綜合地球物理方法在煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用效果探析

周立國(guó) 郭本力

摘要：本文通過(guò)分析煤礦采空區(qū)與圍巖的電阻率差異，采用綜合地球物理方法開(kāi)展采空區(qū)探測(cè)，利用視電阻率中間梯度法圈定低阻和高阻異常區(qū)域，結(jié)合地質(zhì)資料，劃定煤系地層；通過(guò)高密度電法精細(xì)劃分異常區(qū)域縱向分布特征，從而綜合判定異常區(qū)域的分布規(guī)模、深部賦存形態(tài)，結(jié)合礦山開(kāi)采資料，推斷煤礦采空區(qū)的位置、埋深及規(guī)模。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，綜合地球物理方法所推斷的100m以淺煤礦采空區(qū)可信度高，可在煤礦采空區(qū)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū)；中間梯度法；高密度電法；綜合地球物理

中圖分類(lèi)號(hào)：P631.3??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.10.009

引文格式：周立國(guó)，郭本力.綜合地球物理方法在煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用效果探析［J］.山東國(guó)土資源，2023，39（10）：56-61.ZHOU Liguo， GUO Benli. Application Effect of Comprehensive Geophysical Method in Goaf of Coal Mine［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（10）：56-61.

0 引言

目前我國(guó)煤礦采空塌陷面積已超過(guò)近百萬(wàn)公頃，因采空塌陷造成的經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)已超過(guò)近千億元，莒縣劉官莊鎮(zhèn)竹園—?jiǎng)⒐偾f一帶為早期地下煤礦開(kāi)采區(qū)，20世紀(jì)60年代后期逐漸閉坑停采，根據(jù)觀測(cè)資料，礦坑在雨季水位上涌，每年都存在地面緩慢下沉現(xiàn)象。并且礦區(qū)范圍受到安丘-莒縣斷裂及其次生活動(dòng)斷裂的影響，易發(fā)生地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致地表建筑物、地形地貌變形，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成重大威脅。因此，如何快速有效探明采空區(qū)位置、深度及規(guī)模，及時(shí)采取工程措施消除安全隱患尤為重要［1-3］。由于礦區(qū)停采時(shí)間久遠(yuǎn)，詳細(xì)的礦山開(kāi)采資料丟失，無(wú)法系統(tǒng)了解采空區(qū)的范圍分布和礦床開(kāi)采深度，本文根據(jù)采空區(qū)與圍巖的電阻率差異，利用綜合地球物理方法［4-9］開(kāi)展采空區(qū)勘察，利用視電阻率中間梯度掃面工作，圈定煤系地層范圍，推斷各巖性界線；利用高密度電法結(jié)合礦山開(kāi)采資料，推斷煤礦采空區(qū)的規(guī)模及賦存形態(tài)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，綜合地球物理方法在煤礦采空區(qū)中應(yīng)用效果良好。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于日照市莒縣西南約14.5km處，面積約13.79km2，為歷史采煤遺留采空區(qū)。地形地貌類(lèi)型主要為山間沖積—洪積平原地貌，地勢(shì)較為平坦，西為浮來(lái)山，東為老營(yíng)信山，中為沭河平原，山川呈南北方向延伸，西北高、東南低，井田位于浮來(lái)山系的珍珠山下。區(qū)域位于華北陸塊（Ⅰ）、魯西隆起區(qū)（Ⅱ）、沂沭斷裂帶（Ⅲ）、安丘-莒縣斷陷（Ⅳ）、莒縣凹陷（Ⅴ）。出露地層主要有寒武紀(jì)張夏組、浮來(lái)山組，石炭紀(jì)本溪組、太原組，白堊紀(jì)馬朗溝組、田家樓組，以及第四紀(jì)地層。

研究區(qū)內(nèi)以沉積巖為主，含煤地層為石炭-二疊紀(jì)，全厚269.28m左右，煤系地層上部為白堊系、第四系所覆蓋，由于受地質(zhì)構(gòu)造的影響，使上奧陶系、志留系、泥盆系、下石炭系在本區(qū)缺失，到中石炭系才逐漸沉積。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要為NNE向斷裂，NE向斷裂為安丘-莒縣斷裂為代表，在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)由3條斷裂組成，走向NE 10°～20°，以壓性、壓扭性為主，構(gòu)造帶內(nèi)斷層泥發(fā)育，寬0.5～10m不等。NW向斷裂為齊家莊一帶出露斷裂，走向NW 320°～350°，受其影響，竹園地區(qū)發(fā)育數(shù)條次生NE向斷裂，區(qū)內(nèi)巖漿巖、巖脈不發(fā)育（圖1）。

2 工作方法

2.1 地球物理特征

電法勘探以視電阻率的差異來(lái)區(qū)分巖性及構(gòu)造體，根據(jù)視電阻率值的大小以及在地下的展布形式來(lái)識(shí)別地下地質(zhì)體的空間分布及其狀態(tài)和性質(zhì)。影響電阻率的主要因素有巖石巖性，巖石結(jié)構(gòu)，巖層構(gòu)造，含水情況等多種因素。

電性參數(shù)主要針對(duì)區(qū)內(nèi)主要巖性段進(jìn)行，本次工作物性測(cè)試采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A多功能電法儀，共測(cè)定各類(lèi)巖樣共計(jì)120塊。由表2可知，不同巖性之間存在一定的電性差異，灰?guī)r視電阻率最高，平均值為2552Ω·m，煤的視電阻率最低，平均值為90Ω·m，砂巖、泥巖的視電阻率次之；此外，完整巖體與充水采空區(qū)、破碎帶及斷層破碎帶之間，也存在明顯的差異；因此研究區(qū)能夠用電性差異區(qū)分物性差異較大的巖性，劃分采空區(qū)、斷層破碎帶等地質(zhì)體，使得研究區(qū)具備開(kāi)展電阻率測(cè)量的地球物理勘探條件。

2.2 物探方法選擇

調(diào)查區(qū)地表部分被第四系覆蓋，無(wú)法獲取煤層的分布情況，選用視電阻率中間梯度掃面工作，圈定煤系地層范圍，并推斷各巖性界線。選用高密度電法結(jié)合采礦資料推斷采空區(qū)賦存形態(tài)、埋深及規(guī)模等。

2.2.1 中間梯度法測(cè)量工作

中間梯度法［10-12］在地質(zhì)探測(cè)中已經(jīng)是一種非常成熟的方法，其最大優(yōu)點(diǎn)在于一次性探查區(qū)域面積大，且能夠?qū)崿F(xiàn)多次同步觀測(cè)結(jié)果，從而確保探測(cè)結(jié)果的完整性和準(zhǔn)確性。由于其工作面積大、工作效率高，中間梯度法得到了廣泛的認(rèn)可和使用，在找礦和工程勘察中發(fā)揮著重要的作用。

本次工作中梯裝置采用AB=1200m、MN=2倍點(diǎn)距=40m。觀測(cè)范圍在供電電極AB中間的2/3范圍內(nèi)移動(dòng)，旁測(cè)距不大于200m。供電脈寬4s，延時(shí)200ms。野外工作選擇極差＜1.5mV，內(nèi)阻＜1000Ω的不極化電極配對(duì)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)裝置的觀測(cè)前后都進(jìn)行AB和MN導(dǎo)線的對(duì)地絕緣電阻的檢查，從而保證了AB導(dǎo)線絕緣電阻＞2M·Ω，MN導(dǎo)線的絕緣電阻＞5M·Ω。

2.2.2 高密度電法工作

高密度電阻率法［13-18］是一種技術(shù)先進(jìn)的電阻率法，具有許多優(yōu)點(diǎn)。其特殊的測(cè)量方式可以防止因電極移動(dòng)引起的故障和干擾，并能快速有效的獲得多種裝置的視電阻率斷面數(shù)據(jù)，尤其在工程勘探中具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。高密度電法高密度的滾動(dòng)掃描測(cè)量，既豐富了地電信息，提高了電性分辨能力，又減少了人為影響因素，提高了工作效率。

由于調(diào)查區(qū)內(nèi)巖性以砂巖、頁(yè)巖、泥巖等構(gòu)成，視電阻率較低，大都小于100Ω·m，溫納裝置由于隨著供電極距的增加測(cè)量電極也在增加，而施倫貝謝爾裝置和三極裝置的測(cè)量電極是固定不變的，因此，在供電電壓相同，供電極距增大時(shí)，較大測(cè)量電極的裝置所獲取的一次場(chǎng)較大，壓制干擾異常能力較強(qiáng)，故本次工作采用溫納裝置，點(diǎn)距5m，觀測(cè)疊加次數(shù)6次。

2.3 資料處理

2.3.1 視電阻率中間梯度資料處理

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算K值，進(jìn)而計(jì)算出測(cè)點(diǎn)視電阻率值。利用克里格插值法進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，以50Ω·m等間距勾繪視電阻率等值線平面圖。根據(jù)目標(biāo)體與圍巖物性特征，劃分低阻異常區(qū)，推測(cè)煤礦塌陷區(qū)、采空區(qū)和影響區(qū)范圍。

2.3.2 高密度電法資料處理

實(shí)測(cè)原始資料進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、壞點(diǎn)剔除等預(yù)處理后合成剖面、加地形參數(shù)，繪制視電阻率擬斷面圖，視電阻率值采用對(duì)數(shù)形式標(biāo)示。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料對(duì)剖面進(jìn)行分析，確定電剖面上異常的性質(zhì)及可能的地質(zhì)異常體，建立地質(zhì)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)反演，結(jié)合收集的已知地質(zhì)資料定量解釋該測(cè)點(diǎn)的地層物性結(jié)構(gòu)，建立正演地質(zhì)模型。然后用RES2DINV高密度電法反演軟件對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行反演擬合計(jì)算，得到二維反演圖，反演圖電阻率值以對(duì)數(shù)的形式標(biāo)示。

3 資料解譯與分析

通過(guò)分析比對(duì)已知采空區(qū)在物探剖面上的電性特征，已知采空區(qū)具有如下特征。

（1）基準(zhǔn)侵蝕面大部分高于巷道標(biāo)高，且區(qū)內(nèi)巖性主要為砂巖、泥巖及煤層，受已知采空區(qū)影響，巖體破碎，導(dǎo)致采空區(qū)周?chē)锏缹?dǎo)水性較好，大部分巷道充水，為低視電阻率特征，呈封閉低阻異常區(qū)，或者為凌亂的串珠狀低視電阻率異常區(qū)。

（2）充水采空區(qū)視電阻率普遍低于周?chē)鷩鷰r視電阻率，采空區(qū)的視電阻率大部分低于50Ω·m。

（3）采空區(qū)之上的地層塌陷后，其上部巖體松動(dòng)，地面沉降，形成落洞，或者形成張性裂縫。另外區(qū)內(nèi)某些斷層發(fā)育，在電性上反映為條帶狀低視電阻率異常。

3.1 采空塌陷區(qū)圈定

通過(guò)綜合物探工作，結(jié)合地質(zhì)和采礦工程資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，設(shè)定采空塌陷區(qū)劃分表（表3）。從圖3可以看出，調(diào)查區(qū)視電阻率總體西高東低，西部高阻區(qū)巖性以灰?guī)r為主，東部低阻區(qū)以砂巖、頁(yè)巖為主，是主要含碳地層。低阻區(qū)NNE向展布，主要分布在采井周邊，3號(hào)主井南部視電阻率最低，與地表塌陷區(qū)對(duì)應(yīng)。依據(jù)視電阻率分布特征和煤礦采礦相關(guān)資料分析，采空區(qū)位于各采井周?chē)曤娮杪食实妥杼卣鳎纬砷L(zhǎng)約1500m，寬約300m的條帶狀異常，走向約15°，與煤層走向一致，面積約217000m2。在蘭家官莊采井1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)井附近，建筑物墻壁大都可見(jiàn)1～5mm不等的裂縫，視電阻率值介于25～50Ω·m之間，推測(cè)為采空區(qū)，面積約82750m2；3號(hào)井西有一塌陷區(qū)的警示牌，視電阻率值小于25Ω·m，面積約17000m2，推測(cè)為塌陷區(qū)（圖2）。

3.2 采空塌陷區(qū)縱向解剖

當(dāng)?shù)V層被采動(dòng)后，短期內(nèi)形成一定規(guī)模的充氣空間且無(wú)填充，其電阻率較圍巖高；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，采空區(qū)上覆巖層在重力作用下發(fā)生塌陷變形，致使巖層破碎并出現(xiàn)裂縫，若無(wú)地下水經(jīng)裂隙向采空區(qū)匯集時(shí)，其電阻率較大，若地下水沿破碎巖層和裂縫向采空區(qū)匯集時(shí)，呈低電阻特征。根據(jù)研究區(qū)踏勘情況來(lái)看，區(qū)域內(nèi)煤礦閉坑時(shí)間久遠(yuǎn)，塌陷區(qū)均被水淹，因此，推斷采空塌陷區(qū)地下水匯聚，具低阻特征。

由圖3可以看出，在160～360點(diǎn)之間，縱向上存在一低阻異常帶，根據(jù)收集的地質(zhì)資料，該區(qū)域位于劉官莊3號(hào)主井附近，推測(cè)為煤層采空區(qū)所引起，其中160～200點(diǎn)、20m以淺，160～200點(diǎn)、埋深約100m，視電阻率值小于5Ω·m，推測(cè)為采空區(qū)塌陷充水所引起。

由圖4可以看出，在240～360點(diǎn)之間，縱向上存在一低阻異常帶，根據(jù)收集的地質(zhì)資料，該區(qū)域位于劉官莊4號(hào)風(fēng)井附近，推測(cè)為煤層采空區(qū)所引起，與視電阻率中間梯度法成果相吻合。其中320～360點(diǎn)、埋深40～45m，視電阻率值小于10Ω·m，推測(cè)為采空區(qū)充水所引起。

3.3 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)綜合物探測(cè)量成果，在 A—A′高密度電法剖面布設(shè)驗(yàn)證鉆孔，ZK05在深度-32.1m～-38.6m揭露塌陷區(qū)，ZK06在深度-62.5m處揭露煤層頂板，-68.2m～-71.5m為采空區(qū)（圖5）。隨后在綜合物探圈定的采空區(qū)和塌陷區(qū)布設(shè)12個(gè)鉆孔，其中3個(gè)鉆孔揭露塌陷區(qū)，塌陷區(qū)被松散圍巖充填且富水，8個(gè)鉆孔揭露煤層采空區(qū)，說(shuō)明綜合地球物理方法所推斷的煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)可信度較高。

4 結(jié)論

在具備開(kāi)展地球物理法前提的基礎(chǔ)上，選用合理的地球物理方法，能夠起到事倍功半的效果，通過(guò)本次工作，得出以下結(jié)論：

（1）利用視電阻率中間梯度法掃面是快速圈定低阻異常區(qū)，劃定煤系地層范圍，并推斷各巖性界線的有效手段。

（2）高密度電法具有提供數(shù)據(jù)量大、觀測(cè)精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)100m以淺煤層采空區(qū)縱向分辨率高，能夠很好的反映采空區(qū)形態(tài)及現(xiàn)狀等。

（3）通過(guò)綜合地球物理手段能夠圈定煤系地層范圍，查明采空區(qū)空間分布狀態(tài)、現(xiàn)狀、規(guī)模等特征。

（4）根據(jù)測(cè)區(qū)地球物理?xiàng)l件、采空區(qū)規(guī)模、埋深深度，結(jié)合原有資料，合理選擇物探方法，能夠提高工作效率，且有效的探明采空區(qū)及塌陷區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 呂寶平，劉海平，王經(jīng).膠東地區(qū)廢棄金礦采空區(qū)改造含水層方法探討：以文登市大時(shí)家廢棄銀金礦為例［J］.山東國(guó)土資源，2019，35（1）：84-88.

［2］ 彭超，張洪巖，王智強(qiáng).某大理巖礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與綜合 治理對(duì)策研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2020，29（2）：277-282.

［3］ 方磊，李春苗，裴宗平.煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9（增刊2）：2034-2046.

［4］ 趙彤，王雨辰，李根云，等.綜合物探方法在煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用：以濟(jì)南市鋼城區(qū)某項(xiàng)目為例［J］.山東國(guó)土資源，2022，38（3）：27-33.

［5］ 武欣，潘冬明，于景邨.煤礦采空區(qū)地球物理探測(cè)方法綜述［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2022，37（3）：1197-1206.

［6］ 王寧，李正，田光彩，等.物探方法在檢測(cè)采空區(qū)注漿充填效果中的應(yīng)用：以山東章丘某建設(shè)場(chǎng)地為例［J］.山東國(guó)土資源，2022，38（12）：42-47.

［7］ 羅霄，許智海，李正勝，等.多參數(shù)綜合物探方法在煤礦采空區(qū) 勘探中的應(yīng)用研究［J］.煤炭工程，2020，52（2）：32-37.

［8］ 薛國(guó)強(qiáng)，潘冬明，于景邨.煤礦采空區(qū)地球物理探測(cè)應(yīng)用綜述［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2018，33（5）：2187-2192.

［9］ 陳江軍，劉波，王鵬來(lái)，等.綜合物探方法在石膏礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2018，33（2）：783-796.

［10］ 周立國(guó).物探方法在青海哈得爾甘南地區(qū)尋找矽卡巖型鐵多金屬礦中的應(yīng)用效果［J］. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2017，32（5）：2176-2181.

［11］ 張光之，周立國(guó)，王延浩.綜合電法在內(nèi)蒙古查敖包銀鉛鋅礦區(qū)的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2015，30（2）：867-871.

［12］ 安仰生.激電中梯測(cè)量在瑙木渾溝口金礦勘查中的應(yīng)用［J］.山東國(guó)土資源，2019，35（11）：57-64.

［13］ 武志敬，朱文科，李兆令，等.基于高密度電法的巖溶勘查：以棗莊某工程為例［J］.山東國(guó)土資源，2022，38（3）：45-52.

［14］ 孫平，崔樂(lè)寧，周強(qiáng).高密度電阻率法在廢棄礦山滑坡災(zāi)害勘察中的應(yīng)用［J］.山東國(guó)土資源，2018，34（3）：60-64.

［15］ 孟慶魯，胡安順.高密度電法在棗莊某建設(shè)場(chǎng)采空區(qū)注漿效果檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.山東國(guó)土資源，2017，33（11）：62-65.

［16］ 楊宏智，姚敏，呂小紅.高密度電法反演軟件在鄒平章丘火山巖區(qū)銅礦勘查激電測(cè)深反演中的應(yīng)用［J］.山東國(guó)土資源，2016，32（8）：74-77.

［17］ 密士文，王翔，周厚俠.高密度電法在某公路路基下隱伏巖溶探測(cè)中的應(yīng)用［J］.山東國(guó)土資源，2015，31（1）：62-64.

［18］ 楊鏡明，魏周政，高曉偉.高密度電阻率法和瞬變電磁法在煤田采空區(qū)勘查及注漿檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2014，29（1）：362-369.

Application Effect of Comprehensive

Geophysical Method in Goaf of Coal Mine

ZHOU Liguo，GUO Benli

（No. 8 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources，Key Laboratory of Nonferrous Metal Exploration and Resource Evaluation of Shandong Provincial Exploration Bureau of Geology and? Mineral Resources，Rizhao Geology and Geography Big Data Research Institute，Rizhao Key Laboratory of Land Quality Assessment and Pollution Remediation，Shandong Rizhao 276826，China）

Abstract：In this paper， through analyzing the differences in electrical resistivity between goaf and surrounding rock in coal mines， by using comprehensive geophysical methods to detect goaf， using the apparent resistivity intermediate gradient method to delineate areas with low and high resistivity anomalies， and combining with geological data， coal strata have been delineated. By using high-density electrical methods， the vertical distribution characteristics of abnormal areas have been divided， and the distribution scale and deep occurrence form of the abnormal areas can be comprehensively determined. Based on mining data， the location， burial depth， and scale of the coal mine goaf can be inferred.? After drilling verification， the reliability of shallow coal mine goaf inferred by comprehensive geophysical methods is high. It can be promoted and applied in coal mine goaf.

Key words：Coal mine goaf；middle ladder method；high density electrical method； integrated geophysical method