綜合物探方法在煤礦采空區勘察中的應用
——以濟南市鋼城區某項目為例

趙彤，王雨辰，李根云，解磊，于超

(1.山東科技大學，山東 青島 266590；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250109；3.山東省國土空間生態修復中心，山東 濟南 250014)

0 引言

我國是世界最大的煤炭生產國及消費國，煤炭在我國經濟社會發展中一直處于重要戰略地位[1]。隨著煤炭的大量開采，形成了數量龐大的煤礦采空區，在此區域內，圍巖存在失穩的可能性，導致地面發生沉降開裂破壞，從而造成地面人員傷亡和財產損失，對安全生產構成嚴重威脅[2-5]。據統計，目前我國因采煤造成的開采沉陷約1億m2[6]，作為一種外生地質災害，目前已成為工程地質、環境工程中重要的研究對象[7]。以往的工程建設中，對于采空區多采取避讓辦法，但隨著我國城鎮化進程加快，基礎設施建設密度增大，建設用地與耕地保護矛盾日益突出，需要對采空區進行工程地質調查及穩定性和適宜性分析，以確定采空區域是否可以用于工程建設。濟南市鋼城區礦產資源開采具有悠久的歷史，新中國成立前后私采亂挖現象嚴重，廢棄礦井數量較多，地下存在規模不等、分布范圍不明的采空區，工程地質環境復雜(1)山東省第一地質礦產勘查院，濟南市鋼城區某項目綜合地球物理勘察工作報告，2020年11月。，這不僅威脅當地人民生命和財產安全，同時又制約了該地區經濟社會的可持續發展[8-9]。因此，探明采空區位置、深度及范圍，及時采取措施進行治理、消除安全隱患，對工程建設具有重要意義[10]。利用鉆探方法為主進行采空區勘察具有直觀的優點，但投入工作量大、效率低。而物探方法具有快速、無損探測等優勢而得到廣泛推廣[11]。利用多種成熟的物探方法進行采空區勘察不僅可以克服單一物探方法本身的缺陷，相比新型物探技術具有更好的可靠性、經濟性和適宜性，可以在實際生產活動中廣泛應用[12-15]。

1 地質背景

1.1 區域地質概況

研究區屬華北板塊(Ⅰ)、魯西地塊(Ⅱ)、魯中隆塊(Ⅲ)，涉及新甫山凸起-泰安凹陷-魯山凸起(Ⅳ)等四級構造單元。本區斷裂構造極其發育，主要有銅冶店-孫祖斷裂、興隆山-高峪鋪斷裂、清泥溝斷裂，各斷裂距離研究區2～4km。

研究區內地層傾向NE(22°～36°)，傾角19°～24°，地層由老到新分布馬家溝群八陡組石灰巖段灰巖、白云巖及生物碎屑灰巖，石炭-二疊紀月門溝群本溪組砂質泥巖、太原組中細粒砂巖、粉砂巖、泥巖、頁巖，第四紀沂河組粉細砂、粉質黏土等。

1.2 研究區煤層開采情況及現狀

研究區位于原黃莊煤礦采空區范圍內，揭露的煤層有7煤、8煤、9煤、9-1煤、13煤、14煤、15煤、17煤、18煤、19煤、19-1煤、19-2煤、20煤、20-1煤及20-2煤共15層煤，其中可采煤層分別為7煤層、8煤層、18煤層、19煤層，主要開采煤層為18煤、19煤，煤層走向NW，傾向E，煤層厚度1.0～1.6m。礦石特征為肥煤、天然焦。

研究區南部開采較早，開采時間為1980—1990年，開采深度75～200m，頂板埋深厚度80～200m，煤厚1.0～1.5m。北部開采時間稍晚，開采時間為1987—1994年，開采深度100～150m，頂板埋深120～170m，煤厚約0.9～1.55m。1994年黃莊煤礦關停，之后未再進行開采活動。

根據調查走訪結果，自1958年以來，研究區及周邊地區進行了多次煤礦綜合普查、水文地質調查、區域地質調查、環境監測評價、采煤塌陷研究等工作，查明了淺部煤系、煤層延伸、賦存的情況，詳細論述了水文地質、工程地質、環境地質條件，基本摸清了煤礦采空區的分布范圍(圖1)。

1—建筑紅線(勘察范圍)；2—河流；3—建筑物輪廓線；4—采空區及巷道圖1 黃莊煤礦采煤區域圖

研究區東部北側現狀為原黃莊煤礦家屬居住區，南側現狀為鋼城區丈八邱村散落的民房、樹林，中部現狀為丈八邱村民居住區，西部為某林業公司大院。原黃莊煤礦廢棄井口及巷道、矸石山擋土墻、北部建于2011—2013年的沿街四層商鋪、采空區建設于2000年后的民房，均未發現開裂現象；采空區內建于2000年前的房屋，部分房屋出現了裂縫，且不再發展。研究區內未發生過地面塌陷、地裂縫，未發生過大規模的地面沉降及建筑變形。

1.3 研究區水文地質條件

野外勘察期間僅測得松散巖類孔隙水的埋深，穩定水位埋深為2.60～4.30m，平均3.06m，相應水位標高為266.09～266.72m，平均266.43m。

2 物探方法選擇及工作布置

2.1 物探方法選擇

瞬變電磁法以圍巖與采空區之間存在電阻率差異為基礎，利用采空區電阻率異常在電阻率等值線上的起伏變化，確定采空區分布[16-17]。根據搜集的資料，研究區內黏土、泥巖、砂巖、灰巖、煤層及采空區之間視電阻率值(表1)具有明顯差異，具備開展瞬變電磁勘探的條件。

表1 地層的視電阻率參數表

淺層反射波法地震勘探是利用人工激發的彈性波在地殼內傳播，當遇到地層界面或構造界面，會對地震波產生反射作用[18]，利用采空區域因地震波強烈的吸收和散射產生的異常反應，來判斷采空區分布[19]。勘察區范圍內地層主要由第四系沉積巖、石炭—二疊紀砂泥巖、粉砂巖、頁巖以及馬家溝群八陡組灰巖組成，各地層之間存在明顯的密度差異，而區內主采煤層與圍巖的波阻抗差異較大，易形成良好的反射界面，這些特性為淺層反射波法地震勘探方法提供了有利的物理前提和應用條件。

微動勘探技術是利用微動信號提取面波的頻散曲線，通過反演獲取速度結構信息的勘探方法[20]。利用天然場微動信號，不受電磁干擾，不對環境產生影響，具有簡便、快捷、對環境無特殊要求的特點[21]。本次研究的場地位于市區，周圍存在著較多干擾因素，利用微動勘探技術具有較大優勢。

綜上所述，本次研究采用瞬變電磁法、淺層反射波法地震勘探和微動勘探3種方法相結合的綜合物探方法，對研究區內采空區的分布位置、深度進行研究。

2.2 工作布置及質量

前期收集資料及地面調查結果顯示，研究區采空區主要分布于中部及東北部，巖層走向為NE向，傾角16°～23°，結合規范要求[22-23]對物探工作進行布置。共布置淺層地震勘探測線14條，瞬變電磁勘探測線9條，微動物探測線6條，質量均滿足規范技術要求(表2)。

表2 研究工作量及質檢統計表

3 資料解譯與分析

淺層反射地震勘探結果顯示，當地層連續時，地層反射具有較強的反射能量，當反射波同相軸數量發生變化，出現不連續、空白信號及信號凌亂現象時，可推斷為異常區域(表3)。通過對14條地震測線解譯，結合前期收集的資料，推斷物探異常區域主要位于研究區的中部和東北部，中部為斷裂，東北部為煤礦采空區，層數1～2層，深度88.8～169.7m。代表性地震測線綜合解譯剖面圖(圖2)。

表3 物探剖面異常統計表

圖2 地震測線綜合解譯剖面圖(D5)

瞬變電磁勘探結果顯示，當地層連續平穩時，斷面電阻率值整體表現一定的規律性，當部分區段出現明顯電阻率異常時，可推斷為異常區。通過對9條地震測線解譯，結合前期收集的資料，物探異常區域主要位于研究區東北部、中部和東南部，推斷中部異常區由斷裂造成，東南部異常區由斷裂或干擾造成，東北部異常區為煤礦采空區，層數1層，深度80.0～170.0m。代表性瞬變電磁剖面電阻率等值線斷面圖(圖3)。

圖3 瞬變電磁剖面電阻率等值線斷面圖(S7)

微動勘探結果顯示，當地層連續平穩時，剪切波速度由淺部至深部大致呈遞增趨勢，表現層狀特征，當出現明顯低速異常時，可推斷為異常區，然后再根據異常區形態特征進一步判斷異常類型。通過對6條微動測線解譯，結合前期收集的資料，物探異常區域主要位于研究區西部及中部，推斷西部異常區由斷裂造成，中部異常區由溶洞造成。代表性微動測線剪切波速等值線剖面圖(圖4)。

圖4 微動測線剪切波速等值線剖面圖(W4)

經過對3種方法所得結果的解譯，29條物探剖面共有32處表現異常(表3)。

結合區域地質資料及黃莊煤礦采煤區域顯示的采空區范圍，綜合推斷解譯斷裂構造3條，編號F1、F2和F3，圈定平面異常區2處，編號Y1和Y2。其中Y1位于研究區中部，整體走向近EW，長約300m，最寬處約60m；Y2位于研究區東北部，橢球狀，整體走向近EW，長約320m，最寬處約120m。采空區埋深約70～150m，且呈現由西南到東北逐漸增大的特點。

4 采空區鉆探驗證

根據物探異常情況，在研究區內共布置鉆探驗證孔39個，均布置在物探異常區域和建筑物輪廓線范圍內(圖5)，全孔取芯，孔深107.00～211.00m。經驗證，共有29個鉆孔在鉆探過程中出現漏水、卡鉆、跳鉆及掉鉆等現象，通過鉆孔電視驗證及鉆探異常地層上下頂板巖性判斷，鉆孔內存在空洞，屬于采空區范圍。

1—瞬變電磁勘探測線點；2—淺層地震勘探測線點；3—微動勘探測線點；4—淺層地震勘探推斷斷裂位置；5—瞬變電磁勘探推斷斷裂位置；6—微動勘探推斷斷裂位置；7—淺層地震勘探推斷異常；8—瞬變電磁勘探推斷異常；9—微動勘探推斷異常；10—淺層地震勘探推斷采空區；11—瞬變電磁勘探推斷采空區；12—微動勘探推斷采空區；13—推斷斷層及編號；14—研究區范圍圖5 物探剖面布置及解譯平面圖

5 結論

(1)采用以物探手段為主、鉆探手段為輔的技術方法進行煤礦采空區勘察，不僅避免了大規模鉆探施工對研究區地表及地下的破壞擾動，而且節約了工作成本和時間，提高了工作效率。

(2)通過前期資料搜集和現場調查，根據研究區實際情況選擇了瞬變電磁法、淺層反射波法地震勘探和微動勘探3種物探手段，確定了研究區內采空區主要分布于中部和東北部，近橢圓狀，埋深70～150m。

(3)利用綜合物探方法克服了采用單一物探手段因干擾因素多、地層結構復雜等造成精度和符合性低的不足，經鉆探驗證，圈定的采空區基本符合實際情況，探測結果可靠性高。