综合物探在淮北覆盖区煤田采空区勘查中的应用

陈广涛

（1.安徽省地球物理地球化学勘查技术院；2.合肥工业大学资源与环境工程学院）

采空区地面塌陷是影响工程场地稳定性和工程建设适宜性的重要因素，为分析拟建场地下及附近采空区的分布情况和稳定性，保证建设项目的质量和安全，并给规划、设计、建设等部门提供依据，有必要通过物探和钻探等工程勘察手段查明6煤采空区特征［1］，通过物探解译和钻探报告进行场地稳定性和工程建设适宜性评价。

煤矿采空区地面物探工作是有效防范煤矿采空区灾害的基础，单一物探方法基于各自的局限性，难以满足对煤矿采空区灾害的精细探测［2］。因此本次工作采用了EH4和微动结合的综合物探工作方式。这2种物探方法在探测采空区分布位置、范围时，是相对便携、高效率、相对高分辨率的地面物探方法［3］。

1 勘查区域基本情况介绍

1.1 拟建场地质问题

拟建场地位于岱河煤矿井田范围内，受岱河煤矿开采的影响。岱河煤矿主采3、4、5煤层，采深分别为120～180、140～190、180～200 m。开采方法均为走向长壁法，顶板管理方法均为全部垮落法。拟建场地下方历史开采过6煤层一个工作面（图1），后岱河煤矿未开采6煤层，该工作面具体信息资料不详。若存在开采，开采面可能在2条黑色南北向巷道之间。

1.2 拟建场地区域地质背景

拟建场地区域含煤地层以二叠系下统的下石盒子组为主、山西组次之，石炭系太原组和二叠系的上石盒子组均有煤沉积，但煤层极薄，且不稳定，煤层不可采。石炭系中统本溪组不含煤，含煤地层总厚588.17 m，含煤地层上部全部被第四系所覆盖。现将地层由新至老简述见表1。

其中二叠系下统山西组（Plsh）连续沉积于太原组之上，为一组过渡相和陆相沉积地层，总厚度为78.67～150.47 m，平均为130.36 m。岩性以灰—深灰色泥岩、砂质泥岩、灰白色细砂岩—粗砂岩为主，夹有炭质泥岩和煤线。

上部以灰色或浅灰色冲积相的细—中粗粒砂岩为主，其次为砂质泥岩。中间夹黑色泥岩或灰色细砂岩。下部为6、7这2个煤组。6煤层顶板具河床相冲刷特征；6、7煤组之间主要由灰白色细—中粒砂岩及砂质泥岩组成。7煤组以下多为灰色砂质泥岩，见图2。

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图2地质剖面方位角为80°，在剖面中可见地层成向斜构造，本次勘查的拟建场地大致位于该地质剖面的西端部位。从而有个大概的推断，若场地下的6煤层存在开采，开采面会比较浅，可能在100 m

2 物探工作及成果分析

2.1 测点布置及工作思路

本次物探勘查微动因场地原因采用直线型台阵布置，采用5道检波器，检波器主频2 Hz，道间距20 m，以中心点作为微动数据采集点，数据采集点以10 m×12 m的网格均匀分布（图3），采样时间30 min，采样频率250 Hz［4］。

再根据微动勘查的成果，选取了东西向的3条进行了EH4方法验证勘查，分别是3号点、5号点和7号点组成的测线，测点采用“十”字型方式布极，点距10 m，采样频率为1～10 000 Hz，极距为40 m，采集时数据叠加次数为8次［5-6］。

2.2 数据处理

本项目所采用的微动数据采集系统主要由拾震器、数据采集器2部分组成。使用重庆地质仪器厂生产的CDJ-S2C-2型三分量拾震器和自主研发的MicroGS微动数据采集器。数据处理分为预处理、提取频散曲线和计算速度结构，最终用视S波速度深度剖面图描述处理结果。所使用的处理软件为自主编制了高分辨率频率—波数法处理软件Micro-SWP，能够实现同步时间信号截取、面波频散曲线提取、v—H速度结构计算（v为视S波速度，m/s；H为视深度，m）、绘制视S波速度—深度剖面图等功能［8-9］。

本项目中EH4数据采用系统自带IMAGEM软件进行处理。目前，国内许多使用EH4电磁勘探系统的用户，对后期资料大都使用EH4系统自带的基于博斯蒂克（BOSTIK）反演方法的IMAGEM软件进行处理，处理后数据表现为ρ—H（ρ为视电阻率，Ω·m；H为视深度，m），并在此基础上进行地质解释。IMAGEM软件具有计算速度快、操作简洁、工作现场给出反演结果的优点，其反演结果能直观揭示地下的电性结构特征，不会因为局部测点数据不好影响整个反演结果［10-13］。

2.3 微动剖面解译分析

根据图4可以看到，L3线是在采煤巷道西侧，L3剖面视S波速度—深度剖面相对5、6、7这3条剖面速度结构较为完整，推断采空区没有向西开采。5、6、7剖面主要分布在2个南北向的采煤巷道之间，3条剖面在埋深100 m左右的位置均出现大面积的低速异常，推断为煤6的主要采煤面。

在图5东西向的剖面中能看到100～120 m处存在低速异常，在7#点组成的剖面中尤为明显，推断为煤6的采空面。3#点、7#点的低速异常均向西延伸到2#点，范围超出收集资料中采煤巷道位置。

2.4 EH4剖面解译分析

在图6中3条剖面中的埋深100 m位置均能看到一个明显电阻率分界线，在5#～8#点的下方都有一个横向展布的高阻存在，推断为6煤采空区的空腔的反应，这些异常的位置与采煤巷道吻合很好。煤图6与图5对比，EH4的细节部分较少，微动的分辨率较高。但高分辨率的微动资料在本次勘查中解释起来较为困难，因为采空区及采空区垮落法开采形成的破碎区域均为低速反应。而EH4受分辨率限制，仅仅识别出了6煤的采煤面。

结合EH4、微动的成果图，推断拟建场地下埋深100 m处存在采空区，采煤工作面控制在2条采煤巷道之间。

2.5 微动平面解译分析

根据微动数据绘制了埋深100 m平面的速度结构（图7），选择这个深度面的理由是微动的低速异常区和EH4的异常区均在这个深度。在拟建场地的采煤巷道东侧推断了2处采煤工作面，在L7-6#点进行了钻探验证。钻探显示埋深95 m处出现岩石破碎，103 m掉钻，100～120 m深为采空区。

验证结果与图4中L7线基本吻合。钻孔验证情况见图8。

3 结 论

微动抗干扰能力强，适用于城市建设中；对异常敏感，探测效果好；且探测深度范围大，对浅部和深部信息均可识别。但分布式采集相对来说比较费时费力。

传统的EH4音频大地电磁轻便灵活、场地适应性好、采集时间短，效率高；能够识别出中、浅层煤矿的采空面。

将微动、EH4合理综合应用可以达到经济高效、探测深度范围大、探测效果的应用效果。