综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用

王强，田野，刘欢，朱春光，白超琨，郝森

(中国地质调查局 廊坊自然资源综合调查中心，河北 廊坊 065000)

0 引言

煤矿经过地下开采工作后，会留下大面积空洞，形成采空区，其上覆岩层主要靠矿柱等支护设施维持应力平衡[1]，当某些矿柱实际强度低于设计承载能力或因长期处于地下水浸泡，在泥化、软化或受复采爆破震动等因素影响下，就会遭到破坏，进而改变采空区顶板的稳定平衡状态，此时会引起采空区上覆岩层发生形变，使形变区向周围蔓延，最终导致地面出现裂缝、沉降、塌陷等。

辽阳市下辖灯塔市铧子镇—西大窑一带就处于这种地质现状下[2]。20世纪后期该矿区煤炭资源就已濒于枯竭，主要是私营矿企在残采区复采，以巷道采掘为主，向两边无规律开挖支巷道，多呈网格状，上下多层重叠交错，采宽范围较窄，高、宽一般为2～3 m，甚至更小，大多不支撑或临时支撑。由于开采深度较浅，地表变形剧烈，大多形成塌陷坑和地裂缝，给居民生命财产安全和生态环境造成极大的破坏[3]。因此，准确地查明矿区内采空区的位置和深度，有助于为地质灾害的预防和治理提供可靠的依据。

目前，国内探测和评价采空区的主要物探方法一般包括电磁法、高密度电法、浅层地震法等，近年来也有部分同行探索了重力、微重力法在采空区调查的效果[4-7]。但是小窑一般的开采方式为以掘代采，采空区面积较小，尤其在人文活动、电磁干扰、地形地质条件复杂的地区，很难准确勘查[8]。本次研究区位于村庄及周围，存在诸多不利因素，综合考虑选择了重力法、高密度电法、浅层地震法等物探手段，并通过布设钻探进行了验证。

1 工作区地质特征

工作区茨山村北距铧子镇约3 km，南距西大窑镇约2 km，交通方便。区内地势东高西低，地貌类型东部为铧子岭剥蚀构造低丘，走向南北为单斜山，最高点海拔136 m，西部为剥蚀堆积山前倾斜平原，地势平坦，微向西倾斜，海拔标高约60～80 m，由坡洪积粉质黏土和亚黏土组成。区内出露的地层主要为古生界石炭系太原组，二叠系山西组、下石盒子组和新生界第四系。

岩性由老到新分别为：石炭系太原组(C3t)岩性主要为砂岩、页岩、炭质页岩夹层。岩层产状为走向NE20°，倾角NW约275°。含煤9层，地层总厚87 m。二叠系山西组(P1s)呈整合覆于石炭系太原组之上，岩性为石英砂岩、细粒石英砂岩，岩层总厚104 m，上部为含煤段，主要为灰黑色石英砂岩、黑色炭质页岩。据原灯塔市煤矿勘探资料，在区内该组岩层中含煤5～6层。下石盒子组(P1x)整合覆于山西组地层之上，主要岩性为砂岩与页岩、粉砂岩互层，风化强烈破碎，区内厚度25 m左右。第四系大面积分布于勘查区的西部、东部山前平原。主要岩性为坡洪积粉质黏土和黏质砂土，粉质含量较高，含零星小砾石、碎石。据前人钻探揭露，东部山前厚6～11 m，西部厚20 m左右。

构造方面，工作区处于辽东山地与平原的结合部，区域构造体系属辽阳莲花状构造的次一级构造铧子沟向斜的西翼。岩层向西缓倾，地表因被松散层覆盖断裂构造不清。

2 煤层采空区的地球物理特征

煤层被开采后会形成“三带”，即冒落带、裂隙扩展带、弯曲变形带[8]。当应力平衡被打破后，上覆岩层会向下发生错动形变，形成裂隙发育区域的裂隙扩展带。采空区的冒落带和裂隙带根据富水程度、垮塌程度等会形成多种不同的地球物理特征。

2.1 密度特征

采空区上覆岩层发生变形破坏，裂隙带会有地下水沿裂隙、空洞渗漏汇集，冒落带会有松散物质填充，致使采空区岩土体密实程度、含水程度产生差异，形成不同的地球物理特性：基底为完整稳定基岩，岩体密实；采空区为松散堆积物，导水性强。原始地层物性发生改变，与围岩相比形成质量亏损[6-7]，满足重力勘探所需的密度差异。

2.2 电性特征

煤层开采后形成的“三带”破坏了原始地层在横向上电阻率均匀分布的特性[8]，当裂隙带上的大量空洞和裂隙区域不充水时，相对围岩一般表现为高电阻率的特征，若地下水沿裂隙汇集并赋存，则采空区及其上覆松散裂隙带在地电断面上会呈现低阻特征。根据这种较大的电性差异进行电阻率法工作，符合存在明显电性差异的地球物理勘探前提。

2.3 波阻抗特征

含煤地层在开采前，煤层顶板的波速和密度与围岩之间具有较大的差异，能够形成一个良好的波阻抗界面，产生较为明显的反射波，可用于追踪识别煤层反射面，为地震勘探提供了良好的前提条件。当煤层开采后的采空区发生塌陷，原有的波阻抗界面会发生明显的畸变和破坏[1]，地震时间剖面表现为反射波同相轴的弯曲、中断或缺失。因此反射波组的紊乱或畸变，可以作为识别采空区的主要依据。

3 方法应用与成果解释

本次采空区工作部署思路为：由大比例尺重力测量确定采空区的边界范围，由高密度电阻率法及浅层地震反射波法对异常的深度、规模进行更细致的划分，由钻探对发现的异常进行验证。

3.1 重力测量

在研究区内首次选用高精度重力测量法进行采空区探测，从茨山村、芦屯到东南侧山腰布置重力测线21条，线距50 m，点距10 m，走向NW。重力测量仪器采用加拿大Scintrex公司制造的CG-5全自动陆地重力仪，该重力仪测量过程中对读数自动进行漂移改正、倾斜改正、地震滤波、温度补偿等，仪器分辨率为1 μGal。根据收集资料显示，工作区3煤厚度为0.10～2.34 m，顶板埋深100 m左右，密度差约0.3～2 g/cm3，据此建立长方体模型，经正演计算得出其引起的重力异常在仪器测量的精度范围内。实际测量完成后由布格、地形、正常场改正值经过总精度公式[6]计算后，得到本次工作布格重力异常总精度为0.008×10-5m/s2。

由布格重力异常(图2)可见，区内重力区域背景场形态总体表现为重力梯级带反映，布格重力异常特征表现为北西高南东低的分布特征，布格重力异常值范围为(-51～-48)×10-5m/s2。根据地质情况分析整体地层的产状向东倾。引起正值异常的原因可能为重力异常反映深部综合的信息，而浅部采空区引起的异常并未在整体异常图中产生明显的指示。

为能够从布格重力异常中凸显地下采空区所产生的异常，对布格重力异常进行了场分离处理来求取剩余重力异常。国内外学者已经提出趋势分析法、滤波法、窗口法、高次导数法、解析延拓法等诸多场分离方法，不同的方法处理效果略有差异，在实际应用中，需对比选取最适合的方法进行处理。经初步处理对比后，本文最终选择窗口滑动平均法进行处理，采用的小窗半径为100 m×100 m，大窗半径为300 m×300 m，求取的剩余重力异常结果如图3所示。经过处理后的剩余重力等值线图，异常形态发生改变，推断的低密度异常区位置与已发现的地表沉陷区相符，沉陷区皆出现在负异常带中，说明处理方法获得的结果是可信的。

图3 工作区剩余重力异常Fig.3 Residual gravity anomaly map of working area

3.2 高密度电法

根据工况条件，从村庄到山腰共布设了高密度电法剖面11条，点距12 m，其中NW向剖面8条，NE向剖面3条。仪器采用美国AGI公司制造的SuperSting R8高密度电法仪，80道分布式电缆和不锈钢电极。

图4为高密度电法L3线视电阻率反演断面，地表下13 m以内皆为低阻，视电阻率<20 Ω·m，推断为地表粉土、粉质黏土层。根据反演断面图显示，L3线存在3处低阻异常，在剩余重力异常图上为低密度体反映，符合采空区异常特征，推测为采空区引起。Ⅰ号异常区位于测线435～540 m、深度37～74 m之间，视电阻率值约为39～69 Ω·m左右；Ⅱ号异常位于测线645～765 m、深度32～97 m之间，视电阻率值约为32～105 Ω·m左右；Ⅲ号异常位于测线1 000～1 070 m、深度26～60 m之间，视电阻率值约为10～42 Ω·m左右，该异常未封闭，还有向下延伸的趋势。Ⅰ号异常区和Ⅱ号异常区上方都有较薄的高阻层覆盖，结合工作区的地层、物性及钻孔情况分析，推测为原岩性为泥岩、细砂岩及粉砂岩由于下部煤层采空，部分地层发生沉降，导致的电性反映不均匀。

图4 高密度电法L3线视电阻率反演断面Fig.4 High density resistivity inversion section of line 3

为验证异常在L3线720 m处布置钻孔，钻孔施工中发生两次掉钻，约为2 m，进一步证实了采空区的存在。但高密度电法剖面图显示的低阻异常区深度范围比采空区要大，推测是由于采空区上方冒落带和裂隙带充水，因矿化度较高，其电阻率整体呈低阻反映。因此采空区深度应根据钻孔进一步校正。

3.3 浅层地震反射波法

在茨山村中部及东侧农田布设浅层地震剖面3条，其中NE向2条，NW向1条，测线主体部分基本与重力测量和高密度电法工区重合。浅层地震仪器采用美国GEOMETRICS公司制造的Strata Visor NZXP专业型高精度地震仪。使用落锤式震源，落锤自重50 kg，离地高度1 m，采用单边激发单边接收的6次覆盖观测系统，48道接收，偏移距0 m，道间距3 m，采样间隔500 μs，记录长度1 000 ms。

地震剖面中，同一反射界面的反射波组应具有强振幅特性和同相轴的连续性，而采空区内的反射波组会出现同相轴断裂、缺失或振幅明显减弱等异常特征[9]。图5为NE向的DZ03线水平叠加时间剖面，对剖面反射波组进行追踪可得到60～100 ms和110～150 ms范围内的两组振幅较强且连续的反射波(T1、T2波组)，再往下一定范围仍有几组反射波，但同相轴连续性较差。T1波组在测线215～290 m和380～470 m之间，T2波组在70～100 m、160～190 m、215～290 m和380～470 m之间分别出现同相轴错断、缺失或振幅减弱等情况，符合采空区异常特征，推断这几段空白区域为采空区引起异常(图5)。

图5 浅层地震DZ03线水平叠加时间剖面Fig.5 Shallow seismic time profile of line DZ03

钻孔JCZK2001揭露围岩岩性为粉砂岩、泥岩，煤层波速约为1 300～1 600 m/s，参照钻孔处的采空区两侧的T1、T2波组双程旅行时，估算采空区T1、T2埋深约为42 m和104 m。

4 钻探验证

为进一步验证以上推断的准确性，在分析收集煤矿资料和物探工作成果后，于重力测量1150线、高密度电法L3线和浅层地震DZ03线交叉位置，布置JCZK2001监测钻孔。在钻探施工过程中，钻进至39.0～40.6 m处突然严重漏水，孔口水位突然消失(浅层煤采空区)，掉钻1.60 m；钻进至103.1～105.1 m深度突然严重漏水，孔口水位突然消失(深部煤采空区)，掉钻2.00 m。围岩可见部分泥岩煤状光泽，其中47.50 m处和61.20 m处发现完整木块。钻孔验证结果与物探推断结果基本吻合。

5 结论

1) 煤矿采空区具有多种地球物理异常特征，针对不同的地球物理特征，建议选择多种物探方法对采空区进行综合探测，来减少单一方法局限性带来的影响，提高异常解释的准确度。

2) 初步探索了煤矿采空区探测的地球物理方法组合。可首先利用大比例尺重力测量对采空区分布范围进行识别，利用高密度电法对采空区充水情况和大致深度范围进行判断，利用浅层地震对采空区位置、深度规模进行估算。

3) 物探方法解释出的采空区范围和深度，建议通过在异常位置布设钻孔进行验证。