趙彤，王雨辰，李根云，解磊，于超

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250109；3.山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

我國是世界最大的煤炭生產(chǎn)國及消費(fèi)國，煤炭在我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中一直處于重要戰(zhàn)略地位[1]。隨著煤炭的大量開采，形成了數(shù)量龐大的煤礦采空區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，圍巖存在失穩(wěn)的可能性，導(dǎo)致地面發(fā)生沉降開裂破壞，從而造成地面人員傷亡和財產(chǎn)損失，對安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-5]。據(jù)統(tǒng)計，目前我國因采煤造成的開采沉陷約1億m2[6]，作為一種外生地質(zhì)災(zāi)害，目前已成為工程地質(zhì)、環(huán)境工程中重要的研究對象[7]。以往的工程建設(shè)中，對于采空區(qū)多采取避讓辦法，但隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密度增大，建設(shè)用地與耕地保護(hù)矛盾日益突出，需要對采空區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查及穩(wěn)定性和適宜性分析，以確定采空區(qū)域是否可以用于工程建設(shè)。濟(jì)南市鋼城區(qū)礦產(chǎn)資源開采具有悠久的歷史，新中國成立前后私采亂挖現(xiàn)象嚴(yán)重，廢棄礦井?dāng)?shù)量較多，地下存在規(guī)模不等、分布范圍不明的采空區(qū)，工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜(1)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，濟(jì)南市鋼城區(qū)某項目綜合地球物理勘察工作報告，2020年11月。，這不僅威脅當(dāng)?shù)厝嗣裆拓敭a(chǎn)安全，同時又制約了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[8-9]。因此，探明采空區(qū)位置、深度及范圍，及時采取措施進(jìn)行治理、消除安全隱患，對工程建設(shè)具有重要意義[10]。利用鉆探方法為主進(jìn)行采空區(qū)勘察具有直觀的優(yōu)點，但投入工作量大、效率低。而物探方法具有快速、無損探測等優(yōu)勢而得到廣泛推廣[11]。利用多種成熟的物探方法進(jìn)行采空區(qū)勘察不僅可以克服單一物探方法本身的缺陷，相比新型物探技術(shù)具有更好的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適宜性，可以在實際生產(chǎn)活動中廣泛應(yīng)用[12-15]。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)屬華北板塊(Ⅰ)、魯西地塊(Ⅱ)、魯中隆塊(Ⅲ)，涉及新甫山凸起-泰安凹陷-魯山凸起(Ⅳ)等四級構(gòu)造單元。本區(qū)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，主要有銅冶店-孫祖斷裂、興隆山-高峪鋪斷裂、清泥溝斷裂，各斷裂距離研究區(qū)2～4km。

研究區(qū)內(nèi)地層傾向NE(22°～36°)，傾角19°～24°，地層由老到新分布馬家溝群八陡組石灰?guī)r段灰?guī)r、白云巖及生物碎屑灰?guī)r，石炭-二疊紀(jì)月門溝群本溪組砂質(zhì)泥巖、太原組中細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖、頁巖，第四紀(jì)沂河組粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土等。

1.2 研究區(qū)煤層開采情況及現(xiàn)狀

研究區(qū)位于原黃莊煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)，揭露的煤層有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層煤，其中可采煤層分別為7煤層、8煤層、18煤層、19煤層，主要開采煤層為18煤、19煤，煤層走向NW，傾向E，煤層厚度1.0～1.6m。礦石特征為肥煤、天然焦。

研究區(qū)南部開采較早，開采時間為1980—1990年，開采深度75～200m，頂板埋深厚度80～200m，煤厚1.0～1.5m。北部開采時間稍晚，開采時間為1987—1994年，開采深度100～150m，頂板埋深120～170m，煤厚約0.9～1.55m。1994年黃莊煤礦關(guān)停，之后未再進(jìn)行開采活動。

根據(jù)調(diào)查走訪結(jié)果，自1958年以來，研究區(qū)及周邊地區(qū)進(jìn)行了多次煤礦綜合普查、水文地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測評價、采煤塌陷研究等工作，查明了淺部煤系、煤層延伸、賦存的情況，詳細(xì)論述了水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件，基本摸清了煤礦采空區(qū)的分布范圍(圖1)。

1—建筑紅線(勘察范圍)；2—河流；3—建筑物輪廓線；4—采空區(qū)及巷道圖1 黃莊煤礦采煤區(qū)域圖

研究區(qū)東部北側(cè)現(xiàn)狀為原黃莊煤礦家屬居住區(qū)，南側(cè)現(xiàn)狀為鋼城區(qū)丈八邱村散落的民房、樹林，中部現(xiàn)狀為丈八邱村民居住區(qū)，西部為某林業(yè)公司大院。原黃莊煤礦廢棄井口及巷道、矸石山擋土墻、北部建于2011—2013年的沿街四層商鋪、采空區(qū)建設(shè)于2000年后的民房，均未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象；采空區(qū)內(nèi)建于2000年前的房屋，部分房屋出現(xiàn)了裂縫，且不再發(fā)展。研究區(qū)內(nèi)未發(fā)生過地面塌陷、地裂縫，未發(fā)生過大規(guī)模的地面沉降及建筑變形。

1.3 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

野外勘察期間僅測得松散巖類孔隙水的埋深，穩(wěn)定水位埋深為2.60～4.30m，平均3.06m，相應(yīng)水位標(biāo)高為266.09～266.72m，平均266.43m。

2 物探方法選擇及工作布置

2.1 物探方法選擇

瞬變電磁法以圍巖與采空區(qū)之間存在電阻率差異為基礎(chǔ)，利用采空區(qū)電阻率異常在電阻率等值線上的起伏變化，確定采空區(qū)分布[16-17]。根據(jù)搜集的資料，研究區(qū)內(nèi)黏土、泥巖、砂巖、灰?guī)r、煤層及采空區(qū)之間視電阻率值(表1)具有明顯差異，具備開展瞬變電磁勘探的條件。

表1 地層的視電阻率參數(shù)表

淺層反射波法地震勘探是利用人工激發(fā)的彈性波在地殼內(nèi)傳播，當(dāng)遇到地層界面或構(gòu)造界面，會對地震波產(chǎn)生反射作用[18]，利用采空區(qū)域因地震波強(qiáng)烈的吸收和散射產(chǎn)生的異常反應(yīng)，來判斷采空區(qū)分布[19]?？辈靺^(qū)范圍內(nèi)地層主要由第四系沉積巖、石炭—二疊紀(jì)砂泥巖、粉砂巖、頁巖以及馬家溝群八陡組灰?guī)r組成，各地層之間存在明顯的密度差異，而區(qū)內(nèi)主采煤層與圍巖的波阻抗差異較大，易形成良好的反射界面，這些特性為淺層反射波法地震勘探方法提供了有利的物理前提和應(yīng)用條件。

微動勘探技術(shù)是利用微動信號提取面波的頻散曲線，通過反演獲取速度結(jié)構(gòu)信息的勘探方法[20]。利用天然場微動信號，不受電磁干擾，不對環(huán)境產(chǎn)生影響，具有簡便、快捷、對環(huán)境無特殊要求的特點[21]。本次研究的場地位于市區(qū)，周圍存在著較多干擾因素，利用微動勘探技術(shù)具有較大優(yōu)勢。

綜上所述，本次研究采用瞬變電磁法、淺層反射波法地震勘探和微動勘探3種方法相結(jié)合的綜合物探方法，對研究區(qū)內(nèi)采空區(qū)的分布位置、深度進(jìn)行研究。

2.2 工作布置及質(zhì)量

前期收集資料及地面調(diào)查結(jié)果顯示，研究區(qū)采空區(qū)主要分布于中部及東北部，巖層走向為NE向，傾角16°～23°，結(jié)合規(guī)范要求[22-23]對物探工作進(jìn)行布置。共布置淺層地震勘探測線14條，瞬變電磁勘探測線9條，微動物探測線6條，質(zhì)量均滿足規(guī)范技術(shù)要求(表2)。

表2 研究工作量及質(zhì)檢統(tǒng)計表

3 資料解譯與分析

淺層反射地震勘探結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)貙舆B續(xù)時，地層反射具有較強(qiáng)的反射能量，當(dāng)反射波同相軸數(shù)量發(fā)生變化，出現(xiàn)不連續(xù)、空白信號及信號凌亂現(xiàn)象時，可推斷為異常區(qū)域(表3)。通過對14條地震測線解譯，結(jié)合前期收集的資料，推斷物探異常區(qū)域主要位于研究區(qū)的中部和東北部，中部為斷裂，東北部為煤礦采空區(qū)，層數(shù)1～2層，深度88.8～169.7m。代表性地震測線綜合解譯剖面圖(圖2)。

表3 物探剖面異常統(tǒng)計表

圖2 地震測線綜合解譯剖面圖(D5)

瞬變電磁勘探結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)貙舆B續(xù)平穩(wěn)時，斷面電阻率值整體表現(xiàn)一定的規(guī)律性，當(dāng)部分區(qū)段出現(xiàn)明顯電阻率異常時，可推斷為異常區(qū)。通過對9條地震測線解譯，結(jié)合前期收集的資料，物探異常區(qū)域主要位于研究區(qū)東北部、中部和東南部，推斷中部異常區(qū)由斷裂造成，東南部異常區(qū)由斷裂或干擾造成，東北部異常區(qū)為煤礦采空區(qū)，層數(shù)1層，深度80.0～170.0m。代表性瞬變電磁剖面電阻率等值線斷面圖(圖3)。

圖3 瞬變電磁剖面電阻率等值線斷面圖(S7)

微動勘探結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)貙舆B續(xù)平穩(wěn)時，剪切波速度由淺部至深部大致呈遞增趨勢，表現(xiàn)層狀特征，當(dāng)出現(xiàn)明顯低速異常時，可推斷為異常區(qū)，然后再根據(jù)異常區(qū)形態(tài)特征進(jìn)一步判斷異常類型。通過對6條微動測線解譯，結(jié)合前期收集的資料，物探異常區(qū)域主要位于研究區(qū)西部及中部，推斷西部異常區(qū)由斷裂造成，中部異常區(qū)由溶洞造成。代表性微動測線剪切波速等值線剖面圖(圖4)。

圖4 微動測線剪切波速等值線剖面圖(W4)

經(jīng)過對3種方法所得結(jié)果的解譯，29條物探剖面共有32處表現(xiàn)異常(表3)。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及黃莊煤礦采煤區(qū)域顯示的采空區(qū)范圍，綜合推斷解譯斷裂構(gòu)造3條，編號F1、F2和F3，圈定平面異常區(qū)2處，編號Y1和Y2。其中Y1位于研究區(qū)中部，整體走向近EW，長約300m，最寬處約60m；Y2位于研究區(qū)東北部，橢球狀，整體走向近EW，長約320m，最寬處約120m。采空區(qū)埋深約70～150m，且呈現(xiàn)由西南到東北逐漸增大的特點。

4 采空區(qū)鉆探驗證

根據(jù)物探異常情況，在研究區(qū)內(nèi)共布置鉆探驗證孔39個，均布置在物探異常區(qū)域和建筑物輪廓線范圍內(nèi)(圖5)，全孔取芯，孔深107.00～211.00m。經(jīng)驗證，共有29個鉆孔在鉆探過程中出現(xiàn)漏水、卡鉆、跳鉆及掉鉆等現(xiàn)象，通過鉆孔電視驗證及鉆探異常地層上下頂板巖性判斷，鉆孔內(nèi)存在空洞，屬于采空區(qū)范圍。

1—瞬變電磁勘探測線點；2—淺層地震勘探測線點；3—微動勘探測線點；4—淺層地震勘探推斷斷裂位置；5—瞬變電磁勘探推斷斷裂位置；6—微動勘探推斷斷裂位置；7—淺層地震勘探推斷異常；8—瞬變電磁勘探推斷異常；9—微動勘探推斷異常；10—淺層地震勘探推斷采空區(qū)；11—瞬變電磁勘探推斷采空區(qū)；12—微動勘探推斷采空區(qū)；13—推斷斷層及編號；14—研究區(qū)范圍圖5 物探剖面布置及解譯平面圖

5 結(jié)論

(1)采用以物探手段為主、鉆探手段為輔的技術(shù)方法進(jìn)行煤礦采空區(qū)勘察，不僅避免了大規(guī)模鉆探施工對研究區(qū)地表及地下的破壞擾動，而且節(jié)約了工作成本和時間，提高了工作效率。

(2)通過前期資料搜集和現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)研究區(qū)實際情況選擇了瞬變電磁法、淺層反射波法地震勘探和微動勘探3種物探手段，確定了研究區(qū)內(nèi)采空區(qū)主要分布于中部和東北部，近橢圓狀，埋深70～150m。

(3)利用綜合物探方法克服了采用單一物探手段因干擾因素多、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜等造成精度和符合性低的不足，經(jīng)鉆探驗證，圈定的采空區(qū)基本符合實際情況，探測結(jié)果可靠性高。