綜合地質勘查方法在陶棗煤田采空區勘查中的應用

徐然，張英梅，王繼芳，謝麗麗，韓宗瑞，唐洪敏

(1.山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊)，山東 兗州，272000；)

新建濟南至棗莊鐵路棗莊段經過陶棗煤田采空區，線路前期可行性研究方案給出四條方案。本文基于擬建鐵路沿線有關的地質、物探、遙感及開采資料做綜合分析研究，采用實地調查、物探、鉆探結合的方法對采空區分布范圍和各方案線路穩定性做出評價，對線路分段比選，提出合理化建議[1-3]。

1 地質概況及采空區分布

陶棗煤田工區為黃淮沖積平原的一部分，地勢平坦。大地構造位置屬于華北板塊，魯西隆起區，魯中隆起之尼山-平邑斷隆，尼山凸起。工區上覆第四系全新統坡殘積、坡洪積和崩坡積粉質黏土，下伏石炭系太原組(C1t)砂巖、頁巖、頁巖夾煤層，石炭系中統本溪組(C2b)泥巖夾砂巖，奧陶系灰巖，二疊系石盒子組(P3s)砂巖、頁巖夾煤層等。灰巖構成煤層頂板，砂巖、頁巖構成其底板。構造主要為單斜構造和斷裂，局部發育寬緩的小褶曲。總體為單斜盆地。地層總體走向40°～50°，傾向北西，傾角12°～26°。侵入巖主要為燕山中期巖床及巖墻輝綠巖，多分布于西部煤系地層中。石炭系至二疊系含煤巖系總厚630m。可采煤層自上而下主要為山西組第2層煤及太原組第14、16、17、18層煤，其中第2層煤厚達6m～8m，在朱子埠-黃貝礦區尖滅，在郭里集、田屯、寨子等礦區均被侵蝕，為歷史上主要開采煤層，現已基本采完；其余煤層分布不均，平均厚度分別為1.0m、0.7m、0.5m、0.8m。

陶棗煤田民國時期即已大量開采，大陶莊村-陶莊鎮-莊頭村-朱子埠-市中區-南安城村一帶，目前形成了大面積的采空區，僅有安陽煤礦開采。擬建線路南部比選方案中新老城區設站方案距離陶棗煤田西部新星煤礦、南石煤礦及興仁煤礦采空區較近，市中區南側設站方案距離南石煤礦、興仁煤礦及其擴大區采空區較近，市中區西側設站方案穿過甘霖煤礦、黃貝煤礦及朱子埠煤礦采空區；市中區東側設站方案穿過棗莊煤礦、田屯煤礦采空區。

2 勘查技術方法的選擇

2.1 勘查技術方法

陶棗煤田采空區內礦山閉坑多年，開采資料較少。根據以往經驗，采用單一的物探方法準確探測采空塌陷規模、形狀﹑埋深等空間分布特征存在較大難度，綜合運用多種物探方法探測采空塌陷是一種準確有效的工作方式[4-8]，考慮到采空區資料及實際塌陷情況，采用音頻大地電磁法(簡稱AMT法)、等值反磁通瞬變電磁法(簡稱TEM法)，配合少量工程鉆探進行復核和驗證，最終獲得準確的勘查成果，是非常經濟有效的方法[9-15]。

2.1 儀器及觀測系統

(1)AMT使用美國EMI公司和Geometrics公司聯合制造的EH4型儀器，觀測頻率12.6Hz～100000Hz。兩個電極組成一對電偶極子MN(20m)，其中，與測線同向的MN測量電位差并計算電場水平分量Ex；垂直測線的MN測量電位差并計算Ey。Hx磁探頭和Hy磁探頭相互垂直。電極布極方式主要為“+”字形。

(2)TEM使用湖南五維地質科技有限公司研發的TTEM-18型儀器，通過測定二次場感應電壓參數計算視電阻率。在資料采集中，采用收發一體等值反磁通天線定點測量方式，天線直徑0.6m，發射等效邊長50m×50m，接收等效面積200m2。考慮到探測深度和工區地下電阻率等因素，選擇發送基頻2.5Hz，其中，儀器關斷時間長度約80us、每個測點采樣點數400或800個(即每個測點記錄時間長度10ms)、最大發送電流10A、發送電壓12V。

3 物探

3.1 地球物理特征

工區各類巖土反演電阻率值見表1。據經驗統計和地球物理反演結果分析，周圍巖土與煤窯采空區或煤層存在一定電性差異，具備開展AMT和TEM法的地球物理勘探前提條件。

表1 工區物性參數統計表

3.2 測線布置

大致順方案線路方向布置物探測線2條(WT-3、WT1)；大致垂直各方案線路布置物探測線13條(WT-4～9、WT2～8)。物探測線布置情況見圖1、表2。

圖1 勘查工程布置圖

表2 物探測線布置情況一覽表

3.3 成果解譯

主要考慮各測線反演電阻率斷面圖中背景值、低阻異常形態、低阻異常值及其梯度值等因素，對地層界線、斷層及煤窯采空區判釋；根據反演電阻率斷面圖中異常形態和梯度高值位置準定量確定異常邊界。解釋原則：以煤層開采標高等資料為約束條件，把反演電阻率斷面圖中低阻異常解釋為疑似采空異常；結合地質資料，把向下貫通延伸的條帶狀低阻異常或電阻率梯度高值帶解釋為斷層。各測線代表性區段反演電阻率斷面見表3、圖2～圖5。

圖2 新老城區設站方案WT-5測線視電阻率反演斷面圖

圖3 市中區西側設站方案WT-6測線視電阻率反演斷面圖

圖4 市中區東側設站方案WT-8測線視電阻率反演斷面圖

圖5 市中區南側設站方案WT2測線視電阻率反演斷面圖

表3 物探測線成果解譯和鉆探驗證情況一覽表

4 鉆探驗證

據物探解譯成果，針對性實施了2995.40m/51孔，基本位于比選方案中軸線及兩側，對推斷采空區范圍系統控制，且與物探解譯成果基本吻合。

(1)新老城區設站方案：布置5個鉆孔均有一段砂巖或頁巖巖心厡巖結構完全被破壞，巖心全風化。全風化層自西向東逐漸加深，厚度逐漸加大。明顯為采空區沉陷后引起的巖石結構破壞，個別鉆孔見溶蝕破碎帶，與物探資料基本對應，根據物探勘查和鉆孔驗證，該方案從新星煤礦西側小煤窯采空區通過。新星煤礦及陶莊鎮西煤礦西側以往分布有大量小煤窯，開采時間久遠，多為私采亂采，規模較小，開采深度20m～60m不等，物探亦揭示埋深20m～80m以內普遍分布有采空區或采空塌陷區低阻帶。該處采空區地表房屋有開裂現象，地面有塌陷現象，塌陷時間約10年。對線路方案有一定影響。

(2)市中區西側設站方案：布置6個鉆孔均有2m～5m巖心厡巖結構完全破壞，巖心全風化；并有較厚的強風化巖心，碎裂嚴重。明顯為采空區沉陷的結果，破壞了原始的地層結構。每個鉆孔基本上均發現多條溶蝕破碎帶，厚度1m～3m。朱子埠煤礦和甘霖煤礦多次開采，個體私營小煤窯眾多，開采混亂，采空區深淺不一。現場調查，朱子埠村房屋開裂嚴重，多處房屋成危房，附近農田夏季多積水，農作物多減產、絕產。1999年朱子埠煤礦終采，2016年甘霖煤礦終采。采空區面積大，物探亦揭示本區200m以下普遍分布有采空區或采空塌陷區低阻帶，另據鉆孔揭露，采空區仍然存在不穩定因素。因此該方案存在嚴重的安全隱患，安全風險極大。

(3)市中區東側設站方案：鉆孔資料與物探資料吻合較好。該區可采煤層較多，通過鉆探沿擬建線路上部(70m)巖石結構基本被破壞，明顯是采空區沉陷的結果，破壞了原始的地層結構。根據鉆孔巖心，灰巖層多處發現溶蝕破碎帶和溶洞，溶洞為充填和半充填。1996年棗莊煤礦終采，開采2、14、16、17、18煤層，采深330m ～406m；1996年田屯煤礦終采，采深350m～416m。開采煤層4層，采厚較大，閉坑后又經多次私采亂挖。采空區總體基本停止沉陷，但據鉆孔資料仍存在不穩定因素。物探資料推測區內存在采空區異常，且巖溶發育，有較大的無充填空洞，因此該方案風險較大。

(4)市中區南側設站方案：鉆孔資料與物探資料吻合較好。施工鉆孔多數發現采空區，在擬建線路及南西側采空區深度一般10m～15m，向擬建線路北東側采空區深度逐漸加深。該線路方案雖在南石和興仁煤礦已設采礦權之外，但淺層煤曾多次私采亂挖，線路行走于18煤層采空區之上。18煤層較薄，煤層厚度0.43m～0.72m，煤礦已閉坑10年，采空區已基本穩定，該方案風險較小。

5 結 論

通過綜合地質、物探、鉆探等手段對陶棗煤田采空區穩定性調查評價，開展AMT和TEM法綜合地球物理勘探，獲得視電阻率反演斷面圖反映特征，解譯推斷出采空區分布范圍，經現場鉆探驗證，解譯推斷的采空區范圍與鉆探所揭露的深度及厚度吻合較好，對新建濟南至棗莊鐵路選線工作具有指導意義。