王東琴

(西山煤電集團 資源地質(zhì)部， 山西 太原 030053)

西山煤電集團所屬生產(chǎn)礦井由于部分采區(qū)煤層埋藏較淺，甚至出露地表，周邊小窯分布多，礦井內(nèi)部分工作面或與小窯貫通、或位于小窯破壞區(qū)附近。汛期時，地面積水經(jīng)常導(dǎo)致淺埋藏小窯破壞區(qū)塌陷，地表水通過塌陷坑灌入小窯后集聚，小窯老空水及地表水嚴重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。西山礦區(qū)小窯采煤活動具有隨機性的特點：小窯破壞范圍沒有規(guī)律，破壞區(qū)大小不一深淺不一，有的小窯老空區(qū)甚至位于河床底下，埋深幾米到幾十米均有。同時，小窯幾乎沒有準確圖紙保留，部分年代久遠的廢棄小窯在地表發(fā)生一定變化后，小窯采掘活動的痕跡被全部破壞掩蓋。

目前淺部采空區(qū)，特別是淺部不含水采空區(qū)的分布范圍，由于過水溝谷區(qū)采空區(qū)的地球物理特征不明顯，采空區(qū)巷道規(guī)模小，易遺漏,且沒有一套成熟技術(shù)可供參考。為此，針對小窯老空分布情況，計劃在西銘礦冀家溝谷內(nèi)煤層淺埋區(qū)、煤層露頭附近小窯破壞區(qū)進行探測研究，解決淺埋藏小窯破壞區(qū)探測難、探測精度不高的問題，掌握一套相互配合相互印證的探測小窯破壞區(qū)的綜合物探勘查技術(shù)，為以后的淺埋區(qū)小窯破壞區(qū)調(diào)查與治理工作提供科學依據(jù)和地質(zhì)基礎(chǔ)。

1 探測方法

選擇西銘礦冀家溝谷內(nèi)煤層淺埋區(qū)、煤層露頭附近小窯破壞區(qū)作為試驗區(qū)進行探測研究。通過現(xiàn)場踏勘了解工區(qū)實際地形地質(zhì)條件，確定采用超高密度電法、地質(zhì)雷達、微重力法的綜合物探探測技術(shù)。通過對以往采空區(qū)探測的技術(shù)經(jīng)驗建立初步地質(zhì)模型，并在現(xiàn)場開展試驗工作，進行初步解譯后，運用鉆探驗證手段進行技術(shù)驗證。鉆探技術(shù)驗證主要是針對綜合物探初步解譯成果，進一步優(yōu)化地質(zhì)解釋模型及技術(shù)處理方法，最終形成一套適合于探測過水溝谷附近淺埋小窯破壞區(qū)的綜合探測方法及處理解釋方法。

2 實 施

2.1 測線布置

測線布置選擇在冀家溝土圈頭村附近，測區(qū)控制范圍為300 m×80 m. 高密度測線長度為500 m(控制范圍兩側(cè)各延長100 m)，按20 m線距，1 m點距進行布置。微重力法測線長度為300 m，按10 m線距，5 m點距進行布置。地質(zhì)雷達測線布置按有利于雷達工作的方式，沿溝谷區(qū)域選擇地形變化落差較小區(qū)域進行布置，共布置測線2條，每條測線長度300 m，見圖1.

圖1 西銘礦冀家溝淺埋小窯采空破壞區(qū)現(xiàn)場工程布置圖

2.2 超高密度電法探測

7號煤層分別采用施貝裝置與溫納裝置，等視電阻率平面圖見圖2，圖3. 圖中虛線填充的范圍為推斷解釋疑似采空區(qū)異常，兩種裝置得到的異常范圍及分布位置較為吻合，起到相互印證的效果。測區(qū)大里程方向異常區(qū)沿煤層露頭位置大范圍展布，小里程方向異常區(qū)從煤層露頭位置向深部延伸，整個測區(qū)范圍采空異常范圍較大，與臨近巷道相接。

圖2 施貝裝置7號煤層等視電阻率平面圖

圖3 溫納裝置7號煤層等視電阻率平面圖

8號煤層分別采用施貝裝置與溫納裝置,等視電阻率平面圖見圖4，圖5. 圖中虛線填充的范圍為推斷解釋疑似采空區(qū)異常，從整體趨勢上看，兩種裝置得到的等視電阻率平面圖的整體形態(tài)及視電阻率值的大小較為接近，主要區(qū)別在測區(qū)中部的相對中低阻異常區(qū)。施貝裝置無此異常區(qū);但溫納裝置卻有一明顯相對中低阻異常區(qū)，推測該區(qū)域存在多層重疊采空區(qū)的可能性較大，而施貝裝置在該區(qū)域小里程方向的中低阻異常區(qū)不排除為與溫納裝置上述異常相關(guān)的異常區(qū)域，主要需要驗證是多層重疊采空區(qū)或是臨近同一層煤的采空區(qū)，但根據(jù)現(xiàn)有資料情況推斷為多層煤的重疊采空區(qū)可能性更大。

圖4 施貝裝置8號煤層等視電阻率平面圖

圖5 溫納裝置8號煤層等視電阻率平面圖

2.3 地質(zhì)雷達探測

西銘礦探地雷達剖面解釋示意圖見圖6，在 L1線樁號20—60深度0～15 m處，雷達波形連續(xù)性發(fā)生變化，與兩側(cè)有明顯差異，并且有一定的弧形顯示，推測此處為空洞異常；樁號260—290深度0～15 m處，雷達波形紊亂，振幅增強，推測此處為空洞異常。

由圖6可以看出，在 L2線樁號130—180深度5～20 m處，雷達波形存在連續(xù)的強反射界面，推測此處為空洞異常;樁號270—300深度0～20 m處，雷達波形紊亂，同旁邊波形對比差異明顯，推測此處為松散堆積，密實度較差。

圖6 西銘礦探地雷達剖面解釋示意圖

雷達正演模擬中，空洞反射圓弧反射信號清晰可見，且呈雙曲線反射弧或者可解釋為多個強反射。但是在實際的空洞形態(tài)、性質(zhì)較復(fù)雜，空洞發(fā)育形態(tài)是變化多樣的，有圓形、方形等?？斩磧?nèi)部有充水、充淤的情況，有全充和局部充填狀態(tài)及干空洞之分，在應(yīng)用正演模擬成果時一定要結(jié)合實際情況。而正演模擬的主要還是側(cè)幫的響應(yīng)效果，對于其它方向探測方式也有著一定的借鑒意義，呈現(xiàn)出強反射的邊界特征。西銘礦探地雷達解釋平面示意圖見圖7.

圖7 西銘礦探地雷達解釋平面示意圖

2.4 微重力法探測

西銘礦試驗區(qū)剩余重力異常平面圖和布格重力異常平面圖見圖8，圖9. 對比兩張圖上的重力負異常區(qū)，主要有3個區(qū)域，即7號煤層露頭線西北側(cè)一個，露頭線東南側(cè)兩個。露頭線東南側(cè)的兩個負異常區(qū)在兩張重力異常平面圖上的位置范圍較為一致，而西北側(cè)異常區(qū)布格重力異常較剩余異常平面圖上的異常范圍較小。整體而言重力異常平面圖上的采空異常區(qū)與高密度電法7號煤采空異常區(qū)具有一定的可對比性。西北側(cè)異常區(qū)兩種方法較為吻合，均為沿煤層露頭分布。露頭線東南側(cè)的第一個異常兩種方法也較為吻合，均表現(xiàn)為測區(qū)右側(cè)異常幅值明顯強于左側(cè)。東南側(cè)第二個異常區(qū)兩者存在一定區(qū)別。主要表現(xiàn)為異常重力異常區(qū)主異常在測區(qū)左右兩側(cè)，而高密度電法主異常在測區(qū)中部。

圖8 西銘礦試驗區(qū)剩余重力異常平面圖

圖9 西銘礦試驗區(qū)布格重力異常平面圖

2.5 綜合物探初步解釋成果

結(jié)合以上3種物探綜合分析，7號煤層綜合物探成果見圖10，圖中斜線充填區(qū)域為綜合物探解釋 7號煤層綜合采空區(qū)，該圖是以高密度電法施貝裝置探測成果為主，結(jié)合重力探測結(jié)果進行了采空區(qū)范圍圈定，并與高密度溫納裝置探測成果進行了對比，最后采用地質(zhì)雷達進行驗證。綜合解釋成果表明，測區(qū)范圍內(nèi)7號煤層采空現(xiàn)象嚴重，測區(qū)北部采空區(qū)主要為沿露頭向煤層延伸，測區(qū)南部采空區(qū)范圍較大，采空區(qū)構(gòu)成更加復(fù)雜，僅在測區(qū)中間測線小里程到中里程段有未采空區(qū)域，且該區(qū)域采空區(qū)有向兩側(cè)山體延伸的趨勢，但中間存在通道相連。

圖10 西銘礦7號煤層綜合物探解釋成果圖

8號煤層綜合物探成果見圖11，圖中斜線充填區(qū)域為綜合物探解釋8號煤層采空區(qū)，該圖是以高密度電法溫納裝置探測成果作為主要解釋依據(jù)，結(jié)合施貝裝置探測成果，部分區(qū)域參考了重力探測結(jié)果進行采空區(qū)范圍圈定。綜合解釋成果表明，測區(qū)范圍內(nèi)8號煤層采空現(xiàn)象較為嚴重，大部分為采空區(qū)域，未采空區(qū)域主要分布在測區(qū)中部范圍內(nèi)。

圖11 西銘礦8號煤層綜合物探解釋成果圖

2.6 鉆孔驗證

通過對物探資料的綜合解釋，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，圈定了鉆孔位置及數(shù)量。驗證鉆孔在物探綜合解釋成果圖中的位置示意圖，見圖12. 西銘礦1號孔布置在物探圈定的采空區(qū)范圍以內(nèi)，而2號孔布置在7號煤層和8號煤層物探圈定的采空區(qū)范圍以外。根據(jù)實際鉆孔揭露，1號孔孔深45 m,在9.8～10.1 m見7號煤層實體煤，在26.4～28.00 m為8煤層采空區(qū)，2號孔孔深60 m,在17.4～19.1 m見7號煤層實體煤，在28.8～30.0 m見8號煤層實體煤。同物探綜合解釋成果吻合，證明了物探綜合解釋成果的可靠性。

圖12 驗證鉆孔在物探綜合解釋成果圖中的位置示意圖

2.7 綜合物探二次解釋成果

在之前綜合解釋成果基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆探驗證情況，并適當參考高密度電法、重力探測和地質(zhì)雷達解釋成果，最終形成西銘礦7、8號煤層綜合物探二次解釋成果。

西銘礦7號煤層二次解釋綜合成果圖見圖13，圖中填充區(qū)域為7號煤層二次解釋綜合采空區(qū)，由于1號鉆孔沒有探測到7號煤層采空區(qū)，所以解釋區(qū)域在該鉆孔附近進行了縮減。二次解釋成果表明，測區(qū)范圍內(nèi)7號煤層采空現(xiàn)象較嚴重，測區(qū)北部采空區(qū)主要沿露頭向煤層延伸，測區(qū)南部采空區(qū)范圍較大，采空區(qū)構(gòu)成更加復(fù)雜。僅在測區(qū)中間測線小里程到中里程段有未采空區(qū)域，且該區(qū)域采空區(qū)有向兩側(cè)山體延伸的趨勢，但中間存在通道相連。

圖13 西銘礦7號煤層綜合物探二次解釋成果圖

西銘礦8號煤層二次解釋綜合成果圖見圖14，圖中填充區(qū)域為8號煤層二次解釋綜合采空區(qū)。1號鉆孔在26.40～28.00 m 見8號煤層采空區(qū)，2號鉆孔17.40～19.10 m 見8號煤層，根據(jù)鉆孔驗證情況，對南部解釋區(qū)域進行縮減。

圖14 西銘礦8號煤層綜合物探二次解釋成果圖

3 結(jié) 論

在高密度電法中采用三維成像、渲染等技術(shù)，在空間上對電法數(shù)據(jù)進行分析處理，更好地展示勘探成果，也更有利于分析采空區(qū)空間分布情況以及裂隙導(dǎo)水帶等構(gòu)造的連通情況。利用重力在富水采空區(qū)表現(xiàn)出中等負異常形態(tài)，而充氣型表現(xiàn)出高負異常形態(tài)，有效彌補以往電法勘探中對于充氣型采空區(qū)難以分辨、難以解釋的問題。

在采空區(qū)充水狀態(tài)時，一般將高密度電法作為主要解釋依據(jù)。采空區(qū)為空洞、干燥型時，可以考慮將重力探測作為主要解釋依據(jù)。地質(zhì)雷達可以作為淺層采空區(qū)探測手段，作為高密度電法的重要補充。淺部(第一層)采空區(qū)采用施貝裝置好于溫納裝置效果，而對于多層采空區(qū)的情況下下伏采空區(qū)的解釋則采用溫納裝置效果更好。

針對溝谷淺埋藏小窯破壞區(qū)及采空破壞區(qū)采空范圍大、巷道規(guī)模小、隨機性大、地表地球物理干擾因素多等問題，利用綜合物探探查淺埋藏小窯破壞區(qū)，可以采用以高密度電法為主、微重力法和地質(zhì)雷達為輔，并結(jié)合鉆探驗證的方法，將有效預(yù)防礦井水害事故的發(fā)生，改變礦井防治水工作的被動局面，應(yīng)用前景十分廣闊。