瞬變電磁法在遺留采空區的勘查效果

陸一鋒 周 庭 郝柏園

（1.江蘇中煤地質工程研究院有限公司，江蘇 常州 213000；2.常州市自然資源和規劃局鐘樓分局，江蘇 常州 213000）

采空區是指地下礦產被開采后的空洞及其圍巖變形失穩而產生位移、開裂、破碎垮落、直至上覆巖土層整體彎曲、下沉所引起的地表變形和破壞的地區或范圍[1]。采空區會直接引發建筑物開裂、地面沉降、塌陷、滑坡等地質災害，會對既有建筑帶來不同程度的安全隱患，對人民群眾的生命財產安全構成了較大的威脅，嚴重影響區域內經濟的可持續發展和社會穩定[2]。隨著常州市城市化發展越來越快，對土地的需求也不斷擴大，一些涉及煤礦采空區的土地也將會被開發和利用。而這些土地在開發利用之前，采空區的探測、穩定性評價及后期治理都是土地建設開發所需要面對并解決的問題。

卜弋煤礦位于江蘇省常州市鐘樓區鄒區鎮，為20 世紀末遺留下來的老煤礦，在礦區下部形成了范圍比較大的采空區。采空區的存在不僅嚴重威脅附近周邊居民的生命財產安全，也直接對該地區的土地開發利用和城市建設帶來不利的影響。因此急需找到一種勘探方法，來精準、快速地探明卜弋煤礦歷史遺留采空區的空間分布區域和埋藏深度。

地球物理勘探是利用地下介質的物性差異和變化來探測地層巖性、地質構造等地質條件。探測采空區的地球物理勘探方法主要有人工地震法、電磁法以及電阻率法等[3-6]。卜弋煤礦的采空區形狀不規則，埋藏深度大，現有資料較少，要準確地探測出采空區的分布范圍具有一定的難度。通過分析勘探區的構造特征、水文特征及地球物理特征，認為煤礦采空區在充水后，其電阻率與圍巖相比呈低阻特征，因此本次勘查選擇了對低阻異常比較敏感的瞬變電磁法作為主要手段來對卜弋煤礦采空區進行探測。

1 項目概況

1.1 地形地貌

卜弋煤礦位于長江三角洲沖積平原，地形平坦，海拔高程低，地面標高+2.27～+7.00 m。測區內河流縱橫、河塘密布，水系比較發育，周邊還有多個村莊分布。

1.2 地層巖性特征

卜弋煤礦為全掩蓋區，第四系沖積層厚達110～158 m。下部基巖由老至新分別為：二疊系上統龍潭組，主要由細砂巖、粉砂巖及泥巖組成；三疊系中下統青龍群，主要由灰巖組成；白堊系上統浦口組，巖性為紫紅色礫巖；白堊系上統赤山組，巖性為紅色中細砂巖；第三系始新統阜寧組，巖性為灰綠色泥質粉砂巖夾淺灰色鈣質泥巖。

可采煤層主要賦存在二疊系上統龍潭組，采空區也主要分布在這層。煤層開采厚度在0.1～2.5 m之間，平均1.30 m，傾角15°～20°。

1.3 構造

蘇南煤田位于揚子準地臺的下揚子-錢塘褶皺的東北部，而卜弋煤礦則處在溧陽-江陰隆起中部的次級短軸背斜上。卜弋煤礦總體構造形態為一斜歪背斜，傾伏方向為NE 向。該背斜位于走向北東向的卜弋橋逆斷層和走向北北東的竹巷村正斷層之間，并受到后期北西西向新華村右旋平移正斷層的切割破壞[7]。卜弋煤礦的主要部分為該斜歪背斜的東南翼，地層總體走向為NNE 向，地層傾角較平緩。

1.4 水文特征

卜弋煤礦為一向北東傾伏的背斜構造，煤層頂板生物灰巖屬弱巖溶裂隙承壓水層，其上為厚層泥質粉砂巖、頁巖等隔水層與上覆青龍灰巖、白堊系礫巖等含水層所隔離，礦井涌水量較小，水文地質條件較簡單。但是由于井田煤系遭受二次剝蝕，在井田北翼由于外力剝蝕了煤系，縮短了煤層與上覆含水層間距，使之小于防水煤柱高度，甚至部分煤層被剝蝕，直至上2煤頂板，使上述區域成為煤層富水區。上覆含水層水可以通過不整合的剝蝕面滲入煤層，造成煤面透水事故的發生。水文地質條件由簡單轉為中等。

礦井主要水害為礫巖含水層，結合礦井涌水量補給條件、古地貌形態、井田構造及煤層賦存穩定性等因素綜合分析，礦井水文地質條件應屬為簡單-中等類型，屬巖溶充水礦床。

1.5 地球物理特征

卜弋煤礦地層巖性以泥巖、砂巖及煤層為主，地層呈層狀分布。在煤層未開采的情況下，電性特征在水平方向上的變化是比較均一的，在垂直方向上的變化應與地層變化相一致。但煤層開采后，煤層頂板塌陷會形成三帶，破壞了橫向上地層的均一性[8]。且由于測區內水資源比較豐富，開采年代比較久遠，地下水沿著裂隙在采空區逐漸富集，使該采空區附近區域電阻率明顯降低，與圍巖產生明顯的電性差異。因此，勘查區擁有進行瞬變電磁勘查的電性條件。

1.6 煤礦開采歷史

卜弋煤礦于1969 年9 月27 日開始建井，先施工主、副斜井，因第四系流砂層層數多、厚度大，施工技術工藝存在問題，斜井難以過流砂，后改為立井開拓，于1976 年10 月26 日建成投產。開拓方式為副井在-300 m水平，軌道下山在-450 m水平，風井在-150 m 水平再由分段斜井延至-450 m 水平，采用走向長壁式采煤方法。

礦井建成投產后，開采上1 煤層，首采水平-150～-300 m。1982 年1 月，第一生產水平（-300 m 水平）開采結束，生產原煤26 萬t。根據卜弋井田1992 年6 月2 日礦井、采區回收率調查表為80%，礦井水平回采率為77.71%。截至1994 年未，全礦采出原煤86.6 萬t，開采-450 m 第二生產水平。1995 年礦井停采關閉。目前，井口已經關閉密實，斜井位置已改為廠房用地，立井位置已經改為駕校，地面已無井口殘留跡象。

2 地球物理勘查

2.1 工作裝置

瞬變電磁法的剖面法工作裝置有許多種，但根據本次工作的目標任務、地表地物條件、卜弋煤礦地層特征、地球物理特性和以往類似工程經驗，本次瞬變電磁勘查選擇重疊回線裝置進行電性數據觀測采集的工作。它是采用小線框，在不存在一次場源干擾的情況下，在脈沖間隙進行電磁場變化的觀測。

2.2 試驗工作

在進行數據采集之前，先進行瞬變電磁法參數試驗，來選取一個既能達到勘探目的、又能壓制干擾的施工參數進行數據采集。本次工作進行了多次不同發射電流和不同發射線框的試驗（圖1）。當供電電流為300 A 的時候，衰減曲線尾支出現了干擾跳變，而供電電流500 A 和700 A 衰減曲線壓制干擾逐漸增強，發射電流越大，裝置的抗干擾能力越強。發射框為1.5 m×1.5 m 的衰減曲線互感強烈，發射框為3 m×3 m 的衰減曲線能有效壓制干擾，互感較小。最后選擇供電電流為700 A、選擇發射框為3 m×3 m 來進行瞬變電磁數據采集。

圖1 試驗結果對比圖

2.3 瞬變電磁勘查工作

2.3.1 工程部署

兩組患者治療后6h、24h、48h、72h的血乳酸水平,顯著下降,且與對照組患者的血乳酸水平相比,治療組患者明顯更優(P<0.05)。詳見表1。

勘查區屬構造相對復雜、煤層不穩定的類型，為了有效控制采空區的空間形態分布規律，本次采用勘查網布置系統控制采空區。卜弋煤礦的構造走向為NNE 向，因此布設物探測線時，選擇與構造走向近似垂直的E-W 向。根據地形和地質條件，本次勘查測網網度設置用80 m×40 m，即線距為80 m，點距為40 m；線號編排采用L1、L2、L3 等遞增，點號編排采用1000、1040、1080 等距離遞增，如L1-1200 表示線號L1、點號1200。物探點覆蓋整個采空區的可能分布范圍。

2.3.2 數據采集

瞬變電磁野外數據采集施工嚴格按照《煤炭電法勘探規范》《地面磁性源瞬變電磁法技術規程》和設計方案要求進行。施工過程中，特別是受地形地物等條件的影響時，采取了適當偏移等措施進行定位，以確保線框的擺放精度符合“規程”要求，對移動的測點和發射回線的擺動情況做詳細記錄；對于無法布設測點地段，采取了將該處測點偏移、加密至附近異常區，保證資料完整性。此次瞬變電磁野外數據采集共施工完成19 條勘探線、492 個物理點。施工物理點位置如圖2。

圖2 瞬變電磁物探點布置圖

2.3.3 資料處理

1）數據預處理

在進行數據采集時，實時檢測磁場的變化，實時觀察衰減曲線的畸變，保證迭代的相對誤差小于5%。對穿過居民聚集區的區段，要根據現場的電磁干擾情況，及時調整發射電流的大小，改變迭代的次數，以便獲得高質量的原始采集數據。在數據資料處理過程中，對那些明顯不符合實際（隨機電磁干擾引起）的觀測數據挑選出來刪除，對由高壓線、鐵器等物體引起的電磁干擾，應結合現場班報的記錄情況，對受干擾的觀測數據采用平滑、濾波等處理手段，從而確保野外采集的原始數據符合現場真實的地質情況。

2）數據反演處理

3）數據成圖

將反演輸出的測線數據文件進行編輯，加入各測點高程，然后使用surfer 軟件繪制各測線視電阻率斷面圖。

4）平面圖制作

根據已有的各煤層底板等高線圖將各煤層繪制到TEM 視電阻率斷面圖上，相應的圈定測線上采空區的范圍，然后在平面圖上繪制全區的采空區分布范圍圖。

2.4 資料解譯

2.4.1 斷面圖解譯

在視電阻率斷面圖上，如果地下煤層沒有被采空且地層沒有被導水斷裂構造切割的情況下，視電阻率變化應該與實際地層相對應，在橫向、垂向上的變化具有一定的規律，表現為在縱向上視電阻率等值線均勻連續變化，在橫向上視電阻率值比較穩定，等值線近似呈水平狀形態，變化比較平緩，無較大的褶曲躍變。如果地下煤層被采空，由于勘查區地理位置位于長江三角洲平原區，地下水比較豐富，因此在采空區范圍將形成一個低阻異常區。勘查區還分布有多條導水斷裂構造，也會形成低阻異常區。綜上，采空區和導水斷裂這兩個因素將造成視電阻率數值出現低阻異常，等值線發生扭曲、變形或呈密集條帶狀等。以下對L8 線、 L13 線資料解釋進行闡述（圖3）。

圖3 L8 線、L13 線視電阻率斷面圖

L8 線位于勘查區的中部偏南，剖面長1080 m。在樁號1550左右，視電阻率等值線梯度變化比較大，往大號方向視電阻率值變低，視電阻率等值線呈現低阻閉合圈，形成低阻異常，推斷該處為采空區的電性反應；往小號方向，視電阻率值變高，等值線的變化也比較平緩，推斷為正常地層的電性反應；由此推斷樁號1550 為小號端采空區邊界。在樁號2440 左右，視電阻率等值線梯度變化較大，往小號方向視電阻率值變低，視電阻率等值線呈向下彎曲，形成低阻異常，推斷該處為采空區的電性反應；往大號方向，視電阻率值變高，等值線變化也趨向平緩，推斷為正常地層的電性反應；由此推斷樁號2430 為大號端采空區邊界。在樁號1900、2100 位置附近，各有一個視電阻率等值線變化梯度帶，根據收集的地質資料推斷為斷層的電性反應。

L13 線位于勘查區的中部偏北，剖面長1080 m。在樁號1600左右，視電阻率等值線梯度變化比較大，往大號方向視電阻率值變低，視電阻率等值線呈現低阻閉合圈，形成低阻異常，推斷該處為采空區的電性反應；往小號方向，視電阻率值變高，等值線的變化也比較平緩，推斷為正常地層的電性反應；由此推斷樁號1600 為小號端采空區邊界。在樁號2430 左右，視電阻率等值線梯度變化較大，往小號方向視電阻率值變低，視電阻率等值線呈現低阻閉合圈，形成低阻異常，推斷該處為采空區的電性反應；由此推斷樁號2430 為大號端采空區邊界。在樁號1750、1800 附近，各有一個視電阻率等值線變化梯度帶，呈低阻異常，根據收集的地質資料推斷為導水斷層的電性反應，樁號1750 位置的斷層為游塘廟正斷層。在樁號2000、2200 附近，各有一個小的視電阻率等值線梯度變化，視電阻率值較低，推測是小斷層的電性反應。

2.4.2 成果平面圖解釋

通過對全區19 條視電阻率斷面圖進行綜合分析、研究、對比，劃定了煤層采空區的范圍（圖4）。

圖4 采空區范圍推斷成果圖

該煤層采空區位于勘查區中部，由測線L3～L17控制，控制程度較高，南北兩頭小、中間大，形狀不規則，面積約為0.84 km2，涉及游唐廟、湖北村、段莊等多個村莊，省道239 也有1000 m 左右的長度在采空區范圍內。采空區埋深在150～450 m 之間。在勘查區內局部斷層比較發育，視電阻率較高，推測斷層附近的小部分煤層可能未采。

從現有的已知資料及本次物探成果來看，受采空區影響，地層穩定性遭到破壞，塌陷變形導致裂隙發育，采空區存在一定的富水。

3 結論

1）將瞬變電磁法用于常州市老煤礦遺留采空區的采空塌陷地質災害調查是可行的。在進行現場踏勘、資料收集和參數試驗的基礎上，瞬變電磁對遺留采空區的低阻異常具有較明顯的反應，可以對采空區范圍進行快速準確的圈定，節省了大量的時間和勘探費用。

2）卜弋煤礦遺留采空區的面積約為0.84 km2，埋深在150～450 m 之間，采空區內地層的視電阻率值偏低，說明地層受采空區影響，穩定性遭到破壞，塌陷變形導致裂隙發育，地下水匯集，采空區內存在一定的富水。

3）物探解譯一般具有多解性，在后續的土地利用開發和采空區治理階段，還需要配合其他勘探手段（如鉆探）來進行詳細勘查和互相驗證，提高采空區分布范圍的精度。