瞬变电磁法在遗留采空区的勘查效果

陆一锋 周 庭 郝柏园

（1.江苏中煤地质工程研究院有限公司，江苏 常州 213000；2.常州市自然资源和规划局钟楼分局，江苏 常州 213000）

采空区是指地下矿产被开采后的空洞及其围岩变形失稳而产生位移、开裂、破碎垮落、直至上覆岩土层整体弯曲、下沉所引起的地表变形和破坏的地区或范围[1]。采空区会直接引发建筑物开裂、地面沉降、塌陷、滑坡等地质灾害，会对既有建筑带来不同程度的安全隐患，对人民群众的生命财产安全构成了较大的威胁，严重影响区域内经济的可持续发展和社会稳定[2]。随着常州市城市化发展越来越快，对土地的需求也不断扩大，一些涉及煤矿采空区的土地也将会被开发和利用。而这些土地在开发利用之前，采空区的探测、稳定性评价及后期治理都是土地建设开发所需要面对并解决的问题。

卜弋煤矿位于江苏省常州市钟楼区邹区镇，为20 世纪末遗留下来的老煤矿，在矿区下部形成了范围比较大的采空区。采空区的存在不仅严重威胁附近周边居民的生命财产安全，也直接对该地区的土地开发利用和城市建设带来不利的影响。因此急需找到一种勘探方法，来精准、快速地探明卜弋煤矿历史遗留采空区的空间分布区域和埋藏深度。

地球物理勘探是利用地下介质的物性差异和变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件。探测采空区的地球物理勘探方法主要有人工地震法、电磁法以及电阻率法等[3-6]。卜弋煤矿的采空区形状不规则，埋藏深度大，现有资料较少，要准确地探测出采空区的分布范围具有一定的难度。通过分析勘探区的构造特征、水文特征及地球物理特征，认为煤矿采空区在充水后，其电阻率与围岩相比呈低阻特征，因此本次勘查选择了对低阻异常比较敏感的瞬变电磁法作为主要手段来对卜弋煤矿采空区进行探测。

1 项目概况

1.1 地形地貌

卜弋煤矿位于长江三角洲冲积平原，地形平坦，海拔高程低，地面标高+2.27～+7.00 m。测区内河流纵横、河塘密布，水系比较发育，周边还有多个村庄分布。

1.2 地层岩性特征

卜弋煤矿为全掩盖区，第四系冲积层厚达110～158 m。下部基岩由老至新分别为：二叠系上统龙潭组，主要由细砂岩、粉砂岩及泥岩组成；三叠系中下统青龙群，主要由灰岩组成；白垩系上统浦口组，岩性为紫红色砾岩；白垩系上统赤山组，岩性为红色中细砂岩；第三系始新统阜宁组，岩性为灰绿色泥质粉砂岩夹浅灰色钙质泥岩。

可采煤层主要赋存在二叠系上统龙潭组，采空区也主要分布在这层。煤层开采厚度在0.1～2.5 m之间，平均1.30 m，倾角15°～20°。

1.3 构造

苏南煤田位于扬子准地台的下扬子-钱塘褶皱的东北部，而卜弋煤矿则处在溧阳-江阴隆起中部的次级短轴背斜上。卜弋煤矿总体构造形态为一斜歪背斜，倾伏方向为NE 向。该背斜位于走向北东向的卜弋桥逆断层和走向北北东的竹巷村正断层之间，并受到后期北西西向新华村右旋平移正断层的切割破坏[7]。卜弋煤矿的主要部分为该斜歪背斜的东南翼，地层总体走向为NNE 向，地层倾角较平缓。

1.4 水文特征

卜弋煤矿为一向北东倾伏的背斜构造，煤层顶板生物灰岩属弱岩溶裂隙承压水层，其上为厚层泥质粉砂岩、页岩等隔水层与上覆青龙灰岩、白垩系砾岩等含水层所隔离，矿井涌水量较小，水文地质条件较简单。但是由于井田煤系遭受二次剥蚀，在井田北翼由于外力剥蚀了煤系，缩短了煤层与上覆含水层间距，使之小于防水煤柱高度，甚至部分煤层被剥蚀，直至上2煤顶板，使上述区域成为煤层富水区。上覆含水层水可以通过不整合的剥蚀面渗入煤层，造成煤面透水事故的发生。水文地质条件由简单转为中等。

矿井主要水害为砾岩含水层，结合矿井涌水量补给条件、古地貌形态、井田构造及煤层赋存稳定性等因素综合分析，矿井水文地质条件应属为简单-中等类型，属岩溶充水矿床。

1.5 地球物理特征

卜弋煤矿地层岩性以泥岩、砂岩及煤层为主，地层呈层状分布。在煤层未开采的情况下，电性特征在水平方向上的变化是比较均一的，在垂直方向上的变化应与地层变化相一致。但煤层开采后，煤层顶板塌陷会形成三带，破坏了横向上地层的均一性[8]。且由于测区内水资源比较丰富，开采年代比较久远，地下水沿着裂隙在采空区逐渐富集，使该采空区附近区域电阻率明显降低，与围岩产生明显的电性差异。因此，勘查区拥有进行瞬变电磁勘查的电性条件。

1.6 煤矿开采历史

卜弋煤矿于1969 年9 月27 日开始建井，先施工主、副斜井，因第四系流砂层层数多、厚度大，施工技术工艺存在问题，斜井难以过流砂，后改为立井开拓，于1976 年10 月26 日建成投产。开拓方式为副井在-300 m水平，轨道下山在-450 m水平，风井在-150 m 水平再由分段斜井延至-450 m 水平，采用走向长壁式采煤方法。

矿井建成投产后，开采上1 煤层，首采水平-150～-300 m。1982 年1 月，第一生产水平（-300 m 水平）开采结束，生产原煤26 万t。根据卜弋井田1992 年6 月2 日矿井、采区回收率调查表为80%，矿井水平回采率为77.71%。截至1994 年未，全矿采出原煤86.6 万t，开采-450 m 第二生产水平。1995 年矿井停采关闭。目前，井口已经关闭密实，斜井位置已改为厂房用地，立井位置已经改为驾校，地面已无井口残留迹象。

2 地球物理勘查

2.1 工作装置

瞬变电磁法的剖面法工作装置有许多种，但根据本次工作的目标任务、地表地物条件、卜弋煤矿地层特征、地球物理特性和以往类似工程经验，本次瞬变电磁勘查选择重叠回线装置进行电性数据观测采集的工作。它是采用小线框，在不存在一次场源干扰的情况下，在脉冲间隙进行电磁场变化的观测。

2.2 试验工作

在进行数据采集之前，先进行瞬变电磁法参数试验，来选取一个既能达到勘探目的、又能压制干扰的施工参数进行数据采集。本次工作进行了多次不同发射电流和不同发射线框的试验（图1）。当供电电流为300 A 的时候，衰减曲线尾支出现了干扰跳变，而供电电流500 A 和700 A 衰减曲线压制干扰逐渐增强，发射电流越大，装置的抗干扰能力越强。发射框为1.5 m×1.5 m 的衰减曲线互感强烈，发射框为3 m×3 m 的衰减曲线能有效压制干扰，互感较小。最后选择供电电流为700 A、选择发射框为3 m×3 m 来进行瞬变电磁数据采集。

图1 试验结果对比图

2.3 瞬变电磁勘查工作

2.3.1 工程部署

两组患者治疗后6h、24h、48h、72h的血乳酸水平,显著下降,且与对照组患者的血乳酸水平相比,治疗组患者明显更优(P<0.05)。详见表1。

勘查区属构造相对复杂、煤层不稳定的类型，为了有效控制采空区的空间形态分布规律，本次采用勘查网布置系统控制采空区。卜弋煤矿的构造走向为NNE 向，因此布设物探测线时，选择与构造走向近似垂直的E-W 向。根据地形和地质条件，本次勘查测网网度设置用80 m×40 m，即线距为80 m，点距为40 m；线号编排采用L1、L2、L3 等递增，点号编排采用1000、1040、1080 等距离递增，如L1-1200 表示线号L1、点号1200。物探点覆盖整个采空区的可能分布范围。

2.3.2 数据采集

瞬变电磁野外数据采集施工严格按照《煤炭电法勘探规范》《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》和设计方案要求进行。施工过程中，特别是受地形地物等条件的影响时，采取了适当偏移等措施进行定位，以确保线框的摆放精度符合“规程”要求，对移动的测点和发射回线的摆动情况做详细记录；对于无法布设测点地段，采取了将该处测点偏移、加密至附近异常区，保证资料完整性。此次瞬变电磁野外数据采集共施工完成19 条勘探线、492 个物理点。施工物理点位置如图2。

图2 瞬变电磁物探点布置图

2.3.3 资料处理

1）数据预处理

在进行数据采集时，实时检测磁场的变化，实时观察衰减曲线的畸变，保证迭代的相对误差小于5%。对穿过居民聚集区的区段，要根据现场的电磁干扰情况，及时调整发射电流的大小，改变迭代的次数，以便获得高质量的原始采集数据。在数据资料处理过程中，对那些明显不符合实际（随机电磁干扰引起）的观测数据挑选出来删除，对由高压线、铁器等物体引起的电磁干扰，应结合现场班报的记录情况，对受干扰的观测数据采用平滑、滤波等处理手段，从而确保野外采集的原始数据符合现场真实的地质情况。

2）数据反演处理

3）数据成图

将反演输出的测线数据文件进行编辑，加入各测点高程，然后使用surfer 软件绘制各测线视电阻率断面图。

4）平面图制作

根据已有的各煤层底板等高线图将各煤层绘制到TEM 视电阻率断面图上，相应的圈定测线上采空区的范围，然后在平面图上绘制全区的采空区分布范围图。

2.4 资料解译

2.4.1 断面图解译

在视电阻率断面图上，如果地下煤层没有被采空且地层没有被导水断裂构造切割的情况下，视电阻率变化应该与实际地层相对应，在横向、垂向上的变化具有一定的规律，表现为在纵向上视电阻率等值线均匀连续变化，在横向上视电阻率值比较稳定，等值线近似呈水平状形态，变化比较平缓，无较大的褶曲跃变。如果地下煤层被采空，由于勘查区地理位置位于长江三角洲平原区，地下水比较丰富，因此在采空区范围将形成一个低阻异常区。勘查区还分布有多条导水断裂构造，也会形成低阻异常区。综上，采空区和导水断裂这两个因素将造成视电阻率数值出现低阻异常，等值线发生扭曲、变形或呈密集条带状等。以下对L8 线、 L13 线资料解释进行阐述（图3）。

图3 L8 线、L13 线视电阻率断面图

L8 线位于勘查区的中部偏南，剖面长1080 m。在桩号1550左右，视电阻率等值线梯度变化比较大，往大号方向视电阻率值变低，视电阻率等值线呈现低阻闭合圈，形成低阻异常，推断该处为采空区的电性反应；往小号方向，视电阻率值变高，等值线的变化也比较平缓，推断为正常地层的电性反应；由此推断桩号1550 为小号端采空区边界。在桩号2440 左右，视电阻率等值线梯度变化较大，往小号方向视电阻率值变低，视电阻率等值线呈向下弯曲，形成低阻异常，推断该处为采空区的电性反应；往大号方向，视电阻率值变高，等值线变化也趋向平缓，推断为正常地层的电性反应；由此推断桩号2430 为大号端采空区边界。在桩号1900、2100 位置附近，各有一个视电阻率等值线变化梯度带，根据收集的地质资料推断为断层的电性反应。

L13 线位于勘查区的中部偏北，剖面长1080 m。在桩号1600左右，视电阻率等值线梯度变化比较大，往大号方向视电阻率值变低，视电阻率等值线呈现低阻闭合圈，形成低阻异常，推断该处为采空区的电性反应；往小号方向，视电阻率值变高，等值线的变化也比较平缓，推断为正常地层的电性反应；由此推断桩号1600 为小号端采空区边界。在桩号2430 左右，视电阻率等值线梯度变化较大，往小号方向视电阻率值变低，视电阻率等值线呈现低阻闭合圈，形成低阻异常，推断该处为采空区的电性反应；由此推断桩号2430 为大号端采空区边界。在桩号1750、1800 附近，各有一个视电阻率等值线变化梯度带，呈低阻异常，根据收集的地质资料推断为导水断层的电性反应，桩号1750 位置的断层为游塘庙正断层。在桩号2000、2200 附近，各有一个小的视电阻率等值线梯度变化，视电阻率值较低，推测是小断层的电性反应。

2.4.2 成果平面图解释

通过对全区19 条视电阻率断面图进行综合分析、研究、对比，划定了煤层采空区的范围（图4）。

图4 采空区范围推断成果图

该煤层采空区位于勘查区中部，由测线L3～L17控制，控制程度较高，南北两头小、中间大，形状不规则，面积约为0.84 km2，涉及游唐庙、湖北村、段庄等多个村庄，省道239 也有1000 m 左右的长度在采空区范围内。采空区埋深在150～450 m 之间。在勘查区内局部断层比较发育，视电阻率较高，推测断层附近的小部分煤层可能未采。

从现有的已知资料及本次物探成果来看，受采空区影响，地层稳定性遭到破坏，塌陷变形导致裂隙发育，采空区存在一定的富水。

3 结论

1）将瞬变电磁法用于常州市老煤矿遗留采空区的采空塌陷地质灾害调查是可行的。在进行现场踏勘、资料收集和参数试验的基础上，瞬变电磁对遗留采空区的低阻异常具有较明显的反应，可以对采空区范围进行快速准确的圈定，节省了大量的时间和勘探费用。

2）卜弋煤矿遗留采空区的面积约为0.84 km2，埋深在150～450 m 之间，采空区内地层的视电阻率值偏低，说明地层受采空区影响，稳定性遭到破坏，塌陷变形导致裂隙发育，地下水汇集，采空区内存在一定的富水。

3）物探解译一般具有多解性，在后续的土地利用开发和采空区治理阶段，还需要配合其他勘探手段（如钻探）来进行详细勘查和互相验证，提高采空区分布范围的精度。