综合物探在南水北调禹州采空区探测中的应用

邵根安，曹泰瑞，杨亚茹

(河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008)

0 引言

南水北调中线一期工程总干渠禹州矿区段线路位于禹州市西南，初步设计阶段有绕山线和隧洞线两种比选方案，两条线路相邻近，起始点和终点均相同，绕山线线路全长11.52 km，隧洞方案线路全长6.95 km，其中隧洞段全长3.65 km。无论是隧洞方案还是绕山明渠方案都无法避开禹州矿区的采空区，是南水北调中线一期工程直接穿过的唯一一段采空区。绕线采空区分布长度3.11 km，采空区层数多为一层(可采煤层厚度约1m)，多为20世纪90年代以后小煤矿开采形成，2002年以后多数已停产，采空区深度多为100～269 m，隧洞线沿线采空区长度2.05 km，多集中在三峰山一带，采空区层数3～4层(下煤组厚2～3 m)，开采历史长，有大、小煤矿形成的采空区，又有小煤窑、古窑形成的采空区，开采水平、采空程度、回采率大小各异。为满足方案论证、线路比选及工程建设的需要，需要进一步查清线路沿线采空区的详细分布情况。

地球物理勘探方法具有效率高、无损及成本低的优点，已成为煤矿采空区探测的主要手段。不同的物探方法有各自的优势和缺点，单一的物探方法在复杂地质和开采条件下往往不能取得较好的应用效果，需要综合运用多种物探技术进行探测，实现优势互补。文章通过综合运用瞬变电磁法和地震勘探法，对复杂地质条件下煤矿采空区探测进行有益尝试，取得较好的应用效果。

1 采空区基本地质条件

1.1 地形地貌

采空区主要地貌单元为低山丘陵，地形上表现为西高东低，展布方向为东西向，区内三峰山为单斜山，自东向西沿地层走向延展，由丘陵上部耐剥蚀性强的平顶山砂岩构成。

1.2 地层岩性

2 采空区地球物理特征

表1给出了本区物探测井实测电阻率，纵、横波波速统计值，可以看出粘土岩、泥岩等软岩与砂岩、石英砂岩、石英砂岩夹泥岩、泥岩夹石英砂岩之间存在电阻率、纵横波波速差别。

表1 禹州煤矿采空区物性参数表

2.1 地震地质条件

从以往禹州市各煤矿开采的情况来看，各主要煤层的开采情况如下：二1煤厚度约2～7 m，埋藏深度约300 m，局部采空。六4、六2煤厚度约1 m，埋藏深度约200 m，局部采空。研究区内各个煤层的埋藏深度不大、规模(厚度、延伸等)适中，与周围岩体存在明显的波阻抗差异界面，这是地震反射波法工作的物理基础，当地震波传播到煤层和围岩分界面时，将产生强烈的连续反射信号；而对于煤层采空区，往往被空气或水所填充，地震波在空气或水中的传播速度明显低于在煤层中的传播速度(V气=340m·s-1,V水=1 400m·s-1,V煤=2 000m·s-1,V气、V水和V煤分别表示地震波在空气、水河煤层中的传播速度)，因此，地震反射波在三种介质中传播时将产生相位延迟，连续同相轴中发生波形畸变的地方为煤层采空区的响应特征。

2.2 电性特征

根据沉积学规律可知，正常煤层的电阻率具有连续性、均匀性和层理性，而且煤层的电阻率值往往远低于周围岩体的电阻率值，因此，正常煤层和围岩之间存在明显的电性差异界面，在电阻率剖面图上表现为水平、连续的色带特征。当煤层中出现采空区时，将打破原始煤层电性特征的均匀性和连续性，在电阻率剖面图上表现为局部的相对高阻异常或相对低阻异常，为瞬变电磁法进行煤层采空区探测提供了电性基础。

瞬变电磁法是根据异常体的二次感应场信号特征进行工作的，对于高阻异常体，二次感应场信号弱且衰减快；对于低阻异常体，二次感应场信号强且衰减慢，因此，瞬变电磁法对于低阻的煤层采空区具有更好的探测效果。

3 探测成果分析

3.1 隧洞段成果分析

在隧洞线SD2+247～SD4+047处：即测线D4、D5、D6处，D4线上采空区范围较大，六4煤在测线小号处(SD2+380～2+800桩号间)采空，采空区在地震时间剖面上表现为地震波频率变低，在测线上长度约300 m；五2煤采空范围很大，在整个测线上断续分布，采空区在地震时间剖面上的响应特征表现为波频率变低、相位转换以及波形错断，但是在所分析的采空区内断续有T5波反射轴出现，认为是保护煤柱所形成，整个五2煤采空区在测线上长度约700 m，主要在SD2+560～SD2+680、SD3+050～SD3+800处；由于上组煤被采空，及地表地震地质条件极差，下组煤反射波较弱，二1煤采空区解释的可靠性相对降低，其范围位于测线中部的SD3+490～SD3+900之间，在测线上长约400m。D4线上采空区分布范围的地震解释见图1，D5、D6测线与D4线类似。

图1 隧洞段D4线地震解释图

该段的采空区在视电阻率反演断面图(图2)中表现为低阻异常，分析为采空后充水的反映。测线小号处(300～620桩号间)六4煤的采空区，反映很明显，在高程0米以下有一视电阻率值小于28 Ωm的低阻值区，与上部的低阻层上下贯通，分析为六4煤的采空所致；在680～720和820～900桩号间，在高程-50米以下有一视电阻率值小于28 Ωm的低阻值区，与上部的低阻层未贯通，分析与地震解释的760～1 020桩号间的五2煤采空区所对应；在1 120～1 140、1 200～1 240和1 300～1 320桩号间，在高程-180米以下有一视电阻率值小于32 Ωm的低阻值区，其上部有阻值大于35 Ωm的高阻值区，分析与地震解释的1 100～1 400桩号间的二1煤采空区所对应。

图2 隧洞段D5线视电阻率反演图

3.2 绕山线成果分析

在绕山线处：即测线D7、D8、D9处，D7线上：六4煤对应的T6波在时间剖面上大面积波形不连续、无明显的煤层沉积形态、在该段时间剖面上还可看出反射波频率变低，故认为该段采空区面积较大，反映在地质剖面上为620～1 330(SH75+700～SH76+400)采空，长度约700 m。根据已知地质资料及本次勘探所获时间剖面来看，五2煤在绕山线处缺失(见图3)。D8、D9线与D7线相似。该段的采空区在视电阻率反演断面图(图4)中表现为低阻异常较为明显。在380～620和720～820桩号之间，在高程-50米以下有一视电阻率值小于32Ωm的低阻值区，异常反映不明显，与上部的低阻层上下贯通，分析为六4煤的采空区所致，其中720～820段与地震解释的六4煤的采空区一致，而380～620段地震未解释的六4煤的采空区，其可靠性较差；在12 200～1 320桩号间，在高程-50米以下有一视电阻率值小于20 Ωm的低阻值区，异常反映明显，与上部的低阻层贯通，分析为六4煤的采空区所致，与地震解释的六4煤的采空区一致。

图3 绕山段D7线地震解释图

图4绕山段D7线视电阻率反演图

4 结论

一是，隧洞线(Ⅰ段)处：采空区极少，仅在测线中部，五2煤缺失。隧洞线(Ⅱ段)处：采空区范围较大，在测线小号处六4煤采空，采空范围表现在测线上长度约300 m；五2煤采空区在整个测线上断续分布，表现在测线上长度约700 m；由于上组煤被采空，及地表地质条件极差，下组煤反射波较弱，初步解释二1煤采空区范围在测线上长约400 m，位于测线中部。

二是，绕山线(Ⅲ段)处：六4煤采空区面积较大，反映在测线上为测线中部大部分采空，长约700 m；二1煤采空区范围较小，仅在测线小号及测线中部部分采空，在测线上的采空长度约280 m；根据已知地质资料及本次勘探所获时间剖面来看，五2煤在绕山线处缺失。

三是，瞬变电磁和浅层地震综合方法在本次煤矿采空区探测中取得了较好的应用效果，验证了综合物探方法进行采空区探测的有效性，为工程方案比选、后期施工建设及保障工程安全提供了强有力的技术支持，也为类似工程技术问题的解决提供了经验积累。