瞬變電磁法在煤礦采空區勘察中的應用

謝孔金,謝一鳴,鐘 欣,賴美丹,張照祥,王海洋

(1.山東高速巖土工程有限公司,山東 濟南 250098;2.昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093;3.山東魯勘集團有限公司,山東 濟南 250118;4.山東魯建土木工程有限公司,山東 濟南 250022)

0 引言

隨著我國城市建設的快速發展,土地資源愈發稀缺,不適宜建筑的采空區場地經處理后也被開發為建設用地,采空區的地基穩定性與工程建設的安全隱患存在緊密聯系。所以,采空區場地在工程施工建設前應查明場地地基穩定性和作為工程場地的適宜性[1]。由于地下開采的煤礦采空區一般埋藏深度大,勘察時鉆探工作量大、費用高、工期長,且難以全面地反應擬建場地采空區分布狀況[2],可在搜集煤礦開采資料的基礎上進行多次物探工作。瞬變電磁法具有體積效應小、分層能力強、異常響應形態簡單等諸多優點,在國內外采空區場地的勘察中得到了廣泛的應用[3-8]。

1 工區地質簡況

工區位于濟南市章丘區濟東煤田的南部邊緣,本區屬魯中南隆起區,區域構造發育,以北西向斷裂為主,斷裂在第四紀時期均有一定程度的活動,詳見圖1。

圖1 區域地質構造圖

根據搜集的勘察資料,該區地貌單元屬山前沖洪積平原,采空區深度范圍內的地層自上而下主要有:

(1)第四系粘土和礫石層,一般厚度0～22.40 m;

(2)二疊紀石盒子組砂巖、泥巖,一般厚度175 m左右;

(3)二疊紀山西組泥巖、砂巖,含薄煤層(組)4層(1、2、3、4),一般厚度90 m左右;

(4)石炭—二疊紀太原組砂巖、粘土巖、粉砂巖、泥巖及石灰巖,含薄煤8～10層,一般厚度162 m左右;

(5)石炭紀本溪組泥巖、石灰巖,有時夾薄煤層,一般厚度50 m左右。

2 瞬變電磁法成果

2.1 地球物理特征

場地內地層電性的顯著差異是瞬變電磁法的工作基礎,依據這種電性異常特征可以圈定采空區[9]。具體來說,頂板以上巖石地層的平均電阻率值相比煤層明顯較低,底板以下巖層電阻率最高,充水的斷層破碎帶電阻率明顯低于巖層,充水的采空區也表現為較低的電阻率值,不充水的采空區表現為相對較高的電阻率,采空區上方冒落帶巖層破碎和出現大量的空隙和裂隙,表現為視電阻率等值線的波動,當采空區的空隙被水或泥所充填后,表現為電阻率明顯低于周圍完整巖石,即低阻特征。除了垂直分量的異常特征之外,水平分量異常特征的研究對于瞬變電磁法的勘察應用也十分重要[10]。

2.2 儀器選擇及參數

根據場地的地形及探測深度的要求,結合地層巖性特征,選用澳大利亞產的TerraTEM瞬變電磁儀,儀器性能技術參數見表1。

表1 主要技術參數

2.3 采空區識別原則

物探工作的主要任務是查明工作區采空區分布范圍,故采空區異常是解釋的主要目標,采空區特征的反演可以用多種方式進行[11]。根據物探測量數據,結合場地地層巖性、水文地質及煤礦開采等因素,確定采空區主要識別原則如下:

(1)對未開采礦體,地層一般呈層狀,視電阻率曲線表現為平緩的曲線,表現出電性比較穩定。

(2)礦體采出后,地層不連續,視電阻率曲線波動,表現出明顯的局部高阻或低阻的特征。

(3)礦體賦存位置的電性異常推測為采空區。

2.4 成果解疑

根據場地地形地貌情況,結合搜集到的地質資料,本次勘探工作共布置瞬變電磁測線19條,剖面方向0°,點距10 m,線距20 m,坐標點978個,試驗點22個,檢測點60個,合計物理點1 160個。選擇有代表性的11#和13#剖面線物探成果進行解疑。

2.4.1 S11線成果

該線布設于探測區中部,測線方位0°,測點編號由南向北逐漸增大,測線長度500 m。瞬變電磁勘探S11線視電阻率斷面圖見圖2。

圖2 瞬變電磁勘探S11線視電阻率斷面圖

從圖2可以看出,該剖面電阻率值在橫向上波動幅度較大,表現為高低阻相間變化特征,縱向上整體表現為由淺至深視電阻率逐漸增大的電性特征。橫向上在剖面40～220 m范圍視電阻率值不連續,縱向上在深度50～70 m范圍內,整體視電阻率值相對較小,結合井田地質及地球物理特征,推斷該處低阻電性異常是采空區頂板塌落、周圍巖體裂隙發育充水的表現;橫向上在剖面360～430 m范圍視電阻率值不連續,縱向上在深度50～70 m范圍內,整體視電阻率值相對較小,結合井田地質、地球物理特征及工作區搜集資料可知,該區域附近有斷層發育,推斷該處低阻異常是斷層周圍巖石較破碎、完整性差和巖層斷裂破碎充水的表現。

2.4.2 S13線成果

該線布設于探測區中部,測線方位0°,測點編號由南向北逐漸增大,測線長度500 m。瞬變電磁勘探S13線視電阻率斷面圖見圖3。

圖3 瞬變電磁勘探S13線視電阻率斷面圖

從圖3可以看出,該剖面電阻率值在橫向上波動較大,呈現高低阻相間變化特征,縱向上整體表現為由淺至深視電阻率逐漸增大的電性特征。橫向上在剖面80～175 m范圍視電阻率值不連續,縱向上在深度30～60 m范圍內,整體視電阻率值相對較小,結合井田地質及地球物理特征,推斷該處低阻異常是煤層局部采空后頂板塌落、周圍巖體裂隙發育充水的表現。

3 鉆探驗證

根據瞬變電磁法解譯成果,結合區域地質資料,推測探測區范圍內存在采空區,結合有關規范要求,在推測采空區分布區布置鉆探驗證孔,其中ZK2位于S13剖面、ZK4位于S11剖面。兩個鉆探驗證孔情況分述如下。

3.1 ZK2鉆孔

鉆孔深度89.09 m,位于S13剖面線的150 m處,自上而下揭露了第四系土層、二疊紀山西組泥巖和石盒子組砂巖、石炭—二疊紀太原組泥灰巖。根據鉆探記錄判斷采空區位于30.0～30.80 m處,鉆探巖芯破碎且局部無巖芯,可見少量煤碎塊。鉆進過程中進尺快且出現不返水現象,鉆探揭露采空區的深度與瞬變電磁法推測的采空區深度30～60 m基本是一致的。鉆孔終孔靜止水位在77.1 m。結合搜集的地質資料,推斷為7煤采空區。ZK2鉆孔巖芯見圖4。

圖4 ZK2巖芯揭露采空區位置

3.2 ZK4鉆孔

鉆孔深度89.46 m,位于11#剖面線100 m處,自上而下揭露了第四系土層、二疊紀山西組泥巖和石盒子組砂巖、石炭—二疊紀太原組泥灰巖。根據鉆探記錄判斷采空區位于60.0～61.0 m處,鉆探巖芯破碎且局部無巖芯,見少量煤碎塊,該位置鉆進過程中出現進尺快的現象,鉆探揭露采空區的深度與瞬變電磁法解疑的采空區深度50～70 m是一致的。鉆孔終孔靜止水位在77.2 m。結合搜集的地質資料,推斷為7煤采空區。ZK4鉆孔巖芯見圖5。

物探推測結果與鉆探驗證揭露采空區對比情況如表2,可以得出如下結論:鉆孔揭露的煤礦采空區位置與物探推測結果基本吻合。鉆探揭露采空區深度較瞬變電磁法成果偏淺,推斷與鉆孔的位置和采空區冒落帶的分布有關。

4 結語

(1)地下開采煤礦采空區一般埋深較大,采用鉆探手段工作量大且成本較高,用物探方法可節省造價節約工期。

(2)工程實例證明,采用瞬變電磁法進行采空區勘察是可行的,經鉆探驗證結果是可靠的。

(3)由于物探方法具有多解性,解疑時要綜合考慮地質特征和電性差異等因素。