綜合物探方法在探測煤礦采空區上部覆巖結構上的應用

摘" 要：煤礦開采過程中，地層穩定結構遭到破壞，地層的含水變化、不同地層巖石的物理性質差異、煤層的開采方式和采高、地層的傾角變化等因素都會造成覆巖結構不同程度地破壞，采空區上部形成復雜的覆巖結構。通過常規物探手段只能探測一種物性差異，不能解決復雜的覆巖結構。本次采用電法、微動勘探和氡氣測量3種物探方法綜合探測，結合鉆孔資料和地質資料綜合闡述采空區上部覆巖結構的基本形態，以及各種物探方法的局限性。

關鍵詞：采空區；覆巖結構；微動勘探；氡氣測量；電法勘探

中圖分類號：TD325.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0169-05

Abstract： In the process of coal mining， the stable structure of strata is destroyed， the change of water content of strata， the difference of physical properties of rocks in different strata， the mining mode and mining height of coal seam， the change of dip angle of strata and other factors will cause different degrees of destruction of overburden structure， and complex overburden structure is formed in the upper part of goaf. Through a conventional geophysical method， only one kind of physical property difference can be detected， but the complex overburden structure can not be solved. In this paper， electric method， fretting exploration and radon measurement are used to comprehensively describe the basic shape of the overlying rock structure in the upper part of the goaf and the limitations of various geophysical methods.

Keywords： goaf; overburden structure; fretting exploration; radon measurement; electrical exploration

實測采空區導水裂縫帶高度的常規方法是采用鉆探施工，利用數字化鉆孔可視系統監測或聲波測井等探測巖層破碎程度確定，此種方法成本高、施工效率低。綜合物探是通過地面探測，確定煤礦采空區導水裂縫帶的高度，此種方法可快速經濟探測煤礦采空區形成的導水裂縫帶高度，為同行提供參考。

1" 工作區條件

1.1" 工作區地層

本次工作區位于寧夏回族自治區寧東鎮以東靈武礦區中部，工作區地層由老至新有三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系（K）及第四系（Q）。以下簡述主要地層情況。

1.1.1" 侏羅系中統延安組（J2y）

延安組為本區含煤地層，地表未出露，為一套河流—湖泊—湖泊三角洲相碎屑巖沉積建造。巖性為長石石英砂巖，粉砂巖、泥巖、煤和少量炭質泥巖，底部為一套粗粒砂巖或含礫粗砂巖，區內延安組連續分布，延安組地層厚度250.75～427.97 m，平均厚度326.45 m左右。

1.1.2" 侏羅系中統直羅組（J2z）

為含煤地層的上覆巖系，為一套干旱氣候條件下的河流—湖泊相沉積。該層厚度372.00～573.41 m，平均厚度443.65 m。該組巖性上部以細砂巖為主，夾薄層粗砂巖及粉砂巖。中部以粉砂巖為主，夾砂巖及薄層泥巖。下部以粉砂巖、細砂巖為主，夾中厚層層狀粗粒及中粒砂巖。底部為一厚層粗砂巖（俗稱“七里鎮砂巖”），是一煤層的直接頂板。與下伏延安組地層呈整合接觸。

1.1.3" 侏羅系上統安定組（J3a）

安定組為一套干燥氣候條件下的河流、湖泊相紅色沉積，俗稱“紅層”。

巖性以粉砂巖和泥巖為主，夾中細粒砂巖。底部普遍有一層褐紅色砂巖與下伏直羅組地層呈整合接觸。

1.1.4" 第四系（Q）

全區發育，底部為風化殘留的變質巖、灰巖等卵礫石和鈣化結核，中部為沖淤積的黃沙土，頂部為風積沙丘及沙土層。鉆孔揭露厚度1.50～26.95 m，平均厚度10.39 m。

1.2" 工作區水文地質

1.2.1" 含水層

影響工作區的主要含水層為侏羅系含水層。侏羅系地層各巖層富水性差異較大。直羅組底部砂巖含水性較好，鉆孔單位涌水量q=0.030～0.042 L/s·m，礦化度為5.201～20.421 g/L。地下水運動緩慢，屬高礦化度水。

直羅組底部砂巖段至二煤頂板砂巖含水層組該含水層是影響二煤開采的直接充水含水層，分布于整個礦井。含水層厚46.01～99.11 m，平均厚度76.53 m。其中以直羅組底部厚層粗粒砂巖為主。與一煤直接接觸，其間沒有厚而穩定的隔水層，為煤層的直接充水含水層。該段砂巖巖性疏松易碎，透水性好，層位穩定，厚度變化由北而南、由西往東逐漸增厚。鉆探過程中發現有些鉆孔漏水較為嚴重，該含水層為二煤層開采的直接充水含水層，為羊場灣煤礦主要的水害類型。

1.2.2" 充水現狀

二煤層開采區，井下涌水主要是來自掘進及回采過程中頂板砂巖水。由于直羅組底部砂巖含水層頂部有一較為穩定的隔水層，使直羅組砂巖含水層上下段之間水力聯系減弱。但二煤層開采后，由于煤層開采產生的冒落帶及導水裂縫帶影響，使直羅組底部砂巖含水層與采空區形成一體，使水文地質條件變得較為復雜。

井下累積排水量隨著開采范圍的不斷擴展及開采深度的增加而增加，但由于地下水總體補給條件較差，地下水開采主要以消耗靜儲量為主，因此礦井涌水量將隨著抽水時間的延續將出現逐漸減小或最終穩定在正常水平。

1.3" 煤層

工作區主要開采煤層為二煤層、六煤層。

二煤層：位于延安組上部第Ⅳ段，井田內層位穩定，煤層厚度3.04～14.04 m，平均厚度8.11 m，屬全區可采煤層。

六煤層：位于延安組中上部第Ⅲ段，井田內層位較穩定，煤層厚度0～7.64 m，平均厚度1.28 m，屬大部可采煤層。

2" 勘探前提

2.1" 氡氣測量

氡氣測量是利用氡（Rn）化學性質穩定。在自然條件下，空氣中氡含量是穩定的，氡元素“自身”固有的運移方向主要為向上運移。煤層采空后，采空區上部地層會形成垮落帶，垮落帶與周圍地層相比地層相對松散，存在大量的空隙，且大的空隙互相連通，形成負壓區，有利于氡氣向采空區富集，采空區上方會形成采厚10倍以上的裂縫帶，是氡氣由富集區上移的通道。因此，在地表測量氡氣含量的大小，反應裂隙分布范圍。上述因素是本次采用氡氣勘探的前提。

2.2" 電法勘探

音頻大地電磁剖面測量是通過觀測地面上的電、磁場分量，可得到觀測上的視電阻率（或相位）－頻率曲線。由視電阻率－頻率曲線通過一定的反演方法可獲取地下不同深度的電阻率分布。

收集的水文地質資料，侏羅系含水層礦化度一般在5.201～20.421 g/L左右，水質屬酸性含K、Na離子型水，含水地層電阻率表現為低電阻率異常。結合以往井下（圖1）和地面物探（圖2）結果及其驗證情況，直羅組地層一般表現為中、低阻區，在本區表現為電阻率值10～20 Ω·m左右；采空區不含水的情況下，采空區呈現高阻區域，電阻率值在20～50 Ω·m左右。充水采空區和富水地層電阻率在小于10 Ω·m。根據上述電性特征，工作區具備開展電法勘探的前提。

2.3" 微動勘探

微動勘探的原理是利用瑞雷波的頻散效應，探測地下介質的瑞雷波速，利用頻散曲線求取半波長近似對應地層深度，這樣就得到不同深度的瑞雷波速，然后利用相關公式計算視橫波速度用以資料解譯。

煤層采空后，采空區上部覆巖出現破碎或裂隙，根據鉆孔彩色電視觀測結果，導水裂縫帶頂點的巖體出現連續裂隙（圖3），垮落帶巖體破壞嚴重，裂隙發育縱橫交錯（圖4），鉆孔底部可見各種巖性松散堆積，雜亂且無規律。出現裂隙的巖體密度相對完好的巖體密度會變小，巖體松散堆積會進一步降低巖體的密度，對應的地層橫波速度也會相應地降低。且根據已知鉆孔，導水裂縫帶的發育高度是煤層采厚的20多倍，異常尺度也能達到相應要求，具備開展微動勘探的前提。

3" 應用實例

3.1" 工作區的選擇

本次工作區位于寧夏回族自治區寧東鎮以東靈武礦區中部，在工作區選擇一個近期開采的工作面130205工作面，采掘時間2018年9月—2020年9月底，130205工作面地面海拔標高+1 373.8～+1 387.1 m，平均標高1 381 m左右；平均開采厚度為6.1 m，煤層傾角為14°～20°，平均傾角17°，工作面傾向寬度為334 m，走向長度為1 612m。二煤底板標高在剖面上的標高637～760 m，平均深度682 m，采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

3.2" 工作布設

在130205工作面上布置兩條剖面，即一條傾向剖面和一條走向剖面，位置均在停采線的一側。經計算可得，傾向剖面L2布置在距離停采線約266 m處，剖面長度900 m。走向剖面DL2沿著平行于130201工作面方向布設，基本位于工作面中間，長度1 000 m。剖面布置如圖5所示。

分別在兩條剖面上開展氡氣測量、微動勘探和音頻大地電磁測深3種工作方法。音頻大地電磁測深采用40 m的點距，微動的點距100 m，氡氣測量的點距20 m。在2020年8月底采集音頻大地電磁測深數據，9月初采集微動數據，11月初測量的氡氣剖面。

并在2022年7月中旬二次采集音頻大地電磁測深數據和微動數據。

3.3" 數據分析

3.3.1" 氡氣測量

通過圖6 可以看出氡氣值較高的區域往往分布在保留煤柱附近或采煤邊界附近，保留煤柱在臨近工作面未開采的時候就是采煤邊界。煤層采空后，采空區上方的覆巖由于重力作用會下沉，采煤邊界地層對覆巖起到向上的支撐作用2種力的共同作用下，往往會在邊界上方地層裂隙最為發育，且發育高度大于采空區其他區域。裂隙發育區域為氡氣提供良好的上移環境，氡氣在保留煤柱附近或采煤邊界附近出現高值與氡氣的特性是一致的。

圖7在停采線附近沒有出現高值的原因分析，氡氣測量時間距離停采時間間隔不到2個月，邊界裂隙需要較長時間才能充分發育，停采時間較短，氡氣上移通道不暢是一個原因。氡氣在停采線附近的富集時間較短，氡氣濃度不夠，上移的氡氣相對減少是另一個原因，綜合下來氡氣上移到地表的濃度很低。

3.3.2" 電法勘探

對照礦區已有采掘資料和水文資料，分析以往可控源音頻大地電磁剖面（圖2），二煤層開采后，由于煤層開采產生的冒落帶及導水裂縫帶影響，使直羅組砂巖含水層與采空區形成一體，地層水通過裂縫帶進入巷道，被抽排到地表，由于地下水總體補給條件較差，地下水主要以消耗靜儲量為主，隨著開采范圍的不斷擴展及開采深度的增加，地層含水位持續下降，形成淺部采空區以高阻形態出現，在地層含水位以下的采空區以低阻形態出現。

從圖8可以看出，在2020年9月，高電阻率異常出現在工作面130203的下傾邊界和工作面130205上傾邊界，根據礦區的水文地質資料，地下水主要消耗靜儲量為主，在2020年9月，130205工作面還在開采，且工作面130203工作面與130205保留煤柱只有7.5 m，130205工作面采空后，保留煤柱完全破碎，2個工作面的地下水連通。地下水補給主要沿著導水裂縫帶流進采空區，然后被抽排出去，工作面130203工作面的下傾邊界上方地下水經過裂隙發育區流入采空區，上部地層水基本沒有補給來源，上部地層以充氣為主表現為高阻。工作面130203上傾邊界和工作面130205下傾邊界周圍地層水持續補充，導水裂裂縫帶動態含水，裂縫帶發育地區表現為低阻區域。

2022年7月，高電阻率分別出現在工作面130203和工作面130205中部，采空區上部覆巖電阻率降低。2022年7月，工作面130205停采近2年了，采空區內的地層涌水不再直接抽排，地層水很快充滿導水裂縫帶和垮落帶，地層整體呈現低阻狀態，僅在局部地區還存在空氣填充，局部呈現高阻狀態。

沿著工作面130205走向布設的電法剖面（圖9）也印證上述觀點，在2020年9月的DL2剖面上，采空區上部覆巖呈現高阻形態，越靠近停采線采空區上部覆巖高阻區域越小 ，探測結果跟地下水的運移是相關的，越靠近停采線地下水補給越充分，相對遠離停采線地層水補給差。到了2022年7月，采空區上部覆巖電阻率與圍巖基本一致，說明地下水已經充滿導水裂縫帶和垮落帶。

根據上述解釋原則，結合氡氣測量結果對導水裂縫帶的發育范圍進行定量解譯，在采空區中部導水裂縫帶發育高度約為100 m左右，約為采厚的16倍，在采空區邊界附近，導水裂縫帶發育高度約為130 m左右，約為采厚的21倍。與已知鉆孔探測的裂高采比（22.23～23.05）基本一致。

3.3.3" 微動勘探

2020年9月開展的微動勘探，頻散曲線在固定頻率出現干擾且無法濾除，推測地下煤層開采還沒結束，采煤的機械和地層破碎震動干擾探測結果，探測結果較為雜亂，剖面不再展示，圖10和圖11為2022年開展的微動勘探，從視橫波剖面來看，采空區上部出現低速區，局部地區以高速顯示。煤層采空區后，采空區上部覆巖發生形變，形成垮落帶和裂縫帶，地層密度降低，橫波速度隨之變低。根據上述解釋原則，結合電法解釋結果圈出導水裂縫帶分布范圍，解釋結果與電法剖面基本一致。

4" 結論

1）氡氣測量能夠反應裂隙發育區域，而在采煤邊界附近地層應力變化最大，裂隙發育高度跟高，是氡氣上移的良好通道，通過這種特性可以圈出采空區上部導水裂縫帶的分布范圍。

2）電法勘探可以探測地下水的分布范圍，通過分析地下水的運移方式，可以較準確的確定導水裂縫帶的分布范圍和分布高度，但要注意電法勘探的時效性，不同時間探測結果差異很大，在已知資料不充分的的情況下容易。

3）微動勘探可以利用天然面波探測地層的速度結構，對軟弱層或低速層反應靈敏，能夠較準確的確定低速層的分布范圍，確定導水裂縫帶的發育高度，但天然源勘探也容易被外界干擾，不易獲得好的數據。

總得來說，采用綜合物探方法探測采空區上部覆巖結構是可行的，多種物探方法可以互相補充互相驗證，提高解譯精度。但同時也要注意各種物探方法的適用條件及探測精度。采空區上部覆巖的垮落帶高度根據已知鉆孔可知冒采比為6.20～6.25，按照公式推算垮落帶高度約38 m，小于測深的十分之一，探測精度較低。

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