有多解性, 它可以定性判定采空區是否存在、是否充水, 但定量解釋還需要結合已取得的地質資料進行綜合解釋。