武秀芳 薛永軍

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620)

0 引言

該礦為適應(yīng)兼并重組后生產(chǎn)的需要，改善職工的生產(chǎn)生活條件，計(jì)劃在礦區(qū)中東部建設(shè)工業(yè)廣場。擬建的工業(yè)廣場呈東西方向展布的矩形，長約260m，寬約160m，面積41600m2，為保證工業(yè)廣場建成后能夠安全運(yùn)營，該礦委托我院對其擬建的工業(yè)廣場場區(qū)進(jìn)行下伏采空區(qū)勘查工作。該礦批準(zhǔn)開采4號、5號煤層，現(xiàn)開采4號煤層，4號煤層厚1.47m～1.72m，平均厚度為1.61m，頂板為中砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為粉砂巖，擬建的工業(yè)廣場場區(qū)上方4號煤層采煤方式為房柱式開采，開采時(shí)間在1996年～2003年及之后，其中東部采空區(qū)形成的時(shí)間較西部采空區(qū)形成的時(shí)間長，采空區(qū)埋深125.00m～148.60m，采厚約1.61m，回采率較小，年產(chǎn)煤9萬t。兼并重組后采用長壁式炮采，全部垮落法管理頂板，兼并重組后，生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)為900kt/年。本次勘察工作的目的主要是查明擬建工業(yè)廣場場區(qū)采空區(qū)(4號煤)的分布特征，為初步設(shè)計(jì)提供技術(shù)資料。主要任務(wù)是采用瞬變電磁法、放射性測氡法等地球物理勘測手段探測采空區(qū)(4號煤)的分布范圍、埋深等。

1 地質(zhì)特征

井田地處黃河中游東岸、呂梁中段西側(cè)，屬黃土丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)溝壑發(fā)育。整個(gè)地勢東高西低，地形破碎，溝谷走向多由東向西，南北羽毛狀排列。東北部最高，最低點(diǎn)位于井田西北部，最大相對高差175.50m。

勘測區(qū)原為溝谷，現(xiàn)經(jīng)人工堆填，地形較平坦，海拔約894.00m。井田地表大部分被新生界第四系所覆蓋，谷坡出露上第三系上新統(tǒng)，下伏古生界奧陶系、石炭系及二疊系地層。

2 煤層地質(zhì)特征

2.1 含煤性

井田內(nèi)含煤地層為石炭系太原組(C3t)和山西組(C3s)，現(xiàn)分述如下:

太原組為一套海陸交互相含煤地層，含煤8層，自上而下為6號上、6號、7號、7號下、8號、9號、10號、11號煤層，其中 8號、9號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其余為不可采煤層。地層平均總厚度88.0m，煤層平均總厚度3.61m，含煤系數(shù)4.1%。

山西組為一套陸相含煤地層，含煤8層，自上而下為02號、03號、1號、2號、3號、4號、5號、5號下煤層，其中4號、5號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其余為不可采煤層，地層平均厚度60.85m，煤層平均總厚度6.50m，含煤系數(shù)10.68%。

井田內(nèi)山西組、太原組地層平均總厚度148.85m，煤層平均總厚度 10.11m，含煤系數(shù) 6.79%。

2.2 主要可采煤層

井田內(nèi)可采煤層為4號、5號、8號、9號煤層(詳見表1)。

表1 可采煤層特征表

3 地質(zhì)構(gòu)造

柳林地區(qū)區(qū)域上屬山西省西部鄂爾多斯地塊東部邊緣，東以離石大斷裂與山西地塊相鄰，北端與東西向的呼和斷陷及其以北的東西向陰山隆起帶相鄰，南端以汾渭地塹系為界與東西向秦嶺褶皺帶相遇，為南北長約400km，東西寬30km～60km的狹長條狀。

井田地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，整體呈一走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角平緩，一般為5°～8°。根據(jù)井下巷道揭露、控制，發(fā)現(xiàn)4號煤層存在沖刷帶，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有斷層、陷落柱等其他構(gòu)造現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)巖漿活動。

4 地球物理特征

勘測區(qū)地表覆蓋第四系松散層，下覆二疊系上、下石盒子組及山西組、石炭系上統(tǒng)太原組地層。本次物探勘查的目的層是二疊系山西組地層，其上覆的第四系的粉質(zhì)粘土及雜填土與二疊系的砂巖、泥巖之間均存在著較明顯的電性差異，瞬變電磁法是以巖礦石的電性差異為前提條件的。當(dāng)煤層被采出后，采空區(qū)較周邊圍巖呈現(xiàn)高阻特征，利用其高阻特征，尋找采空區(qū)是可行的。故在本區(qū)投入瞬變電磁法進(jìn)行采空區(qū)勘察是具備其地球物理前提條件的。

氡是鈾系的子體，又是唯一呈氣態(tài)的惰性氣體，它可以由地下深部遷移至地表，并可顯示出地層深部各種變化的信息。煤層開采后，地下的采空區(qū)及其影響帶形成了氡氣元素向地表運(yùn)移的通道，在采空區(qū)上方會出現(xiàn)相應(yīng)的氡異常區(qū)。因此，可以通過測量地表氡元素的濃度來圈定煤礦采空區(qū)的位置和范圍。故在本區(qū)投入放射性測氡法進(jìn)行采空區(qū)勘察是具備其地球物理前提條件的。

5 工作方法

首先進(jìn)行了工作區(qū)踏勘，同時(shí)對工作區(qū)以往工作成果進(jìn)行了搜集。在分析收集資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形地質(zhì)條件和勘察目的，選擇瞬變電磁法和放射性測氡法等物探勘測方法，對擬建場區(qū)進(jìn)行探測;根據(jù)物探解釋成果布置鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證;室內(nèi)對外業(yè)采集的數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行分析研究，綜合調(diào)查、物探和鉆探成果圈定采空區(qū)，編寫采空區(qū)勘察報(bào)告。

本測區(qū)采空區(qū)勘測最大深度一般小于200m?，F(xiàn)場試驗(yàn)后，選取同點(diǎn)回線源裝置進(jìn)行工作，供電線框與接收線框均為50m×50m，發(fā)射頻率4Hz，分31道采集數(shù)據(jù)，發(fā)射電流25A左右，記錄各道歸一后的二次場電壓參數(shù)，疊加次數(shù)120次，對單點(diǎn)異常都進(jìn)行了復(fù)測、排除，確保野外數(shù)據(jù)第一手資料。

本次放射性測氡法測試選用的儀器為CD-1α杯探測儀，其工作方法是將α探測杯埋入地下40cm深的坑中，4h后取出測量3min讀數(shù)，并進(jìn)行記錄。

6 資料處理

6.1 瞬變電磁法

在野外數(shù)據(jù)采集期間，現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和解釋;室內(nèi)完成數(shù)據(jù)綜合處理、成圖成像和人機(jī)交互解釋等任務(wù)。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理是對獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去偽存真、誤差矯正、均滑處理、趨勢分析和成圖成像工作，目的在于提高勘測結(jié)果的準(zhǔn)確度和精度，使之更趨于實(shí)際。

在室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，繪制了基本分析圖件:瞬變電磁各測線視電阻率等值線圖。視電阻率等值線圖以測點(diǎn)(樁號)為橫坐標(biāo)(算術(shù)坐標(biāo))，深度為縱坐標(biāo)(算術(shù)坐標(biāo))，將各測點(diǎn)不同采樣時(shí)間經(jīng)初步反演所得到的ρr值，經(jīng)網(wǎng)格化后成圖。當(dāng)?shù)叵麓嬖诓煽諈^(qū)時(shí)，視電阻率等值線圖不再呈平行展布，將出現(xiàn)向上或向下彎曲的畸變，或出現(xiàn)閉合或半閉合等值線圈，研究等值線在煤層埋深標(biāo)高處縱向和橫向上電性的變化特征，以確定是否存在煤礦采空區(qū)，便是本次分析視電阻率等值線圖的理論依據(jù)。

6.2 放射性測氡法

野外讀取數(shù)據(jù)完畢后，運(yùn)用繪圖軟件繪制放射性測氡法Rn剖面曲線圖，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場情況及井下資料進(jìn)行初步解釋，發(fā)現(xiàn)畸變時(shí)，進(jìn)行重復(fù)測量。通過勘測發(fā)現(xiàn):本測區(qū)放射性測氡正常場背景值為小于50脈沖，異常場值為大于100脈沖。

7 結(jié)語

為了對物探工作推斷解釋的采空區(qū)范圍進(jìn)行核實(shí)、驗(yàn)證，以便對物探解釋成果進(jìn)行再次分析解釋，在物探推斷解釋的采空區(qū)部位布置了6個(gè)鉆孔，6個(gè)孔在4號煤層分布深度范圍內(nèi)，未提取到完整的煤層，僅在局部提取到薄煤線，6個(gè)孔均不同程度出現(xiàn)塌孔、掉鉆、漏水或巖芯破碎等現(xiàn)象，鉆探結(jié)果表明:擬建工業(yè)廣場場區(qū)內(nèi)分布有4號煤層采空區(qū)，采空區(qū)埋深125.00m～148.60m，煤層底板為砂巖。

由本測區(qū)勘測結(jié)果及鉆探驗(yàn)證結(jié)果表明:應(yīng)用綜合物探勘測手段進(jìn)行煤礦采空區(qū)勘測具有其他方法無可替代的優(yōu)越性，一方面綜合物探勘測手段較鉆探成本低，另外，其工作方法相對便捷，成果資料直觀易懂，建議在同類地區(qū)參照進(jìn)行。

［1］張 瑛.山西柳林碾焉煤礦有限責(zé)任公司900kt/a礦井技改工程工業(yè)廣場采空區(qū)勘察報(bào)告［R］.晉中:山西省第三地質(zhì)工程勘察院，2010.