“物探+鉆探”方法在濟東煤田采空區勘察中的應用

胡建波，張友林，楊冬銘

（1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250000；2.山東省地質環境監測總站，山東 濟南 250014）

采空塌陷是礦層（體）采出后，采空區上方巖層在重力作用下發生彎曲、離層以致冒落形成的。按巖石的破壞程度，自采空區地表可劃分為3個不同的變形影響帶，即冒落帶、裂隙擴展帶和彎曲變形帶，當三帶均發育時，彎曲變形帶上方地表往往形成塌陷盆地，盆地中心下沉深度最大、邊緣最小。由于塌陷體的四周斷面與水平面的夾角較大，塌陷盆地面積一般略大于采空區面積。采空塌陷的影響因素錯綜復雜，其發生發展過程及地表形態特征主要取決于礦層條件、頂板巖性特征、地質構造和采高、開采條件等。本研究以濟東煤田圣井煤礦為例，采用“物探+鉆探”方法對圣井煤礦采空區工程建設進行分析和評價。

1 工程概況和煤礦調查

1.1 工程概況

山東藍海領航電子商務示范產業園位于圣井煤礦范圍內，該建設項目占地面積約為50 828.2 m2，建筑層數基本為4～5層，高層為21～28層。根據場區調查分析，該場地屬于低山丘陵地帶，地形較為平坦，僅場地西側有沖溝發育，地表被第四系大站組粉質黏土覆蓋，下伏地層為二迭系石盒子組和石炭系太原組、山西組，屬于煤田集聚區，以往屬于圣井煤田開采區，周邊存在大量采空區。

1.2 煤礦調查

濟南圣井煤礦位于章丘市明水鎮西南方向12 km處，面積為1.800 2 km2，開采標高+70～-260 m。井田為華北型全隱蔽式井田，第四系平均厚度為20 m。含煤地層整體走向NW，傾向NE。巖漿巖較發育。井田地質構造復雜程度屬中等類型。礦井水文地質條件屬于復雜類型，工程地質條件屬于簡單類型，環境地質條件簡單。井田劃為Ⅲ-1型。井田勘察類型確定為Ⅱ類2型。

圣井煤礦太原組含煤4層，為7煤、9煤、10-2煤、13煤。13煤不可采，可采煤層為7煤、9煤、10-2煤。7煤局部可采，9煤、10-2煤為大部分可采煤層。根據現場地質環境綜合調查，場地內因煤礦采空引發的地面塌陷、地裂縫等地質災害眾多，可見多處采空塌陷變形地段，地表波浪起伏變形較明顯，部分房屋外墻可見大小不一的裂縫。

2 物探解疑

本次勘察區物探工作采用高密度電法[1]和瞬變電磁法兩種物探方法進行。根據物探勘察區范圍，共布置高密度電法剖面15條，分別編號為G1～G15，剖面長300 m，瞬變電磁法呈南北方向布置，共15條測線，全長310 m。兩種方法的點距及線距均為10 m，基本實現全區覆蓋。物探和鉆探布置如圖1所示。

2.1 高密度電法

高密度電法采用溫納裝置進行測量。本次試驗選擇場區內較有代表性的G03進行詳細分析。G03線布線方向為正東向，測線長795 m。由圖1可以看出，整條剖面視電阻率變化較明顯，局部出現低阻異常，推斷為采空區或采空區塌陷反映。結合地質資料，綜合分析認為：高密度電法G03線在剖面440～505 m、埋深-45～-55 m以及剖面535～725 m、埋深-43～-79 m處出現低阻反映，推斷解釋為采空區或采空區塌陷；在剖面545～562 m、埋深 -155～-165 m以及剖面585～620 m、埋深-165～-175 m處出現低阻反映，推斷解釋為7煤采空區或采空區塌陷；在剖面325～340 m、埋深-135～-141 m，剖面355～430 m、埋深-140～-155 m以及剖面445～500 m、埋深-155～-175 m處出現低阻反映，推斷解釋為9煤采空區或采空區塌陷[2]。

2.2 瞬變電磁法

考慮到采空區較淺，開展瞬變電磁法試驗時采用重疊回線觀測裝置，邊框為50 m×50 m。本次試驗選擇勘察場地內較有代表性的S03進行詳細分析。S03線布線方向為正東向，測線長720 m。由圖1可以看出，整條剖面視電阻率變化較明顯，局部出現低阻異常，推斷為采空區或采空區塌陷反映。結合地質資料，通過綜合分析認為：瞬變電磁法S03線在剖面455～550 m、埋深-158～-200 m處出現低阻反映，推斷解釋為7煤采空區或采空區塌陷；在剖面240～415 m、埋深-130～-175 m以及剖面445～530 m、埋深-184～-226 m處出現低阻反映，推斷解釋為9煤采空區或采空區塌陷；在剖面0～105 m、埋深-110～-135 m，剖面158～406 m、埋深 -140～-210 m以及剖面465～525 m、埋深-225～-255 m處出現低阻反映，推斷解釋為10-2煤采空區或采空區塌陷[3]。

圖1 工作量布置

3 采空區鉆探驗證

根據物探異常情況，結合場地情況在勘察區內共布置鉆探驗證孔56個，全孔取芯，所有鉆孔均超過3煤、9煤、10-2煤煤層部位。其中，2-0、2-3、4-3、6-4、6-10、8-13、10-1、10-3、10-8、10-9、12-1、16-6均布置在物探推測的采空異常區范圍內，在鉆探過程中有漏水、卡鉆、跳鉆及掉鉆等現象出現，經鉆孔電視驗證，鉆孔內有空洞，屬于采空區范圍。

4 采空區特征綜合分析

本次采空區勘察工作采用了高密度電法、瞬變電磁法、鉆孔等手段，通過物探與鉆探資料對比分析可知：在采空區電性特征表現為低阻特征，視電阻率等值線向下同向彎曲。原因為地下煤層被采空后，上覆地層向下坍塌，破壞了地層的穩定性，地層向下坍塌過程中產生裂隙被水或泥質物質充填。

濟南圣井煤礦采空區主要有兩層，即淺部3煤采空區和深部7煤、9煤、10煤采空區。其中，3煤采空區埋藏較淺，深度為20～50 m，7煤、9煤、10煤采空區埋藏較深，深度為100～200 m。通過對濟南圣井煤礦采空區進行解譯可知，淺部4煤采空區主要分布在工區北半部，且采空范圍較凌亂。深部9煤為主要煤炭采空區，主要分布于工區北、中部；10煤開采較少，采空區主要分布于工區南部。受地層產狀影響，采空區往東逐漸變深，如圖2所示。

圖2 采空區分布

5 結語

物探采用高密度電法和瞬變電磁法，基本查明在擬建場區范圍內存在的煤礦采空區。采用“物探+鉆探”方法避免了單一物探反演結果的多解性，使勘察結果更為詳細準確，又減輕了多處鉆孔對巖層造成的破壞。確定了圣井煤礦3煤、7煤、9煤、10-2煤煤層采空區分布范圍，并圈定了采空區異常范圍，為工程建設提供較為準確可靠的采空區分布范圍資料。