综合物探方法在煤矿采空区勘察中的应用——以济南市钢城区某项目为例

赵彤，王雨辰，李根云，解磊，于超

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250109；3.山东省国土空间生态修复中心，山东 济南 250014)

0 引言

我国是世界最大的煤炭生产国及消费国，煤炭在我国经济社会发展中一直处于重要战略地位[1]。随着煤炭的大量开采，形成了数量庞大的煤矿采空区，在此区域内，围岩存在失稳的可能性，导致地面发生沉降开裂破坏，从而造成地面人员伤亡和财产损失，对安全生产构成严重威胁[2-5]。据统计，目前我国因采煤造成的开采沉陷约1亿m2[6]，作为一种外生地质灾害，目前已成为工程地质、环境工程中重要的研究对象[7]。以往的工程建设中，对于采空区多采取避让办法，但随着我国城镇化进程加快，基础设施建设密度增大，建设用地与耕地保护矛盾日益突出，需要对采空区进行工程地质调查及稳定性和适宜性分析，以确定采空区域是否可以用于工程建设。济南市钢城区矿产资源开采具有悠久的历史，新中国成立前后私采乱挖现象严重，废弃矿井数量较多，地下存在规模不等、分布范围不明的采空区，工程地质环境复杂(1)山东省第一地质矿产勘查院，济南市钢城区某项目综合地球物理勘察工作报告，2020年11月。，这不仅威胁当地人民生命和财产安全，同时又制约了该地区经济社会的可持续发展[8-9]。因此，探明采空区位置、深度及范围，及时采取措施进行治理、消除安全隐患，对工程建设具有重要意义[10]。利用钻探方法为主进行采空区勘察具有直观的优点，但投入工作量大、效率低。而物探方法具有快速、无损探测等优势而得到广泛推广[11]。利用多种成熟的物探方法进行采空区勘察不仅可以克服单一物探方法本身的缺陷，相比新型物探技术具有更好的可靠性、经济性和适宜性，可以在实际生产活动中广泛应用[12-15]。

1 地质背景

1.1 区域地质概况

研究区属华北板块(Ⅰ)、鲁西地块(Ⅱ)、鲁中隆块(Ⅲ)，涉及新甫山凸起-泰安凹陷-鲁山凸起(Ⅳ)等四级构造单元。本区断裂构造极其发育，主要有铜冶店-孙祖断裂、兴隆山-高峪铺断裂、清泥沟断裂，各断裂距离研究区2～4km。

研究区内地层倾向NE(22°～36°)，倾角19°～24°，地层由老到新分布马家沟群八陡组石灰岩段灰岩、白云岩及生物碎屑灰岩，石炭-二叠纪月门沟群本溪组砂质泥岩、太原组中细粒砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩，第四纪沂河组粉细砂、粉质黏土等。

1.2 研究区煤层开采情况及现状

研究区位于原黄庄煤矿采空区范围内，揭露的煤层有7煤、8煤、9煤、9-1煤、13煤、14煤、15煤、17煤、18煤、19煤、19-1煤、19-2煤、20煤、20-1煤及20-2煤共15层煤，其中可采煤层分别为7煤层、8煤层、18煤层、19煤层，主要开采煤层为18煤、19煤，煤层走向NW，倾向E，煤层厚度1.0～1.6m。矿石特征为肥煤、天然焦。

研究区南部开采较早，开采时间为1980—1990年，开采深度75～200m，顶板埋深厚度80～200m，煤厚1.0～1.5m。北部开采时间稍晚，开采时间为1987—1994年，开采深度100～150m，顶板埋深120～170m，煤厚约0.9～1.55m。1994年黄庄煤矿关停，之后未再进行开采活动。

根据调查走访结果，自1958年以来，研究区及周边地区进行了多次煤矿综合普查、水文地质调查、区域地质调查、环境监测评价、采煤塌陷研究等工作，查明了浅部煤系、煤层延伸、赋存的情况，详细论述了水文地质、工程地质、环境地质条件，基本摸清了煤矿采空区的分布范围(图1)。

1—建筑红线(勘察范围)；2—河流；3—建筑物轮廓线；4—采空区及巷道图1 黄庄煤矿采煤区域图

研究区东部北侧现状为原黄庄煤矿家属居住区，南侧现状为钢城区丈八邱村散落的民房、树林，中部现状为丈八邱村民居住区，西部为某林业公司大院。原黄庄煤矿废弃井口及巷道、矸石山挡土墙、北部建于2011—2013年的沿街四层商铺、采空区建设于2000年后的民房，均未发现开裂现象；采空区内建于2000年前的房屋，部分房屋出现了裂缝，且不再发展。研究区内未发生过地面塌陷、地裂缝，未发生过大规模的地面沉降及建筑变形。

1.3 研究区水文地质条件

野外勘察期间仅测得松散岩类孔隙水的埋深，稳定水位埋深为2.60～4.30m，平均3.06m，相应水位标高为266.09～266.72m，平均266.43m。

2 物探方法选择及工作布置

2.1 物探方法选择

瞬变电磁法以围岩与采空区之间存在电阻率差异为基础，利用采空区电阻率异常在电阻率等值线上的起伏变化，确定采空区分布[16-17]。根据搜集的资料，研究区内黏土、泥岩、砂岩、灰岩、煤层及采空区之间视电阻率值(表1)具有明显差异，具备开展瞬变电磁勘探的条件。

表1 地层的视电阻率参数表

浅层反射波法地震勘探是利用人工激发的弹性波在地壳内传播，当遇到地层界面或构造界面，会对地震波产生反射作用[18]，利用采空区域因地震波强烈的吸收和散射产生的异常反应，来判断采空区分布[19]。勘察区范围内地层主要由第四系沉积岩、石炭—二叠纪砂泥岩、粉砂岩、页岩以及马家沟群八陡组灰岩组成，各地层之间存在明显的密度差异，而区内主采煤层与围岩的波阻抗差异较大，易形成良好的反射界面，这些特性为浅层反射波法地震勘探方法提供了有利的物理前提和应用条件。

微动勘探技术是利用微动信号提取面波的频散曲线，通过反演获取速度结构信息的勘探方法[20]。利用天然场微动信号，不受电磁干扰，不对环境产生影响，具有简便、快捷、对环境无特殊要求的特点[21]。本次研究的场地位于市区，周围存在着较多干扰因素，利用微动勘探技术具有较大优势。

综上所述，本次研究采用瞬变电磁法、浅层反射波法地震勘探和微动勘探3种方法相结合的综合物探方法，对研究区内采空区的分布位置、深度进行研究。

2.2 工作布置及质量

前期收集资料及地面调查结果显示，研究区采空区主要分布于中部及东北部，岩层走向为NE向，倾角16°～23°，结合规范要求[22-23]对物探工作进行布置。共布置浅层地震勘探测线14条，瞬变电磁勘探测线9条，微动物探测线6条，质量均满足规范技术要求(表2)。

表2 研究工作量及质检统计表

3 资料解译与分析

浅层反射地震勘探结果显示，当地层连续时，地层反射具有较强的反射能量，当反射波同相轴数量发生变化，出现不连续、空白信号及信号凌乱现象时，可推断为异常区域(表3)。通过对14条地震测线解译，结合前期收集的资料，推断物探异常区域主要位于研究区的中部和东北部，中部为断裂，东北部为煤矿采空区，层数1～2层，深度88.8～169.7m。代表性地震测线综合解译剖面图(图2)。

表3 物探剖面异常统计表

图2 地震测线综合解译剖面图(D5)

瞬变电磁勘探结果显示，当地层连续平稳时，断面电阻率值整体表现一定的规律性，当部分区段出现明显电阻率异常时，可推断为异常区。通过对9条地震测线解译，结合前期收集的资料，物探异常区域主要位于研究区东北部、中部和东南部，推断中部异常区由断裂造成，东南部异常区由断裂或干扰造成，东北部异常区为煤矿采空区，层数1层，深度80.0～170.0m。代表性瞬变电磁剖面电阻率等值线断面图(图3)。

图3 瞬变电磁剖面电阻率等值线断面图(S7)

微动勘探结果显示，当地层连续平稳时，剪切波速度由浅部至深部大致呈递增趋势，表现层状特征，当出现明显低速异常时，可推断为异常区，然后再根据异常区形态特征进一步判断异常类型。通过对6条微动测线解译，结合前期收集的资料，物探异常区域主要位于研究区西部及中部，推断西部异常区由断裂造成，中部异常区由溶洞造成。代表性微动测线剪切波速等值线剖面图(图4)。

图4 微动测线剪切波速等值线剖面图(W4)

经过对3种方法所得结果的解译，29条物探剖面共有32处表现异常(表3)。

结合区域地质资料及黄庄煤矿采煤区域显示的采空区范围，综合推断解译断裂构造3条，编号F1、F2和F3，圈定平面异常区2处，编号Y1和Y2。其中Y1位于研究区中部，整体走向近EW，长约300m，最宽处约60m；Y2位于研究区东北部，椭球状，整体走向近EW，长约320m，最宽处约120m。采空区埋深约70～150m，且呈现由西南到东北逐渐增大的特点。

4 采空区钻探验证

根据物探异常情况，在研究区内共布置钻探验证孔39个，均布置在物探异常区域和建筑物轮廓线范围内(图5)，全孔取芯，孔深107.00～211.00m。经验证，共有29个钻孔在钻探过程中出现漏水、卡钻、跳钻及掉钻等现象，通过钻孔电视验证及钻探异常地层上下顶板岩性判断，钻孔内存在空洞，属于采空区范围。

1—瞬变电磁勘探测线点；2—浅层地震勘探测线点；3—微动勘探测线点；4—浅层地震勘探推断断裂位置；5—瞬变电磁勘探推断断裂位置；6—微动勘探推断断裂位置；7—浅层地震勘探推断异常；8—瞬变电磁勘探推断异常；9—微动勘探推断异常；10—浅层地震勘探推断采空区；11—瞬变电磁勘探推断采空区；12—微动勘探推断采空区；13—推断断层及编号；14—研究区范围图5 物探剖面布置及解译平面图

5 结论

(1)采用以物探手段为主、钻探手段为辅的技术方法进行煤矿采空区勘察，不仅避免了大规模钻探施工对研究区地表及地下的破坏扰动，而且节约了工作成本和时间，提高了工作效率。

(2)通过前期资料搜集和现场调查，根据研究区实际情况选择了瞬变电磁法、浅层反射波法地震勘探和微动勘探3种物探手段，确定了研究区内采空区主要分布于中部和东北部，近椭圆状，埋深70～150m。

(3)利用综合物探方法克服了采用单一物探手段因干扰因素多、地层结构复杂等造成精度和符合性低的不足，经钻探验证，圈定的采空区基本符合实际情况，探测结果可靠性高。