綜合物探在小窯采空區勘查中的應用研究

趙興輝

（山西省煤炭地質物探測繪院有限公司，山西 晉中 030600）

對于埋藏深度較淺的煤層，由于私挖亂采，形成大量無序的“雞窩”式小窯采空區和采空積水區，不僅容易引起地質災害，而且對下組煤層的采掘造成極大的安全隱患。

小窯采空區埋藏深度通常小于100 m，淺層地震容易受多次波的影響，且施工成本較大，因此應用較少；測氡法只具備橫向分辨能力，無法解釋異常的深度分布，且活性炭測氡法受地表裂隙影響較大，因此并非采空區地球物理勘查的最佳選擇。電法勘探以地下介質的電性差異為基礎，針對含水采空區的低電阻差異和不含水采空區的高電阻差異開展地球物理勘查，兼顧異常的橫向和縱向空間分布。高密度電法勘探通過分析人工建立的電流場的分布特征判別地下介質中的電阻異常體，傳導類電法分辨率高，體積效應小，對異常體尤其是高阻體（不含水采空區）的刻畫精度較高，但是容易受地形影響引起假異常。瞬變電磁法通過建立和觀測電磁場在地下介質中的傳播規律判別地下介質中的電磁性異常體，感應類電法勘探對低阻體反應極為靈敏，適宜探測含水采空區及地層中的含水體，但是感應類電法對高阻體的探測精度不高，且具有一定的體積效應[1-2]。兩種方法聯合使用，綜合解釋，既可以減小地形、體積效應的影響，又能夠兼顧高阻采空區和和低阻采空區的探測，提高解釋精度[3]。

1 小窯采空區地球物理特征

煤層因開采而形成采空區后，破壞了原有的應力平衡狀態，引起上部地層發生形變，根據形變程度的不同，通常在垂向上由下至上可劃分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶（見圖1）。

圖1 采空區上覆地層“三帶”示意

采空區是否形成完整的“三帶”，以及三帶的規模，不僅與采空區大小、煤層深度、上覆巖層巖性、地質年代、地表地物有關，還與開采方式、開采年代、水文氣象、地震等因素有關。通常小窯采空區由于埋藏較淺，受地表雨水沖刷、地表生產活動的影響，采空區發生塌陷，在地表形成導水裂隙，引導并在采區中聚集地表水，形成含水采空區或含水垮落帶，相較未開采的原狀地層表現為低電阻異常。根據以往工作經驗，小窯開采過程中，為方便運輸，開采者往往采取上山開采的方式進行井田開拓，經過支護的運輸巷道不僅不會發生垮塌，巷道中的水會通過下山方向的井口流出，因此這部分空腔相較原狀原狀地層表現為高電阻異常。

2 應用地球物理方法選擇

小窯采空區與圍巖相比，具有密度、電性、速度、放射性等物性異常，然而由于小窯采空區埋藏深度較淺，采空區規模較小，因此并不適用三維地震、高精度重力等地球物理勘探方法。基于地質目標與圍巖的電性差異，采用電法類地球物理勘探方法是解決小窯采空區勘查的重要思路[4]。

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法屬于時間域電磁感應方法，在地面布設一回線，且給回線發送脈沖方波電流，并建立一次人工電磁場，在斷電間隙，地下不同典型特征的介質會產生不同電磁感應形成二次電磁場，通過接收和分析二次電磁場，研究地下介質電性特征。瞬變電磁法具有體積效應小，異常響應形態簡單，探測深度大，具有較強穿透高阻地層的能力，對地下介質中的中低阻地質異常體最為靈敏，因此是煤田物探勘查工作中“采空積水區”的最佳選擇。感應類電磁法由于電磁波能夠快速穿透高阻層，但容易被低阻層阻礙，因此，相較低阻層的靈敏[5]，感應類電法勘探對高阻體的勘探精度總是略遜于對低阻體的勘探精度，因此對于不含水采空區，瞬變電磁法的勘探精度有限。

2.2 高密度電法

高密度電測深法通過建立人工直流電場，利用地下半空間地質體傳導電流的分布規律，以地下介質導電性差異為探測基礎的物探方法，研究地下介質電性分布的一種傳導類直流電法[6]。高密度電法作為傳導類直流電法，雖然勘探深度有限，但是由于直接在地下介質中建立電場，因此對低阻體和高阻體具備均等的勘探精度，且體積效應較小，對于中淺部異常體的刻畫精度較感應類電法更佳[7]。

3 勘探區地質概況與測線布置

勘探區位于太岳山區，地表為中低山侵蝕地貌，大小溝谷多呈南北縱橫，山高溝深，地形復雜。區內的煤系地層有石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。主采煤層為二疊系下統山西組2#、石炭系上統太原組9+10#、11#煤層。其中2#煤層埋深約100 m，平均煤厚0.6 m，存在大量小窯采空區，是本次勘探研究的主要目的層位。上覆含水層包括第四系砂礫層裂隙潛水含水層和石盒子組K10、K9、K8 砂巖含水層，勘查區2#煤層上覆含水地層分布圖見圖2。

圖2 勘查區2#煤層上覆含水地層分布

現場調查發現多處小窯采空分布，于2002 年至2007 年開采，開拓方式為斜井，高1.4～1.6 m，寬2 m，洞體無支護，坍塌嚴重，地表可見小窯坑口，地表及窯口有變形坍塌現象，且充水。

本次勘查工作擬采用瞬變電磁法和高密度直流電法對勘查區內淺層小窯采空區進行聯合勘探、綜合分析解釋。根據地層及主要構造走向，大部為南北向，故本次電法測線布設方向為東西向。瞬變電磁法采用網度為40 m×20 m，即線距為40 m，點距為20 m；高密度電法采用網度為120 m×10 m，即線距為120 m，點距為10 m，即每隔3 條。測線布置圖見圖3。

圖3 勘查區測線布置與已知采空區分布

瞬變電磁法施工選用儀器為：美國ZONGE 公司GDP-32II 多功能電法儀；選用施工參數為：發射線框240 m×240 m，發射頻率16 Hz，采樣延時240 μs，發射電流12 A，疊加次數128 次；高密度電阻率法采用儀器為：E60DN 型電法工作站；選用施工參數為：電極總數103；層位最大32 層，內部供電，供電時間T=8 s，溫納裝置。

4 勘查成果分析

將采集到的瞬變電磁和高密度直流電法進行數據整理、處理和成圖，得到了兩種方法各自的視電阻率斷面圖（見圖4 和圖5）。

圖4 勘查區L240 線和L480 線瞬變電磁視電阻率斷面圖

圖4 為勘查區L240 線和L480 線兩條測線的瞬變電磁視電阻率斷面圖，視電阻率在縱向上呈現由低向高的A 型地電斷面特征。圖4（a）在橫向上沿煤層線在300 點～580 點視電阻率曲線上拱，發生彎曲變形，視電阻率為58～60 Ω·m，根據已知地質資料該段為2004 年后形成采空區，在580 點～700 點處，視電阻率曲線發生明顯下凹，視電阻率值小于30 Ω·m，結合煤層傾向，和已知采掘資料，暫推斷為采空積水區。圖4（b）沿縱向視電阻率由低向高變化，橫向沿煤層線視電阻率變化較大，在300 點～700 點范圍內，視電阻率曲線上拱，且有部分電阻率大于80 Ω·m 的不均勻的塊狀異常，推斷為采空區，經與已知采掘信息對比該異常為2003 年和2006 年后形成的采空區。

圖5 為勘查區L240 線和L480線兩條測線的高密度電法反演視電阻率斷面圖，圖5（a）中，沿煤層線在300 ～540 m 范圍內呈明顯高電阻異常特征，與瞬變電磁該區段內的視電阻率曲線上拱對應良好，為不含水采空區的典型電性異常特征；在540～700 m 范圍內，視電阻率呈明顯低阻反應，亦與瞬變電磁在該段解釋的采空積水區有較好的吻合度。圖5（b）中沿煤層線在300～820 點段視電阻率呈明顯高于背景場的高阻反應，與該線瞬變電磁法視電阻率曲線上拱特征有較好的對應，但高密度電法視電阻率高阻異常較瞬變電磁法視電阻率異常更為直觀和明顯。

圖5 勘查區L240 線和L480 線高密度電法視電阻率斷面圖

5 鉆探驗證

兼并重組的礦井受歷史小窯開采的影響和原有地質信息人為修改嚴重等影響，地質信息往往并不完全準確，為驗證本次物探成果，確定采空區內的含水性，在L480 線600 點以南約11 m 處進行了鉆探驗證，施工的ZK102 孔，地面標高1 284.23 m，鉆進至30 m(標高約1 254 m)進入裂隙帶，至32 m(標高1 251.35 m)位置掉鉆0.8 m，未見積水，與L480 線推斷的采空區異常吻合。

通過鉆探的驗證，證實兩種物探方法在對小窯采空區的探測中效果較好。

6 結論

（1） 基于小窯采空區的電性特征，采用電法勘探，利用電法勘探視電阻率地電特征，可以對小窯采空區及采空積水區開展解釋分析。總體而言，采空區呈現視電阻率高阻異常，采空積水區呈現視電阻率低阻異常。

（2） 考慮到瞬變電磁法建立的感應電磁場對高阻異常反應并不十分敏感，在采空區附近僅呈現電阻率曲線上拱等弱高阻異常特征，并不容易識別，而高密度電法建立的傳導電流場對采空區則反應較為靈敏，視電阻率呈現的高阻異常十分明顯，易于識別和解釋；但對于含水采空區，瞬變電磁法則具有較明顯的低阻異常特征，因此對于復雜的小窯采空區，多方法綜合物探手段更易于異常的識別和勘探精度的提升。

（3） 經過現場調查、資料收集及試驗工作，確定合適的物探施工參數，再輔以鉆探驗證，可以對面積較小的小窯采空區進行準確勘探。