綜合物探方法在煤礦采空區勘測中的應用

武秀芳 薛永軍

(山西省第三地質工程勘察院，山西晉中 030620)

0 引言

該礦為適應兼并重組后生產的需要，改善職工的生產生活條件，計劃在礦區中東部建設工業廣場。擬建的工業廣場呈東西方向展布的矩形，長約260m，寬約160m，面積41600m2，為保證工業廣場建成后能夠安全運營，該礦委托我院對其擬建的工業廣場場區進行下伏采空區勘查工作。該礦批準開采4號、5號煤層，現開采4號煤層，4號煤層厚1.47m～1.72m，平均厚度為1.61m，頂板為中砂巖、砂質泥巖，底板為粉砂巖，擬建的工業廣場場區上方4號煤層采煤方式為房柱式開采，開采時間在1996年～2003年及之后，其中東部采空區形成的時間較西部采空區形成的時間長，采空區埋深125.00m～148.60m，采厚約1.61m，回采率較小，年產煤9萬t。兼并重組后采用長壁式炮采，全部垮落法管理頂板，兼并重組后，生產能力轉為900kt/年。本次勘察工作的目的主要是查明擬建工業廣場場區采空區(4號煤)的分布特征，為初步設計提供技術資料。主要任務是采用瞬變電磁法、放射性測氡法等地球物理勘測手段探測采空區(4號煤)的分布范圍、埋深等。

1 地質特征

井田地處黃河中游東岸、呂梁中段西側，屬黃土丘陵區，區內溝壑發育。整個地勢東高西低，地形破碎，溝谷走向多由東向西，南北羽毛狀排列。東北部最高，最低點位于井田西北部，最大相對高差175.50m。

勘測區原為溝谷，現經人工堆填，地形較平坦，海拔約894.00m。井田地表大部分被新生界第四系所覆蓋，谷坡出露上第三系上新統，下伏古生界奧陶系、石炭系及二疊系地層。

2 煤層地質特征

2.1 含煤性

井田內含煤地層為石炭系太原組(C3t)和山西組(C3s)，現分述如下:

太原組為一套海陸交互相含煤地層，含煤8層，自上而下為6號上、6號、7號、7號下、8號、9號、10號、11號煤層，其中 8號、9號煤層為全區穩定可采煤層，其余為不可采煤層。地層平均總厚度88.0m，煤層平均總厚度3.61m，含煤系數4.1%。

山西組為一套陸相含煤地層，含煤8層，自上而下為02號、03號、1號、2號、3號、4號、5號、5號下煤層，其中4號、5號煤層為全區穩定可采煤層，其余為不可采煤層，地層平均厚度60.85m，煤層平均總厚度6.50m，含煤系數10.68%。

井田內山西組、太原組地層平均總厚度148.85m，煤層平均總厚度 10.11m，含煤系數 6.79%。

2.2 主要可采煤層

井田內可采煤層為4號、5號、8號、9號煤層(詳見表1)。

表1 可采煤層特征表

3 地質構造

柳林地區區域上屬山西省西部鄂爾多斯地塊東部邊緣，東以離石大斷裂與山西地塊相鄰，北端與東西向的呼和斷陷及其以北的東西向陰山隆起帶相鄰，南端以汾渭地塹系為界與東西向秦嶺褶皺帶相遇，為南北長約400km，東西寬30km～60km的狹長條狀。

井田地質構造比較簡單，整體呈一走向北東、傾向北西的單斜構造，地層傾角平緩，一般為5°～8°。根據井下巷道揭露、控制，發現4號煤層存在沖刷帶，井田內未發現有斷層、陷落柱等其他構造現象，未發現巖漿活動。

4 地球物理特征

勘測區地表覆蓋第四系松散層，下覆二疊系上、下石盒子組及山西組、石炭系上統太原組地層。本次物探勘查的目的層是二疊系山西組地層，其上覆的第四系的粉質粘土及雜填土與二疊系的砂巖、泥巖之間均存在著較明顯的電性差異，瞬變電磁法是以巖礦石的電性差異為前提條件的。當煤層被采出后，采空區較周邊圍巖呈現高阻特征，利用其高阻特征，尋找采空區是可行的。故在本區投入瞬變電磁法進行采空區勘察是具備其地球物理前提條件的。

氡是鈾系的子體，又是唯一呈氣態的惰性氣體，它可以由地下深部遷移至地表，并可顯示出地層深部各種變化的信息。煤層開采后，地下的采空區及其影響帶形成了氡氣元素向地表運移的通道，在采空區上方會出現相應的氡異常區。因此，可以通過測量地表氡元素的濃度來圈定煤礦采空區的位置和范圍。故在本區投入放射性測氡法進行采空區勘察是具備其地球物理前提條件的。

5 工作方法

首先進行了工作區踏勘，同時對工作區以往工作成果進行了搜集。在分析收集資料的基礎上，根據地形地質條件和勘察目的，選擇瞬變電磁法和放射性測氡法等物探勘測方法，對擬建場區進行探測;根據物探解釋成果布置鉆孔進行驗證;室內對外業采集的數據和資料進行分析研究，綜合調查、物探和鉆探成果圈定采空區，編寫采空區勘察報告。

本測區采空區勘測最大深度一般小于200m。現場試驗后，選取同點回線源裝置進行工作，供電線框與接收線框均為50m×50m，發射頻率4Hz，分31道采集數據，發射電流25A左右，記錄各道歸一后的二次場電壓參數，疊加次數120次，對單點異常都進行了復測、排除，確保野外數據第一手資料。

本次放射性測氡法測試選用的儀器為CD-1α杯探測儀，其工作方法是將α探測杯埋入地下40cm深的坑中，4h后取出測量3min讀數，并進行記錄。

6 資料處理

6.1 瞬變電磁法

在野外數據采集期間，現場對數據進行初步處理和解釋;室內完成數據綜合處理、成圖成像和人機交互解釋等任務。室內數據處理是對獲取的原始數據進行去偽存真、誤差矯正、均滑處理、趨勢分析和成圖成像工作，目的在于提高勘測結果的準確度和精度，使之更趨于實際。

在室內數據處理的基礎上，繪制了基本分析圖件:瞬變電磁各測線視電阻率等值線圖。視電阻率等值線圖以測點(樁號)為橫坐標(算術坐標)，深度為縱坐標(算術坐標)，將各測點不同采樣時間經初步反演所得到的ρr值，經網格化后成圖。當地下存在采空區時，視電阻率等值線圖不再呈平行展布，將出現向上或向下彎曲的畸變，或出現閉合或半閉合等值線圈，研究等值線在煤層埋深標高處縱向和橫向上電性的變化特征，以確定是否存在煤礦采空區，便是本次分析視電阻率等值線圖的理論依據。

6.2 放射性測氡法

野外讀取數據完畢后，運用繪圖軟件繪制放射性測氡法Rn剖面曲線圖，并結合地質調查、現場情況及井下資料進行初步解釋，發現畸變時，進行重復測量。通過勘測發現:本測區放射性測氡正常場背景值為小于50脈沖，異常場值為大于100脈沖。

7 結語

為了對物探工作推斷解釋的采空區范圍進行核實、驗證，以便對物探解釋成果進行再次分析解釋，在物探推斷解釋的采空區部位布置了6個鉆孔，6個孔在4號煤層分布深度范圍內，未提取到完整的煤層，僅在局部提取到薄煤線，6個孔均不同程度出現塌孔、掉鉆、漏水或巖芯破碎等現象，鉆探結果表明:擬建工業廣場場區內分布有4號煤層采空區，采空區埋深125.00m～148.60m，煤層底板為砂巖。

由本測區勘測結果及鉆探驗證結果表明:應用綜合物探勘測手段進行煤礦采空區勘測具有其他方法無可替代的優越性，一方面綜合物探勘測手段較鉆探成本低，另外，其工作方法相對便捷，成果資料直觀易懂，建議在同類地區參照進行。

［1］張 瑛.山西柳林碾焉煤礦有限責任公司900kt/a礦井技改工程工業廣場采空區勘察報告［R］.晉中:山西省第三地質工程勘察院，2010.