综合物探在小窑采空区勘查中的应用研究

赵兴辉

（山西省煤炭地质物探测绘院有限公司，山西 晋中 030600）

对于埋藏深度较浅的煤层，由于私挖乱采，形成大量无序的“鸡窝”式小窑采空区和采空积水区，不仅容易引起地质灾害，而且对下组煤层的采掘造成极大的安全隐患。

小窑采空区埋藏深度通常小于100 m，浅层地震容易受多次波的影响，且施工成本较大，因此应用较少；测氡法只具备横向分辨能力，无法解释异常的深度分布，且活性炭测氡法受地表裂隙影响较大，因此并非采空区地球物理勘查的最佳选择。电法勘探以地下介质的电性差异为基础，针对含水采空区的低电阻差异和不含水采空区的高电阻差异开展地球物理勘查，兼顾异常的横向和纵向空间分布。高密度电法勘探通过分析人工建立的电流场的分布特征判别地下介质中的电阻异常体，传导类电法分辨率高，体积效应小，对异常体尤其是高阻体（不含水采空区）的刻画精度较高，但是容易受地形影响引起假异常。瞬变电磁法通过建立和观测电磁场在地下介质中的传播规律判别地下介质中的电磁性异常体，感应类电法勘探对低阻体反应极为灵敏，适宜探测含水采空区及地层中的含水体，但是感应类电法对高阻体的探测精度不高，且具有一定的体积效应[1-2]。两种方法联合使用，综合解释，既可以减小地形、体积效应的影响，又能够兼顾高阻采空区和和低阻采空区的探测，提高解释精度[3]。

1 小窑采空区地球物理特征

煤层因开采而形成采空区后，破坏了原有的应力平衡状态，引起上部地层发生形变，根据形变程度的不同，通常在垂向上由下至上可划分为垮落带、断裂带和弯曲带（见图1）。

图1 采空区上覆地层“三带”示意

采空区是否形成完整的“三带”，以及三带的规模，不仅与采空区大小、煤层深度、上覆岩层岩性、地质年代、地表地物有关，还与开采方式、开采年代、水文气象、地震等因素有关。通常小窑采空区由于埋藏较浅，受地表雨水冲刷、地表生产活动的影响，采空区发生塌陷，在地表形成导水裂隙，引导并在采区中聚集地表水，形成含水采空区或含水垮落带，相较未开采的原状地层表现为低电阻异常。根据以往工作经验，小窑开采过程中，为方便运输，开采者往往采取上山开采的方式进行井田开拓，经过支护的运输巷道不仅不会发生垮塌，巷道中的水会通过下山方向的井口流出，因此这部分空腔相较原状原状地层表现为高电阻异常。

2 应用地球物理方法选择

小窑采空区与围岩相比，具有密度、电性、速度、放射性等物性异常，然而由于小窑采空区埋藏深度较浅，采空区规模较小，因此并不适用三维地震、高精度重力等地球物理勘探方法。基于地质目标与围岩的电性差异，采用电法类地球物理勘探方法是解决小窑采空区勘查的重要思路[4]。

2.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法属于时间域电磁感应方法，在地面布设一回线，且给回线发送脉冲方波电流，并建立一次人工电磁场，在断电间隙，地下不同典型特征的介质会产生不同电磁感应形成二次电磁场，通过接收和分析二次电磁场，研究地下介质电性特征。瞬变电磁法具有体积效应小，异常响应形态简单，探测深度大，具有较强穿透高阻地层的能力，对地下介质中的中低阻地质异常体最为灵敏，因此是煤田物探勘查工作中“采空积水区”的最佳选择。感应类电磁法由于电磁波能够快速穿透高阻层，但容易被低阻层阻碍，因此，相较低阻层的灵敏[5]，感应类电法勘探对高阻体的勘探精度总是略逊于对低阻体的勘探精度，因此对于不含水采空区，瞬变电磁法的勘探精度有限。

2.2 高密度电法

高密度电测深法通过建立人工直流电场，利用地下半空间地质体传导电流的分布规律，以地下介质导电性差异为探测基础的物探方法，研究地下介质电性分布的一种传导类直流电法[6]。高密度电法作为传导类直流电法，虽然勘探深度有限，但是由于直接在地下介质中建立电场，因此对低阻体和高阻体具备均等的勘探精度，且体积效应较小，对于中浅部异常体的刻画精度较感应类电法更佳[7]。

3 勘探区地质概况与测线布置

勘探区位于太岳山区，地表为中低山侵蚀地貌，大小沟谷多呈南北纵横，山高沟深，地形复杂。区内的煤系地层有石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。主采煤层为二叠系下统山西组2#、石炭系上统太原组9+10#、11#煤层。其中2#煤层埋深约100 m，平均煤厚0.6 m，存在大量小窑采空区，是本次勘探研究的主要目的层位。上覆含水层包括第四系砂砾层裂隙潜水含水层和石盒子组K10、K9、K8 砂岩含水层，勘查区2#煤层上覆含水地层分布图见图2。

图2 勘查区2#煤层上覆含水地层分布

现场调查发现多处小窑采空分布，于2002 年至2007 年开采，开拓方式为斜井，高1.4～1.6 m，宽2 m，洞体无支护，坍塌严重，地表可见小窑坑口，地表及窑口有变形坍塌现象，且充水。

本次勘查工作拟采用瞬变电磁法和高密度直流电法对勘查区内浅层小窑采空区进行联合勘探、综合分析解释。根据地层及主要构造走向，大部为南北向，故本次电法测线布设方向为东西向。瞬变电磁法采用网度为40 m×20 m，即线距为40 m，点距为20 m；高密度电法采用网度为120 m×10 m，即线距为120 m，点距为10 m，即每隔3 条。测线布置图见图3。

图3 勘查区测线布置与已知采空区分布

瞬变电磁法施工选用仪器为：美国ZONGE 公司GDP-32II 多功能电法仪；选用施工参数为：发射线框240 m×240 m，发射频率16 Hz，采样延时240 μs，发射电流12 A，叠加次数128 次；高密度电阻率法采用仪器为：E60DN 型电法工作站；选用施工参数为：电极总数103；层位最大32 层，内部供电，供电时间T=8 s，温纳装置。

4 勘查成果分析

将采集到的瞬变电磁和高密度直流电法进行数据整理、处理和成图，得到了两种方法各自的视电阻率断面图（见图4 和图5）。

图4 勘查区L240 线和L480 线瞬变电磁视电阻率断面图

图4 为勘查区L240 线和L480 线两条测线的瞬变电磁视电阻率断面图，视电阻率在纵向上呈现由低向高的A 型地电断面特征。图4（a）在横向上沿煤层线在300 点～580 点视电阻率曲线上拱，发生弯曲变形，视电阻率为58～60 Ω·m，根据已知地质资料该段为2004 年后形成采空区，在580 点～700 点处，视电阻率曲线发生明显下凹，视电阻率值小于30 Ω·m，结合煤层倾向，和已知采掘资料，暂推断为采空积水区。图4（b）沿纵向视电阻率由低向高变化，横向沿煤层线视电阻率变化较大，在300 点～700 点范围内，视电阻率曲线上拱，且有部分电阻率大于80 Ω·m 的不均匀的块状异常，推断为采空区，经与已知采掘信息对比该异常为2003 年和2006 年后形成的采空区。

图5 为勘查区L240 线和L480线两条测线的高密度电法反演视电阻率断面图，图5（a）中，沿煤层线在300 ～540 m 范围内呈明显高电阻异常特征，与瞬变电磁该区段内的视电阻率曲线上拱对应良好，为不含水采空区的典型电性异常特征；在540～700 m 范围内，视电阻率呈明显低阻反应，亦与瞬变电磁在该段解释的采空积水区有较好的吻合度。图5（b）中沿煤层线在300～820 点段视电阻率呈明显高于背景场的高阻反应，与该线瞬变电磁法视电阻率曲线上拱特征有较好的对应，但高密度电法视电阻率高阻异常较瞬变电磁法视电阻率异常更为直观和明显。

图5 勘查区L240 线和L480 线高密度电法视电阻率断面图

5 钻探验证

兼并重组的矿井受历史小窑开采的影响和原有地质信息人为修改严重等影响，地质信息往往并不完全准确，为验证本次物探成果，确定采空区内的含水性，在L480 线600 点以南约11 m 处进行了钻探验证，施工的ZK102 孔，地面标高1 284.23 m，钻进至30 m(标高约1 254 m)进入裂隙带，至32 m(标高1 251.35 m)位置掉钻0.8 m，未见积水，与L480 线推断的采空区异常吻合。

通过钻探的验证，证实两种物探方法在对小窑采空区的探测中效果较好。

6 结论

（1） 基于小窑采空区的电性特征，采用电法勘探，利用电法勘探视电阻率地电特征，可以对小窑采空区及采空积水区开展解释分析。总体而言，采空区呈现视电阻率高阻异常，采空积水区呈现视电阻率低阻异常。

（2） 考虑到瞬变电磁法建立的感应电磁场对高阻异常反应并不十分敏感，在采空区附近仅呈现电阻率曲线上拱等弱高阻异常特征，并不容易识别，而高密度电法建立的传导电流场对采空区则反应较为灵敏，视电阻率呈现的高阻异常十分明显，易于识别和解释；但对于含水采空区，瞬变电磁法则具有较明显的低阻异常特征，因此对于复杂的小窑采空区，多方法综合物探手段更易于异常的识别和勘探精度的提升。

（3） 经过现场调查、资料收集及试验工作，确定合适的物探施工参数，再辅以钻探验证，可以对面积较小的小窑采空区进行准确勘探。