崔占鋒，陳斌

（河南省煤炭地質(zhì)勘查研究總院，河南 鄭州 450000）

1 案例摘要

由于礦井采空引發(fā)上覆地層出現(xiàn)沉降、塌陷、裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致地表建筑物的開裂與破壞，是常見的地質(zhì)災(zāi)害。XJG村在新村竣工不久就出現(xiàn)了礦區(qū)周邊的新建民居開裂現(xiàn)象，村民認(rèn)為問題是由于臨近的礦山采空區(qū)沉降所導(dǎo)致，但礦方認(rèn)為現(xiàn)有礦井未在新村附近進(jìn)行過采掘，建筑物開裂與現(xiàn)在礦井活動無關(guān)，雙方由此產(chǎn)生糾紛。為明確責(zé)任，采用瞬變電磁法對新村附近采空區(qū)以及地面沉降與裂隙區(qū)的分布范圍進(jìn)行調(diào)查[1]。

采用大定源回線法進(jìn)行觀測，該方法為在地面布設(shè)一個較大供電外框，在框內(nèi)中部進(jìn)行信號觀測的方式，試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過處理解釋分析后認(rèn)為可以滿足工作要求，隨即確定了工作參數(shù)如下：

使用儀器：加拿大產(chǎn)PROTEM67瞬變電磁儀

觀測方式：大回線定源法

觀測網(wǎng)度：20m＊20m，測線間距20m，線上點(diǎn)距20m

發(fā)射頻率：25Hz

供電電流：15A

積分時間 ：30s ＊ 2次

采樣門數(shù)：30門

同步方式：石英鐘同步

初始增益：21

發(fā)射框尺寸：200 m ＊ 200m

接收框線圈：高頻接收探頭，等效面積31.4 m2

2 地質(zhì)條件與地電特性分析

根據(jù)已知資料，該區(qū)地層以及其含水性從上到下分別為：

第四系(Q)：厚約50m，由近水平沉積的砂質(zhì)粘土層、砂土層組成，底部多見礫石層，整體含水性較強(qiáng)。地表及下伏地層基巖面均為近水平分布。

二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)：主要由砂泥巖互層組成，砂巖層孔隙度低，整體含水性較差，有部分風(fēng)化現(xiàn)象。整體形態(tài)為一向南傾的簡單單斜構(gòu)造，傾角約15度，區(qū)內(nèi)主采礦層二1礦層賦存于山西組底部，厚5m～6m，最大埋深150m。

石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)：主要為泥巖與灰?guī)r互層，含少量碎屑巖。其中灰?guī)r的巖溶裂隙含水性較強(qiáng)，但其分布較不均勻。其下奧陶系灰?guī)r區(qū)內(nèi)未揭露。

一般而言，華北地區(qū)完整未開采地段石炭二疊系礦層中通常不存在儲積大量水分的較厚含水層，所得到的地層視電阻率通常表現(xiàn)為從上到下隨埋藏深度相對平穩(wěn)、逐漸增加的趨勢，且地層剖面上電阻率等值線的橫向起伏與地層產(chǎn)狀起伏基本一致。

由于礦井瞬變電磁探測區(qū)為正常開采礦井，井下一般不會存在大量水體聚積，判斷采空異常以及采空沉降破壞的主要途徑是通過分析采區(qū)含礦層以及上覆地層的整體電性變化，研究它們與正常未被采動地段地層的電性分布之間的差異，探測含水異常的分布規(guī)律，了解探測區(qū)內(nèi)巖層的含水性質(zhì)與裂隙發(fā)育程度。

地層中所出現(xiàn)的低電阻率電性異常，通常是由于地層內(nèi)的含水性質(zhì)發(fā)生顯著變化所致。礦物被采出后，其上部礦石因自重力及上部壓力作用，內(nèi)部逐漸發(fā)育裂隙、裂縫與斷裂，巖層出現(xiàn)垮落、斷裂、離層與整體沉降和彎曲等現(xiàn)象。通過瞬變電磁方法探測礦層電性特征的變化情況，就能了解采空區(qū)上部礦層的裂隙發(fā)育程度，進(jìn)而分析出礦井中采空區(qū)分布情況，以及采空區(qū)覆巖的破壞范圍，推斷它對地面沉降與塌陷的影響程度[2]。

已有鄰區(qū)物探資料顯示，在正常未開采情況下，本區(qū)礦層中二疊系砂泥巖互層地段電阻率值估計(jì)一般約在20-50 ohmm左右，而石炭系地層電阻率又呈逐漸增高趨勢，電阻率值從50-80 ohmm逐漸增高到超過100 ohmm左右。其具體數(shù)值隨所在地段的構(gòu)造位置與環(huán)境、埋藏深度與風(fēng)化程度有較大改變。由于沿水平方向上地層沉積基本穩(wěn)定，通常情況下測區(qū)地層橫向電性差異變化不大，在同一測區(qū)內(nèi)各巖層段電阻率平均值基本保持一致，電性剖面中同一電阻率走向變化趨勢與地層產(chǎn)狀應(yīng)當(dāng)基本一致，其分布規(guī)律與地層構(gòu)造分布規(guī)律應(yīng)當(dāng)基本保持一致，僅在其含水性質(zhì)發(fā)生明顯變化時才會出現(xiàn)顯著改變，這正是電法勘探方法能夠得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。

本次工作的目標(biāo)，是查明區(qū)內(nèi)礦層采空區(qū)以及采空區(qū)所導(dǎo)致的地面沉降及裂隙分布范圍，由于采空區(qū)所導(dǎo)致的地面沉降及裂隙區(qū)內(nèi)均有積水充填其電阻率值將會有顯著降低，通過瞬變電磁工作，分析區(qū)內(nèi)地層的電阻率值異常的分布范圍與特征，就可分辨出礦層已開采地段和受采掘影響的上部地層的分布范圍，完成此次工作的要求。

一般而言，華北地區(qū)石炭二疊系完整未開采地段主采礦層為二1上部地層內(nèi)通常不存在富含水層，其下部的石炭系灰?guī)r含水層層厚較薄，在較遠(yuǎn)的探測距離(＞100m)上一般沒有明顯反映，瞬變電磁方法所觀測到的地層視電阻率單點(diǎn)電性曲線通常表現(xiàn)為從上到下相對平穩(wěn)逐漸增加的趨勢，而地層的橫向連續(xù)性使得在地層剖面上視電阻率等值線的橫向起伏與地層產(chǎn)狀起伏趨勢基本一致。通過瞬變電磁方法對地層的電性特征進(jìn)行觀測，將地層完整未開采情況下的地層電性反應(yīng)與各種異常電性情況進(jìn)行分析對比，判斷異常電性反映變化特點(diǎn)與特征，從中了解礦井中采空區(qū)的分布情況，以及采空區(qū)所導(dǎo)致的地面沉降與塌陷情況。

在地下礦層被采動或采空之后，其上部地層因采空重力作用導(dǎo)致發(fā)生彎曲沉降變形，地層內(nèi)部從下到上逐漸出現(xiàn)松動及破碎，同時產(chǎn)生裂縫或裂隙，在有水分充分侵入的情況下，其電阻率迅速降低，形成水平方向上的相對低阻異常。3種電性曲線反映了采空區(qū)上部采空沉降的不同發(fā)展情況，其中最右側(cè)的電性曲線反映了礦層上部的采空沉降破碎僅僅出現(xiàn)在礦層頂板附近，頂板附近的含水性改變而使得該處視電阻率值有明顯降低，但在其上部，視電阻率曲線與完整未采空區(qū)接近一致，這說明下部的采空沉降破碎未能繼續(xù)向上發(fā)展，其上部地層保持完整；而中間的電性曲線顯示采空礦層頂板附近地層的視電阻率值已經(jīng)大大降低，而其之上的巖層隨著與礦層間距離的不斷增大，其視電阻率值的變化幅度也有所降低，這反映了在礦層頂板附近產(chǎn)生了明顯的破碎積水現(xiàn)象，而且采空沉降破碎已經(jīng)不斷向上部發(fā)展延伸，但其變化程度要明顯弱于頂板附近。

在最上部近地表處地層可能尚有部分相對較完整；而左側(cè)的電性曲線反映了礦層上部地層的采空沉降破碎及含水區(qū)域已經(jīng)向上部延伸到接近地面附近的情況，這時整個電性曲線反映礦層之上到地表的全部地層段中存在大量積水，整套巖層的視電阻率值大大降低，在橫向上也完全失去其連續(xù)性，整個電性曲線在深部由于低阻層的屏蔽作用與延時效應(yīng)的影響，繼續(xù)顯示為連續(xù)的低值，無法反映其下部巖層的真實(shí)電性情況。

礦山采空區(qū)地層破碎及沉降幅度、沉降范圍與礦層的埋深、礦層的開采厚度、工作面的開采方法與方式、采動時間以及礦層頂板和上覆地層的巖性等參數(shù)都有所關(guān)聯(lián)，而具體的采空變化數(shù)值大小需要與現(xiàn)場的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對照。

3 資料分析

經(jīng)過對區(qū)內(nèi)瞬變電磁數(shù)據(jù)解釋結(jié)果的分析處理，可以將觀測得到的各點(diǎn)地層深度-視電阻率電性曲線大致分為3類，1早期開層、塌陷已穩(wěn)定的地層測點(diǎn)的深度-視電阻率,2進(jìn)氣開采已導(dǎo)致塌陷的地層測點(diǎn)的地層深度-視電阻率,3正常完整地層測點(diǎn)的地層深度-視電阻率,第3類曲線反映了區(qū)內(nèi)正常完整地層情況下測點(diǎn)的地層深度-視電阻率特性，所測曲線在上部新地層內(nèi)視電阻率值較低，一般約在20-25Ω.m左右，并隨深度增加其數(shù)值略有下降，在基巖面附近降到最低，這是因?yàn)樾碌貙拥撞恳话銥榈[石層所組成，下方基巖面表層為風(fēng)化殘積層，它們的孔隙度與含水性均強(qiáng)于上下層位的緣故。從基巖面向下隨著深度的不斷增加，礦層的風(fēng)化程度越來越低，其視電阻率也在不斷增高礦層附近的地層視電阻率值為30Ω.m左右，再向下石炭奧陶系地層的視電阻率值急劇增加到超過100Ω.m。

圖1 XJG地層深度-視電阻率特征曲線對比圖

在地下礦層被采動或采空之后，其上部巖石內(nèi)部逐漸產(chǎn)生裂隙、裂縫與斷塊，地層從下到上逐漸出現(xiàn)跨落、斷裂與彎曲，在有水分充分侵入的情況下，其電阻率迅速降低，形成水平方向上的相對低阻異常。

對此兩種異常的解釋是：礦層被采空后，上部巖層從頂板開始向上產(chǎn)生垮落、裂隙及沉降等破壞過程，這種過程逐漸向上部延伸及發(fā)展，在早期階段，礦層被采空的時間不長，所產(chǎn)生的破壞作用主要集中在離礦層上方頂板不遠(yuǎn)處，導(dǎo)致該處附近的含水性明顯增加，視電阻率值有明顯下降，而在此之上距礦層頂板較遠(yuǎn)的地層仍然保持基本完整，內(nèi)部裂隙尚未明顯發(fā)育，其含水性尚未發(fā)生顯著改變，這時其視電阻率值與第3類曲線中最上部的完整地層的視電阻率值相差不大，僅在礦層頂板附近出現(xiàn)較大差異。

若當(dāng)采空區(qū)橫向延伸范圍很窄或上部巖層厚度較大時，受其兩側(cè)完整巖層所支撐，這種向上延伸的破壞過程在進(jìn)行到一定范圍后基本終止，而不會持續(xù)進(jìn)行到地表，這時其電性反映與第2類曲線也基本相似[3]。

采空區(qū)上覆巖層完整性已遭完全破壞，其內(nèi)部的破壞過程已經(jīng)進(jìn)行到達(dá)地表的情況，這時從礦層到地表之間的上下裂隙空間已經(jīng)連為一體，成為一個從上到下的滲水通道，其內(nèi)部各處均積蓄了大量的積水，通道內(nèi)各處的視電阻率值均明顯低于第2類曲線中的情況。

并且由于井下排水的緣故，松散層底部礫石層與基巖風(fēng)化帶地段的含水量要明顯高于其下部礦層頂板附近的含水量，使得基巖面附近的視電阻率表現(xiàn)為最低值。

圖2 XJG1260線視電阻率剖面

由于瞬變地磁工作方法的限制，無法得到近地表(20m以淺)附近地層的電性數(shù)據(jù)，但通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)仍能得出以上結(jié)論。

圖2為測區(qū)1260線視電阻率剖面，其中最左側(cè)樁號5000-5100之間的測點(diǎn)電性反映與前節(jié)所述的第2類曲線相似，可以推斷此區(qū)間的礦層剛剛被開采不久，主要的破碎沉降主要發(fā)生在礦層頂板附近。

中部樁號5100-5220之間以及右側(cè)樁號5300-5400之間，其電性反映與第1類曲線相一致，顯示這些地段的礦層未被開采，或僅少量采動，但未造成上覆地層出現(xiàn)明顯破碎與沉降現(xiàn)象。

4 結(jié)論

對于礦山采空區(qū)的勘查，瞬變電磁法是諸多方法中快速且行之有效的方法，具有廣泛的應(yīng)用前景，選擇合理的技術(shù)參數(shù)，通過瞬變電磁法可以快速獲取淺部到中部及大深度地層的電性信息。

根據(jù)以上資料結(jié)合建筑物所在位置的塌陷情況，可以判斷此村中建筑物的開裂為早期開采造成,而非近期開采所引起。