瞬变电磁法在煤矿采空区勘察中的应用

2024-03-08谢孔金谢一鸣赖美丹张照祥王海洋

地下水 2024年1期

谢孔金,谢一鸣,钟欣,赖美丹,张照祥,王海洋

(1.山东高速岩土工程有限公司,山东济南 250098;2.昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明 650093;3.山东鲁勘集团有限公司,山东济南 250118;4.山东鲁建土木工程有限公司,山东济南 250022)

0 引言

随着我国城市建设的快速发展,土地资源愈发稀缺,不适宜建筑的采空区场地经处理后也被开发为建设用地,采空区的地基稳定性与工程建设的安全隐患存在紧密联系。所以,采空区场地在工程施工建设前应查明场地地基稳定性和作为工程场地的适宜性[1]。由于地下开采的煤矿采空区一般埋藏深度大,勘察时钻探工作量大、费用高、工期长,且难以全面地反应拟建场地采空区分布状况[2],可在搜集煤矿开采资料的基础上进行多次物探工作。瞬变电磁法具有体积效应小、分层能力强、异常响应形态简单等诸多优点,在国内外采空区场地的勘察中得到了广泛的应用[3-8]。

1 工区地质简况

工区位于济南市章丘区济东煤田的南部边缘,本区属鲁中南隆起区,区域构造发育,以北西向断裂为主,断裂在第四纪时期均有一定程度的活动,详见图1。

图1 区域地质构造图

根据搜集的勘察资料,该区地貌单元属山前冲洪积平原,采空区深度范围内的地层自上而下主要有:

(1)第四系粘土和砾石层,一般厚度0～22.40 m;

(2)二叠纪石盒子组砂岩、泥岩,一般厚度175 m左右;

(3)二叠纪山西组泥岩、砂岩,含薄煤层(组)4层(1、2、3、4),一般厚度90 m左右;

(4)石炭—二叠纪太原组砂岩、粘土岩、粉砂岩、泥岩及石灰岩,含薄煤8～10层,一般厚度162 m左右;

(5)石炭纪本溪组泥岩、石灰岩,有时夹薄煤层,一般厚度50 m左右。

2 瞬变电磁法成果

2.1 地球物理特征

场地内地层电性的显著差异是瞬变电磁法的工作基础,依据这种电性异常特征可以圈定采空区[9]。具体来说,顶板以上岩石地层的平均电阻率值相比煤层明显较低,底板以下岩层电阻率最高,充水的断层破碎带电阻率明显低于岩层,充水的采空区也表现为较低的电阻率值,不充水的采空区表现为相对较高的电阻率,采空区上方冒落带岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙,表现为视电阻率等值线的波动,当采空区的空隙被水或泥所充填后,表现为电阻率明显低于周围完整岩石,即低阻特征。除了垂直分量的异常特征之外,水平分量异常特征的研究对于瞬变电磁法的勘察应用也十分重要[10]。

2.2 仪器选择及参数

根据场地的地形及探测深度的要求,结合地层岩性特征,选用澳大利亚产的TerraTEM瞬变电磁仪,仪器性能技术参数见表1。

表1 主要技术参数

2.3 采空区识别原则

物探工作的主要任务是查明工作区采空区分布范围,故采空区异常是解释的主要目标,采空区特征的反演可以用多种方式进行[11]。根据物探测量数据,结合场地地层岩性、水文地质及煤矿开采等因素,确定采空区主要识别原则如下:

(1)对未开采矿体,地层一般呈层状,视电阻率曲线表现为平缓的曲线,表现出电性比较稳定。

(2)矿体采出后,地层不连续,视电阻率曲线波动,表现出明显的局部高阻或低阻的特征。

(3)矿体赋存位置的电性异常推测为采空区。

2.4 成果解疑

根据场地地形地貌情况,结合搜集到的地质资料,本次勘探工作共布置瞬变电磁测线19条,剖面方向0°,点距10 m,线距20 m,坐标点978个,试验点22个,检测点60个,合计物理点1 160个。选择有代表性的11#和13#剖面线物探成果进行解疑。

2.4.1 S11线成果

该线布设于探测区中部,测线方位0°,测点编号由南向北逐渐增大,测线长度500 m。瞬变电磁勘探S11线视电阻率断面图见图2。

图2 瞬变电磁勘探S11线视电阻率断面图

从图2可以看出,该剖面电阻率值在横向上波动幅度较大,表现为高低阻相间变化特征,纵向上整体表现为由浅至深视电阻率逐渐增大的电性特征。横向上在剖面40～220 m范围视电阻率值不连续,纵向上在深度50～70 m范围内,整体视电阻率值相对较小,结合井田地质及地球物理特征,推断该处低阻电性异常是采空区顶板塌落、周围岩体裂隙发育充水的表现;横向上在剖面360～430 m范围视电阻率值不连续,纵向上在深度50～70 m范围内,整体视电阻率值相对较小,结合井田地质、地球物理特征及工作区搜集资料可知,该区域附近有断层发育,推断该处低阻异常是断层周围岩石较破碎、完整性差和岩层断裂破碎充水的表现。

2.4.2 S13线成果

该线布设于探测区中部,测线方位0°,测点编号由南向北逐渐增大,测线长度500 m。瞬变电磁勘探S13线视电阻率断面图见图3。

图3 瞬变电磁勘探S13线视电阻率断面图

从图3可以看出,该剖面电阻率值在横向上波动较大,呈现高低阻相间变化特征,纵向上整体表现为由浅至深视电阻率逐渐增大的电性特征。横向上在剖面80～175 m范围视电阻率值不连续,纵向上在深度30～60 m范围内,整体视电阻率值相对较小,结合井田地质及地球物理特征,推断该处低阻异常是煤层局部采空后顶板塌落、周围岩体裂隙发育充水的表现。

3 钻探验证

根据瞬变电磁法解译成果,结合区域地质资料,推测探测区范围内存在采空区,结合有关规范要求,在推测采空区分布区布置钻探验证孔,其中ZK2位于S13剖面、ZK4位于S11剖面。两个钻探验证孔情况分述如下。

3.1 ZK2钻孔

钻孔深度89.09 m,位于S13剖面线的150 m处,自上而下揭露了第四系土层、二叠纪山西组泥岩和石盒子组砂岩、石炭—二叠纪太原组泥灰岩。根据钻探记录判断采空区位于30.0～30.80 m处,钻探岩芯破碎且局部无岩芯,可见少量煤碎块。钻进过程中进尺快且出现不返水现象,钻探揭露采空区的深度与瞬变电磁法推测的采空区深度30～60 m基本是一致的。钻孔终孔静止水位在77.1 m。结合搜集的地质资料,推断为7煤采空区。ZK2钻孔岩芯见图4。

图4 ZK2岩芯揭露采空区位置

3.2 ZK4钻孔

钻孔深度89.46 m,位于11#剖面线100 m处,自上而下揭露了第四系土层、二叠纪山西组泥岩和石盒子组砂岩、石炭—二叠纪太原组泥灰岩。根据钻探记录判断采空区位于60.0～61.0 m处,钻探岩芯破碎且局部无岩芯,见少量煤碎块,该位置钻进过程中出现进尺快的现象,钻探揭露采空区的深度与瞬变电磁法解疑的采空区深度50～70 m是一致的。钻孔终孔静止水位在77.2 m。结合搜集的地质资料,推断为7煤采空区。ZK4钻孔岩芯见图5。

物探推测结果与钻探验证揭露采空区对比情况如表2,可以得出如下结论:钻孔揭露的煤矿采空区位置与物探推测结果基本吻合。钻探揭露采空区深度较瞬变电磁法成果偏浅,推断与钻孔的位置和采空区冒落带的分布有关。