巖溶區閉坑煤礦采空區綜合物探及三維地質模型構建

田 浪，陳世萬，吳佼基，李加華，余 琪，李仁啟

(1.貴州大學 資源與環境工程學院，喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室, 貴州 貴陽 550025；2.貴州省地質礦產勘查開發局101地質大隊，貴州 凱里 556000)

煤礦開采引起的含水層破壞、地形地貌景觀破壞等地質環境問題日益突出。煤礦閉坑后巷道及采場充水，礦巖中的硫化物與氧氣、水接觸，在微生物的催化作用下，經過一系列復雜的物理、化學反應產生酸性礦井水(AMD)，造成嚴重的環境污染[1-3]。而且，大部分關停煤礦均存在生產資料嚴重缺失、礦井邊界范圍分布不明、采空區分布不清等問題。另外，查明閉坑礦區水文地質條件，厘清礦區污染水的補—徑—排體系，是實現源頭污染阻控，關鍵通道封堵等原位治理的前提。

物探是地下采空區探測的有效方法。薛國強等[4]針對地下洞體，分析了瞬變電磁法探測的有效性原理，并對某煤礦地下采空區進行瞬變電磁探測，結合鉆孔驗證，證明了瞬變電磁法探測采空區的可行性；蔣勤濤[5]為消除地形起伏對瞬變電磁法探測的影響，通過濾波消噪和時深轉換處理，準確探測出了積水區的面積與積水體積；吳俊林等[6]使用瞬變電磁雙回線裝置對某煤礦采空區進行探測，得出重疊回線較大定源裝置適合淺層勘探的結論；范濤等[7]采用鉆孔瞬變電磁法探測了積水采空區的巷道形態；潘劍偉等[8]利用地面核磁共振法和高密度電阻率法在湖北某區域探測地下水，取得了良好效果。總體來說，由于物探成果的多解性，單一物探方法結果解譯可靠度較低，綜合物探技術可提供更可信的采空區探測結果[9-13]。

傳統二維地質資料可視化程度低，制約了精細化礦區地下水污染治理技術的發展。范文遙等[14]研究得出基于GOCAD軟件對礦區實行三維地質建模與可視化操作，更利于確定地表以下礦體的展布規律；雷赟等[15]利用EVS建模軟件，基于鉆孔和化學污染物數據建立了地下水三維模型，并將其成功應用于該地區污染物控制及地下水開采；靳德武等[16]以礦區某一工作面為例，構建了采場三維充水結構可視化模型，將其應用于底板突水綜合監測預警工程實踐中。利用EVS導出三維地質模型的各層面DEM(數字高程模型)，可以應用于GMS、Visual MODFLOW等軟件中進行水文數值模擬，以獲取地下水流場和以采空區為中心溶質質點向外遷移的運動軌跡[17-19]。總體而言，三維地質模型相對于傳統二維模型其可視化程度大大提升，對實現水文地質條件和污染過程可視化具有重要意義。

以貴州省麻江縣閉坑煤礦為研究對象，應用高密度電阻率法、瞬變電磁法、核磁共振法和充電法等多種物探方法進行采空區探測，并結合鉆孔進行驗證。綜合地質調查成果、物探及鉆探成果，建立包含采空區的三維地質模型。在此基礎上，結合污染水出露空間特征，厘清閉坑礦區污染水的補—徑—排體系，以期為礦區污染水精準治理提供技術支持。

1 工程地質背景及地球物理特征

研究區位于貴州省麻江縣擺沙河流域內，擺沙河流域面積為65.94 km2。擺沙河流域歷史上曾有6家煤礦企業，至2020年全部關閉停產。煤礦關停后，擺沙河流域關停煤礦逐漸產生酸性廢水污染，擺沙河流域的擺沙煤礦區域內出現多處酸性廢水涌水點，對擺沙河流域環境造成較為嚴重的污染。地表泉點分布圖及污染現狀如圖1所示。

(a)礦區污染水出露點

研究區地處揚子準地臺東南部，巖性主要為淺海相碳酸鹽巖及碎屑巖，地形地貌為碳酸鹽巖中低山溶蝕—侵蝕地貌。研究區內巖石主要為碳酸鹽巖、少量碎屑巖和第四系土層。碳酸鹽巖分布面積廣，多屬裸露及半裸露的基巖山區，地表巖溶洼地、落水洞、巖溶大泉等較為發育，地下局部發育溶洞、暗河。大氣降水容易通過地表發育的通道滲入巖溶裂隙、管道暗河之中。巖石地層組由老至新主要有：奧陶系下統桐梓組(O1t)、紅花園組(O1h)、大灣組(O1d)；泥盆系中下統蟒山組(D2m)、上統望城坡組(D2-3w)、堯梭組(D3y)；石炭系下統祥擺組(C1x)、上下統擺佐組(C1b)、上統黃龍組(C2h)；二疊系陽新統梁山組(P2l)、棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)及樂平統合山組(P3h)；第四系(Q)。其中，煤線位于石炭系下統祥擺組(C1x)。

根據現場的勘察情況和研究區物探測試結果，研究區內覆蓋層主要有耕植土、黏土等第四系土層，分布的基巖主要為灰巖；研究區內的土層、基巖、含水采空區等地質體之間存在較大的電阻率差異。研究區內主要介質物性參數見表1。

表1 幾種介質的物性參數

2 物探原理及工作方法

煤礦關閉后采空區及其上方破碎帶的存在，導致地層電阻率不連續，為物探提供了良好的電性差異條件。對于無水采空區，通常表現為高阻異常；有水采空區則表現為低阻異常。為評價物探手段在采空區探測的有效性，提高物探成果解譯可靠性，本次物探采用4種物探手段：高密度電阻率法、充電法、瞬變電磁法、核磁共振法。

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是通過地層電性差異來查明地下異常區。本次共布設了11條高密度電阻率法測線，電極距為5 m，采用溫納、斯倫貝謝爾2種勘探裝置，累計測線長4 770 m。

2.2 充電法

本次探測工作采用電位梯度法，以探測地下水空間分布特征。本次充電法測量工作共在3個點位布設6條測線。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)的基本原理是電磁感應定律。電磁法勘探設備為YCS512大功率探水儀，其相關參數如表2所示。

表2 瞬變電磁法相關參數

本次共布設27條瞬變電磁測線，測點間距為1.5 m，累計測點2 159個，累計測線長度3 391 m。

2.4 核磁共振法

本次工作使用的是法國IRIS公司核磁共振系統，相關參數見表3。

表3 核磁共振系統相關參數

在工作區內共布設5個50 m×50 m方形線圈，裝置類型為收發共圈裝置。

3 物探反演結果分析

3.1 高密度電阻率法反演結果分析

高密度電阻率L9測線反演結果如圖2所示。在測線中部YC-9標記范圍內，埋深41.9～62.7 m出現明顯的低阻異常。該異常對應的鉆孔ZK05揭露：靜止水位為2.9 m，采空區范圍為48.8～51.2 m。表明L9測線能準確地反演出此處采空區的位置。

圖2 高密度電阻率法L9測線反演結果

3.2 充電法探測結果分析

充電法部分探測結果如圖3所示。

(a)充電法H1、H2、H3測線探測結果

由圖3可以看出，正負電位梯度值的過渡位置指明了該處地下水排泄通道的位置。H1測線電位正負值過渡位置約在14 m處；H2測線電位正負值過渡位置約在16 m處，推測該位置為地下水流通道位置；H3測線約在14 m左右出現水流通道。

H1、H2、H3測線在走向上呈平行關系，且間隔距離很小。3條測線的水流通道基本在同一直線上，說明該涌水點的北側存在與水源相通的水流通道。

3.3 瞬變電磁法探測結果分析

以瞬變電磁S25測線探測結果為例，如圖4所示。

圖4 瞬變電磁S25測線探測結果

由圖4可知，YC-1異常區位于高程960～980 m，呈現突變為低阻的特征，瞬變電磁S25測線在走向上與高密度電阻率L9測線呈平行關系(L9測線反演結果見圖2)，位于L9測線的中部位置。綜合分析高密度電阻率法反演結果，發現高密度電阻率法L9測線在瞬變電磁法S25測線探測異常區YC-1對應位置，存在低阻異常區YC-6，高程為960～970 m，推測該低阻異常區為采空區。可見，瞬變電磁法和高密度電阻率法在采空區探測應用時具有較好的一致性。

3.4 地面核磁共振法結果分析

地面核磁共振P1測點探測結果如圖5所示。

圖5 核磁共振P1測點探測結果

由圖5可以看出，表層2～5 m位置主要為第四系覆蓋層，含水量較高，從反演T1時間看地表孔隙率較大，說明覆蓋層較為松散；地下12～15 m深度含水率較大，約達到12.0%，孔隙率較大；臨近鉆孔ZK06揭露深度8.8～16.1 m的砂巖，孔隙率較大。推測48～60 m為厚度較大含水層，含水率約為8.5%；且從反演的T1時間來分析，該深度范圍所對應的孔隙率也較大，推測為地下采空區影響區域。

4 綜合解譯

4.1 多種物探手段對比解譯

針對礦區南部井口及污染水出水點區域，布置了高密度電阻率測線L4、L9、L10；瞬變電磁測線S22、S24、S25、S26、S27；充電法測線H6。針對礦區南部井口及污染水出水點，綜合高密度電阻率法、瞬變電磁法、鉆孔等多種手段，推測地下采空區分布如圖6所示。

圖6 物探綜合解譯圖

綜合物探結果分析，該區域存在大面積突變的低阻異常區，埋深為40～50 m，且鄰近區域有大量的污染水出露，如污水點SW8。高密度電阻率法L10和L9測線及瞬變電磁S25測線的低阻異常范圍均顯示了下部的異常區，推測此處存在大面積連續采空區分布。在該處布置鉆孔ZK12，揭露了埋深56～62 m區域為采空區，證實綜合物探解譯成果的有效性。

4.2 閉坑礦區三維地質模型構建

EVS地質建模軟件主要通過在不同模塊之間搭建模型運行，建模步驟如下：

1)通過提取航拍測繪的等高線得到地形點數據并生成地表模型。

2)將地表泉點和塌陷點的空間位置及流量、尺寸等信息標記在地表模型上。

3)通過鉆孔數據插值生成三維地層實體。

4)將綜合物探技術確定的采空區等地質要素構建在三維地質模型上。

實際上，該研究區域僅布置12個鉆孔，且部分鉆孔深度較淺，僅通過實際鉆孔柱狀圖難以建立精準的三維地質模型。利用該研究區域1∶2 000水文地質調查成果，將地層、產狀、采空區等信息綜合地反映在重點控制地質剖面上，并在繪制的地質剖面圖上布置虛擬鉆孔以實現基于多源數據的地質模型構建，采用自然鄰域插值法生成地層實體。

研究區三維地質模型多方位切片的模型如圖7所示。

圖7 礦區三維地質模型

由圖7可以看出，該模型可實現重點位置，特別是采空區位置的清晰直觀顯示，可為地下水污染的治理提供重要支撐。

研究區南部補—徑—排體系如圖8所示。

(a)研究區南部補—徑—排示意圖

由圖8(a)可知，綠色區域為通過物探和綜合勘察資料得到的采空區。該區域的地層傾向為南東向。

結合圖8(b)分析可知，當地表降雨入滲補給時，西側出露地層為砂巖、泥巖等碎屑巖地層，地層本身入滲系數較低。地表水主要經采礦破碎帶、采礦塌陷等通道下滲至采空區；采空區東側為碳酸鹽巖區域，巖溶較為發育，該區域的大氣降雨和地下水通過巖溶優勢通道補給采空區。西側的地表水及東側的地下水補給采空區，逐漸匯集，最終出露地表，如污水點SW1。

研究區北部補—徑—排體系如圖9所示。

(a)研究區北部補—徑—排分析圖

由圖9可以看出，大氣降雨經過山體多個塌陷點快速補給到采空區。因地層傾向為北東向，采空區南部為碎屑巖隔水層，在隔水層阻擋下，流經采空區的地下水只會沿傾向(北東)排泄，使大量污水點在北部溝谷出露，而南東向溝谷內泉點均沒有受到污染。

5 討論

5.1 采空區物探方法評述

研究區地形起伏較大，瞬變電磁法相對高密度電阻率法布設更為靈活。瞬變電磁法隨著深度增加，磁場強度逐漸衰減，顯示電阻率逐漸減小，但這種電阻率減小是漸變的；而充水采空區電阻率表現為突變，具有較明顯特征。高密度電阻率法相對瞬變電磁法在縱向上分辨率較高，兩種方法配合解譯可為采空區的確定提供更可靠的結果。研究區域地形起伏較大，巖溶較發育，充電法的探測效果并不理想。地面核磁共振法可直接顯示地下水的分布及含量，含水量的大小對充水采空區具有較好的指示效果。

5.2 物探技術方法體系對礦山水污染治理的支撐

國內外對酸性礦山廢水(AMD)的治理方法可分為主動治理和被動治理[20-21]。主動治理方法存在諸多缺陷，如主動治理方法中的中和法，該方法處理過程時產生的大量污泥有害物質極易對環境造成二次污染，且其運行成本和管理成本較高[22]；被動治理技術是基于自然營力的原位治理技術，能減少對環境的擾動，實現精準治理，是極具前景的綠色治理技術，但其前提需查清地下水補—徑—排過程及污染遷移過程。以貴州省麻江縣閉坑煤礦為例，該礦區開采年代較早，可追溯到清朝時期，礦坑關閉后，大部分地質資料丟失，無法確定采空區范圍及位置，通過開展物探+鉆探綜合探查，探測采空區位置，建立含采空區的三維地質模型，厘清礦區補—徑—排過程，形成水文地質概念模型，為原位被動處理點位精準確定提供支持，實現礦山地下水污染精準防控。

6 結語

1)采空區與地層存在顯著導電性差異，瞬變電磁法和高密度電阻率法對采空區均有較好響應。綜合高密度電阻率法高分辨率和瞬變電磁法高靈活性優勢，形成巖溶山區采空區可靠探測解譯方法；通過地面核磁共振法，得到采空區核磁共振響應特征，證實地面核磁共振法可有效探測充水采空區；巖溶山區地形起伏大，充電法在溝谷區難以保證測試精度。

2)綜合鉆孔柱狀圖、實測地形圖、剖面圖、實測采空區范圍和地質調查等多源地質數據，通過EVS地質建模軟件建立了研究區三維地質模型。

3)通過三維地質模型分析了研究區北部和南部主要污染區域地下水補—徑—排關系，分析了各區域主要地下水補給源、地下水運動路徑及排泄關系，研究成果可為污染水治理措施(水量源頭消減、過程阻斷、關鍵通道封堵等原位被動處理措施)的精準設計提供技術支持。