綜合物探技術在煤礦采空區調查中的應用

黃玉輝

（新疆水利水電勘測設計研究院 新疆 昌吉 831100）

1 前言

某高速公路在K22+500～K23+000處跨越露天煤礦，該露天煤礦一直存在無序盜采現象，導致工程區地表下存在未知煤礦采空區域，對高速公路的工程建設帶來了巨大的安全隱患，因此需對工程區露天煤礦進行采空區調查，提出合理處治方案，排除工程建設中的安全隱患。本次測試工作利用綜合物探手段查明高速公路在K22+500～K23+000處跨越露天煤礦段的路基及其影響范圍內的采空區存在與否，了解其存在的位置、形態特征和分布范圍等，查明作為路基主要持力層的安全煤柱的存在現狀，為采空區（空洞）治理的方案及設計提供可靠依據。

2 工程地質情況

測區出露的地層主要有侏羅系下統、侏羅系中統、第四系（Q3、Q4）。巖性一般由灰色和深灰色泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、砂礫巖、炭質頁巖夾煤層、炭質泥巖等組成。表層為雜色的采空塌陷區回填物，主要成分為粉砂質粘土、砂礫石，混雜有大量煤矸石、煤灰及建筑、生活垃圾，厚度5m～100m。

3 地球物理特征

測區表層黃土電性表現為低阻，礫石層因含泥和水不均勻，電性表現為中高阻或低阻，基巖中煤為相對中高阻，其他巖性（泥巖，粉砂、細砂巖）為低阻特征。基巖、采空區與塌陷破壞帶之間電性差異非較大，電阻率斷面圖上兩者分界明顯，測區各地層存在明顯電性差異。適宜開展高密度電法和電測深法，以高密度電法為主配合電測深方法作為輔助方法。

雷達波（電磁波）遇到巖體空隙、裂隙或高阻不均勻體時，將會產生反射，且波長加大、頻率變低、強度增高；當遇到松散介質或低阻不均質體時，雷達波形雜亂無章，有時出現窄細形同相軸，有時無明顯規律；當遇到完整巖體時，雷達波形無明顯反射，波形圖像一般呈均勻灰黑色。測區各地層在雷達測試圖像上有明顯差異，適宜開展雷達測試工作。

4 物探工作方法與布置

針對本次測試工作的特點，物探工作采用高密度電阻率法為主要工作方法，探地雷達和電測深法為輔助方法進行測試。

4.1 工作方法

（1）高密度電法

該種工作方法主要應用于地表下深部（地表以下20m）異常探測測試。測試工作采用高密度電法，E60M型電法工作站進行數據采集，利用高密度溫納α排列進行采集，電極間距10m，供電時間2s，重復采集次數2次。

（2）探地雷達

該種工作方法主要應用于地表下淺部（地表下20m內）異常探測測試。根據測區現場地質條件及探測目的，本次利用100 MHz天線，連續采集方式進行數據采集。時窗設置由探測深度決定，一般探測深度為目標深度的1.5倍。

（3）電測深法

該種工作方法主要在地形變化較大、高密度電纜無法鋪設地區進行補充測試。電測深法工作采用四極對稱裝置，MN/2∶AB/2=1∶10，最小 AB/2為 2m，最大AB/2以充分反映目的層和曲線完整為原則。

4.2 工作布置

4.2.1 高密度電法

在擬建公路樁號K22+728、K22+760、K22+688、K22+500、K22+855、K23+000段垂直擬建公路各布置1條高密度電法測試剖面；在擬建公路左側510m處平行于擬建公路布置1條高密度電法剖面；在擬建公路右側590m處平行于擬建公路布置1條高密度電法剖面。

4.2.2 探地雷達

在順溝垂直擬建公路樁號K22+728、K22+760段各布置1條雷達測試剖面。

4.2.3 電測深

（1）在擬建公路左側120m、右側80m處平行于擬建公路各布置1條電測深測試剖面。

圖1 高密度電法α裝置數據采集剖面圖

（2）沿擬建公路樁號K22+500～K23+000段軸線布置1條電測深測試剖面。

圖2 GD1-1剖面000+000～001+270段反演推斷成果圖

圖3 GD2-2剖面000+000～001+190段反演推斷成果圖

圖4 CG1-1剖面000+000～001+030段反演推斷成果圖

圖5 CG2-2剖面000+000～000+950段反演推斷成果圖

圖6 YB1-1剖面000+000～001+190段反演推斷成果圖

5 物探成果分析

5.1 高密度電法成果

（1）GD1-1號剖面成果分析

在剖面樁號0+360～0+570樁號段地表下8m～25m處推斷為煤層或采煤區；剖面樁號0+700～0+1140樁號段地表下5m～15m處推斷為煤層（結合地質資料推斷為43#煤層），但該處下伏煤層局部已被開采，存在空洞及塌陷區。其中，剖面樁號0+730～0+820樁號段仍存在安全煤柱，但局部存在采煤區；剖面樁號0+860～0+900樁號段地表下8m處推斷為采空區或回填區；剖面樁號0+810～0+1070樁號段地表下25m處推斷為采空區。其余樁號段未見異常反應（成果見圖2）。

（2）GD2-2號剖面成果分析

剖面樁號0+170～1+000樁號段地表下10m～40m處推斷為煤層（結合地質資料推斷為43#煤層），但該處下伏煤層局部已被開采，存在空洞及塌陷區。其中，剖面樁號0+650～0+740樁號段仍存在安全煤柱，但局部存在采煤區；剖面樁號0+490～0+540樁號段地表下20m處推斷為采空區；剖面樁號0+770～0+800樁號段地表下8m處推斷為采空或回填區；剖面樁號0+820～0+910樁號段地表下25m～40m處推斷為采空區；其余樁號段未見異常反應（成果見圖3）。

（3）CG1-1號剖面成果

剖面樁號0+320～0+740樁號段地表下15m～50m處推斷為煤層分布區，但該處下伏煤層局部已被開采，存在空洞及塌陷區。其中剖面樁號0+530～0+610樁號段下伏15m處推斷為采空區（成果見圖4）。

（4）CG2-2號剖面成果分析

剖面樁號0+230～0+400樁號段下伏40m處推測為煤層分布區；剖面樁號0+430～0+500樁號段地表下20m處存在低阻異常反應，推斷該處為基巖；剖面樁號0+510～0+700樁號段地表下8m～15m處推斷為煤層或采煤區，其中部的高阻區推斷為采空區；剖面樁號0+760～0+880樁號段地表下15m處推斷為采空區；其余樁號段未見異常反應（成果見圖5）。

（5）YB1-1號剖面成果分析

剖面樁號0+250～0+460樁號段地表下35m處呈明顯低阻異常，推斷該處為基巖；剖面樁號0+490～1+100樁號段地表下20m～70m處為煤層（結合地質資料推斷為45#煤層）；其中剖面樁號0+520～0+630樁號段地表下30m處推斷為采煤區或煤層；剖面樁號0+720～0+810樁號段地表下40m處仍存在安全煤柱；剖面樁號0+930～1+100樁號段地表下20m處推斷為采空區；其余樁號段未見異常反應（成果見圖6）。

（6）YB2-2號剖面成果分析

根據電法成果并結合區域地質資料分析，剖面樁號0+500～0+660地表下約80m處存在煤層，其他樁號未見采空區及回填異常反應（成果見圖7）。

圖7 YB2-2剖面000+000～000+950段反演推斷成果圖

圖8 CG4-4剖面000+000～000+510段反演推斷成果圖

圖9 CG5-5剖面000+000～000+530段反演推斷成果圖

5.2 雷達測試成果

該工作對高密度測試中由于外界條件變化引起的地表異常空洞反映進行了排除。經地質雷達測試，所測試剖面處地表下20m內未發現空洞異常反映。

5.3 電測深測試成果

（1）CG4-4號剖面成果分析

該成果表明高密度測試剖面反映的43#、45#煤層通過電測深剖面反演依然存在，剖面樁號0+170～0+270樁號段地表下約3m～5m處存在煤層（結合地質資料推斷為43#煤層）；剖面樁號0+310～0+450樁號段地表下約20m處存在煤層（結合地質資料推斷為45#煤層）；其余樁號段未見異常反應（成果見圖8）。

（2）G5-5號剖面成果分析

該成果表明高密度測試剖面反映的43#煤層通過電測深剖面反演依然存在，剖面樁號0+110～0+200樁號段地表下約30m處存在煤層；剖面樁號0+220～0+520樁號段地表下3m～5m處存在煤層（結合地質資料推斷為43#煤層）；其余樁號段未見異常反應（成果見圖9）。

由GD1-1、GD2-2、及YB1-1剖面測試情況反映，43＃、45＃安全煤柱依然存在，但部分已被開采。其中GD1-1剖面0+685～0+910樁號段推斷為43＃煤柱，埋深5m～10m，安全煤柱兩側為開采回填區；剖面0+685～0+830樁號段安全煤柱相對完整，但樁號0+830～0+910段地表下約70m內安全煤柱已被開采回填。GD2-2剖面 0+575～0+810樁號段推斷為 43＃ 煤柱，埋深5m～10m，安全煤柱兩側為開采回填區；剖面0+620～0+740樁號段安全煤柱相對完整，其中樁號0+650～0+680段地表下約15m安全煤柱內存在采空區；樁號0+740～0+810段地表下約50m內安全煤柱已被開采，底部仍存在采空區。YB1-1剖面0+700～0+820樁號段推斷為45＃煤柱，埋深約40m，安全煤柱兩側為采空回填區。

綜上所述43＃、45＃安全煤柱依然存在，其兩側為采空回填區。陜西水利

6 結論

[1]sl326-2005，水利水電工程物探規程[S].

[2]中國水利電力物探科技信息網.工程物探手冊（第一版）[M].北京：中國水利水電出版社，2011.