張立川, 葉俊麟

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院, 山東兗州 272100；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽淮南 232001）

當(dāng)位于地面以下的煤礦或粘土礦開采之后, 采空區(qū)上部地層由于缺乏支撐, 在重力作用下往下垮塌, 發(fā)展到地表形成地面塌陷。在采空塌陷易發(fā)區(qū)確定采空區(qū)的空間分布形態(tài)是開展地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估和保障后期項(xiàng)目安全建設(shè)的前提條件。對于探測深度在100m以內(nèi)的采空區(qū), 物探比其它方法（如鉆探等）具有更經(jīng)濟(jì)、高效和信息豐富的特點(diǎn), 其探測的精度也能滿足地災(zāi)評估及項(xiàng)目建設(shè)的基本需求, 是采空區(qū)探測的重要手段, 也有許多成功的案例[1-8], 常用的物探方法有高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震法、CSAMT, 其中高密度電阻率法則是探測采空區(qū)中較為有效便利的方法之一, 具有數(shù)據(jù)采集密集、生產(chǎn)效率高、觀測精度高和分辨率高的特點(diǎn)[9], 一次布極可以完成縱、橫向二維勘探過程, 既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化, 同時(shí)又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況, 具備電剖面法和電測深法兩種方法的綜合探測能力[10]。以往在本區(qū)的研究主要側(cè)重于煤礦閉坑后的地下水串層污染問題[11-12], 關(guān)于在淄博煤田使用物探方法進(jìn)行采空區(qū)探測的文獻(xiàn)資料較少, 本文擬通過在淄博煤田邊緣使用高密度電法探測采空區(qū)的工程實(shí)例, 說明該方法在本區(qū)采空區(qū)探測中的適用性并對勘探結(jié)果進(jìn)行分析評述。

1 項(xiàng)目實(shí)施背景

淄博煤田位于淄博市境內(nèi), 煤田面積1593.8km2, 開采時(shí)間較早, 由于資源枯竭, 大多數(shù)礦井已閉坑。研究區(qū)處于淄博煤田東南邊緣, 采空區(qū)的特點(diǎn)是埋藏深度?。ㄉ踔脸雎叮? 歷史上小煤窯分布多, 老采空區(qū)分布位置不詳。研究區(qū)地處淄博煤田寨里煤礦東南邊界, 處于部分煤層的露頭區(qū), 煤系地層埋深較淺, 歷史上曾有寨里煤礦、村辦小煤窯、民辦粘土礦開采等復(fù)雜的采礦活動。目前研究區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源枯竭, 煤礦及粘土礦均已閉坑, 可收集利用的采空區(qū)資料較少, 雖經(jīng)多年的地面平整, 仍在局部出現(xiàn)輕微塌陷。區(qū)內(nèi)的采空區(qū)分布形態(tài)不詳, 給項(xiàng)目建設(shè)帶來潛在威脅, 必須采取有效方法, 查明研究區(qū)內(nèi)的采空區(qū)分布范圍。

2 地質(zhì)及采礦概況

2.1 地質(zhì)條件

研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬華北板塊（Ⅰ）、魯西隆起區(qū)（Ⅱ）、魯中隆起（Ⅲ）、魯山—鄒平斷隆（Ⅳ）、博山凸起（Ⅴ）構(gòu)造單元內(nèi)。地層屬華北—柴達(dá)木地層大區(qū)華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)。處于淄博煤田東南邊緣, 由老到新發(fā)育有奧陶系、石炭—二疊系和第四系, 巖層產(chǎn)狀：傾向320°～330°, 傾角8°～10°。對各地層簡述如下：

（1）奧陶系（O）。研究區(qū)內(nèi)主要埋藏于石炭—二疊系之下, 巖性主要為中厚—厚層的灰?guī)r和白云巖?？偤?87～748m。

（2）石炭—二疊系（C-P）。研究區(qū)由老到新發(fā)育有本溪組（C2b）和太原組(C2P1t), 山西組（P1-2）在區(qū)內(nèi)不發(fā)育。

本溪組（C2b）：在研究區(qū)內(nèi)埋藏于太原組之下。巖性以黃色砂巖, 紫色、黃綠色泥巖、頁巖為主。厚約40m。

太原組（C2P1t）：在研究區(qū)廣泛分布, 局部出露。為海陸交互相含煤地層, 巖性以炭質(zhì)頁巖和砂質(zhì)頁巖為主。含十層煤, 其中10-2、3煤層為研究區(qū)所在的寨里煤礦主采煤層, 煤層厚1.5m左右。煤層上部還發(fā)育有厚1.7m左右的具備工業(yè)價(jià)值的粘土層。厚50～130m。

（3）第四系（Q）。區(qū)內(nèi)第四系厚0～15m, 巖性為棕黃色黃土狀砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土含礫石、夾砂、礫石層透鏡體, 礫石成分以灰?guī)r為主。

2.2 采礦活動

研究區(qū)內(nèi)主要分布的太原組含十層煤, 其主要可采煤層為10-2、3層, 其在研究區(qū)內(nèi)埋深5～125m, 厚0.6～1.50m, 該層煤曾于20世紀(jì)70年代以前由寨里煤礦開采, 存在一定范圍的采空區(qū)域。其次本區(qū)由于煤礦埋深較淺, 在歷史上一直存在小煤窯開展采煤活動, 其特點(diǎn)是手工作業(yè), 開采系統(tǒng)簡單, 不正規(guī), 無完整的地質(zhì)及采礦資料, 具有較大的隨意性[1], 因此, 在區(qū)域內(nèi)也有可能存在因小煤窯采礦而形成的采空區(qū)。此外, 本區(qū)是建材生產(chǎn)基地, 在太原組地層中還賦存一層具有開采利用價(jià)值的粘土礦, 曾設(shè)立過粘土礦采礦權(quán), 根據(jù)收集到的粘土礦資料, 粘土礦開采深度在25～55m之間, 厚度較為穩(wěn)定, 約1.7m, 開采時(shí)巷道高度約2m。粘土礦已于2010年關(guān)閉, 采空區(qū)未充填。

在上述三種類型的采空區(qū)中, 寨里煤礦開采的10-2、3層煤的采空區(qū)域和粘土礦采空區(qū)域?yàn)橐阎煽諈^(qū)（圖1）, 小煤窯或粘土礦采礦形成的采空區(qū)則無資料可查, 因此需要開展物探工作探測采空區(qū)分布范圍。

3 地球物理特征

經(jīng)過收集相關(guān)資料及現(xiàn)場調(diào)查, 分析認(rèn)為本區(qū)具備利用高密度電法探測采空區(qū)及已塌陷區(qū)的地球物理前提條件, 主要依據(jù)如下：

（1）本區(qū)第四系巖性以黃土狀砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土含礫石、夾砂、礫石層透鏡體為主, 其電阻率一般在8～70Ω·m之間, 當(dāng)粘土含量較多時(shí), 電阻率一般小于20Ω·m, 含礫石成分較多時(shí), 電阻率稍高。

（2）太原組中的采空區(qū)圍巖巖性主要為炭質(zhì)頁巖和砂質(zhì)頁巖, 根據(jù)以往本區(qū)工作成果, 其電阻率一般在60～300Ω·m之間, 地層電阻率的大小與巖石的泥質(zhì)含量、裂隙發(fā)育程度及其充填介質(zhì)密切相關(guān), 頁巖隨著泥質(zhì)含量的增加, 電阻率將逐漸降低。

根據(jù)區(qū)內(nèi)主要巖石標(biāo)本測試資料及部分鉆孔電測井資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 結(jié)合區(qū)域物性資料對比分析, 本區(qū)主要地層電性特征見表1。

表1 研究區(qū)主要地層電性參數(shù)一覽表

（3）由于石炭—二疊系巖層特別是粘土礦頂?shù)讕r層透水性差, 在粘土礦順地層傾向開采后, 由于采空區(qū)分布高度的不同, 地勢低處的采空區(qū)可能積水, 形成低阻區(qū)域, 再疊加上采空塌陷后泥巖的濕潤, 會使一定范圍呈現(xiàn)低阻特征；而地勢較高的采空區(qū), 相對干燥, 未被水充填, 則會體現(xiàn)出高阻特征。因此采空區(qū)相對于圍巖的高、低阻特征響應(yīng), 均可作為劃分、解釋的前提條件。

根據(jù)上述分析, 本研究區(qū)具有較為良好的以電阻率差異特征為主的地球物理前提條件, 因此采用了以陣列式采集數(shù)據(jù)的高密度電阻率法進(jìn)行采空區(qū)的探測工作。

4 工作布置及參數(shù)選擇

本區(qū)地層走向?yàn)镹E或NEE, 結(jié)合研究區(qū)地形地貌條件及研究的目的, 在研究區(qū)內(nèi)布置10條高密度電法測線, 各測線長度約595m, 測點(diǎn)距（電極間距）5m。測點(diǎn)坐標(biāo)采用GPS定位控制, 測線間距30～100m不等, 其余相關(guān)測地工作滿足技術(shù)規(guī)范要求。高密度電法測線布置見圖2。

野外數(shù)據(jù)采集使用的儀器是重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)和120道電極轉(zhuǎn)換系統(tǒng), 供電電源為3kW發(fā)電機(jī)及整流源。通過現(xiàn)場試驗(yàn), 確定采用溫納裝置進(jìn)行測量, 其電極間距為5m, 每條測線布置120個(gè)電極, 掃描隔離系數(shù)1～32, 供電時(shí)間為5s。

5 數(shù)據(jù)處理及解釋

高密度電法為二維電阻率斷面測量, 實(shí)測數(shù)據(jù)處理的主要過程是通過RES2DINV系統(tǒng)最小二乘法的迭代反演處理, 根據(jù)反演的地層電阻率進(jìn)行成像是進(jìn)行資料解釋的主要依據(jù)。資料解釋遵循從已知到未知、從定性到定量的原則進(jìn)行。對數(shù)據(jù)利用最小二乘法迭代反演后, 101線第6次迭代時(shí)均方根誤差為2.2%, 102線第5次迭代時(shí)均方根誤差為2.6%, 反演結(jié)果精確, 可作為解釋的依據(jù)。

（1）101線。101測線近北西—南東方向布置, 全線長595m, 117個(gè)測點(diǎn), 由反演電阻率剖面可見（圖3）, 地層電阻率沿測線方向變化較平緩, 沿深度方向總體變化較大。近地表層為主要低阻層, 且厚度分布不均。0～80m地層電阻率一般在8.2～23.8Ω·m, 厚度5～18m, 主要反映為第四系粘土、砂質(zhì)粘土的分布；80～400m之間, 厚度5～20m, 地層電阻率一般不大于40.5Ω·m, 主要表現(xiàn)為第四系粘土夾礫石的電性特征。在370～420m之間, 標(biāo)記為1號異常, 該異常封閉, 電阻率大于339Ω·m, 埋深25m左右, 推斷為采空區(qū)。在1號高阻區(qū)東部的440～470m之間存在一個(gè)低阻區(qū), 該低阻區(qū)域與收集到的粘土礦采空區(qū)域的深度和位置較對應(yīng), 應(yīng)為粘土礦采空以后導(dǎo)致上覆巖層松動使巖層裂隙吸水增加, 同時(shí)采空區(qū)被水和泥質(zhì)充填形成低阻區(qū)。

圖3 101線反演模型電阻率剖面

（2）102線。102測線布置方向與101測線相同, 并與101測線300～595m大致重疊, 全線長595m, 117個(gè)測點(diǎn), 由反演模型電阻率剖面可見（圖4）, 地層電阻率沿測線方向變化較平緩, 沿深度方向總體變化較大。在160～240m之間存在一個(gè)低阻區(qū), 該低阻區(qū)與101線440～470m之間的低阻區(qū)相互對應(yīng)驗(yàn)證, 結(jié)合粘土礦提供的采空區(qū)分布范圍, 認(rèn)為該低阻區(qū)與粘土礦采空區(qū)分布位置對應(yīng), 但粘土礦提供的采空區(qū)范圍不全, 結(jié)合其巷道分布情況, 推測采空區(qū)范圍應(yīng)向東擴(kuò)大到102測線240m點(diǎn)附近。在280～340m之間存在一個(gè)高阻區(qū), 標(biāo)記為2號, 埋深約為30m, 該異常未封閉, 推斷該高阻區(qū)為采空區(qū)。在400～480m之間存在一個(gè)高阻區(qū), 標(biāo)記為2-1號, 埋深約為25m, 推斷該高阻區(qū)為采空區(qū)。

圖4 102線反演模型電阻率剖面

6 結(jié)論

本次研究采用高密度電阻率法勘察淄博煤田邊緣采空區(qū), 取得了一定的效果, 主要得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）高密度電阻率法具有數(shù)據(jù)采集密集、生產(chǎn)效率高、觀測精度高和分辨率高的特點(diǎn), 采用該方法在研究區(qū)進(jìn)行采空區(qū)探測, 取得了良好的探測效果, 為在淄博煤田邊緣地區(qū)開展采空區(qū)探測提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

（2）從實(shí)際測量結(jié)果與收集到的已有采空區(qū)對比可知, 低阻異常與高阻異常均為采空區(qū)的響應(yīng)特征, 具體可根據(jù)采空層位頂?shù)讎鷰r透水性, 分析采空區(qū)是否積水, 再依據(jù)低阻和高阻區(qū)分布情況確定未知采空區(qū)的位置。

（3）高密度電阻率法是一種間接探測采空區(qū)的手段, 具有多解性, 它可以定性判定采空區(qū)是否存在、是否充水, 但定量解釋還需要結(jié)合已取得的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋。