徐坤，李欣睿，陳忍忍

(江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院，江蘇徐州 221000)

0 引言

徐州市曾是江蘇省重要的煤炭基地，由于地下煤炭長期開采造成地表塌陷形成大范圍的沉陷區(qū)。地表沉陷不但使可利用的土地面積減少、質(zhì)量退化，而且在一定程度上加劇了地、礦、人之間的矛盾，甚至引發(fā)一系列的社會問題，同時也給礦區(qū)和資源型城市在資源枯竭后的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展帶來很大的隱患[1-2]。

地質(zhì)雷達探測技術(shù)具有分辨率高、成果解釋可靠、應(yīng)用范圍廣、操作簡便和自動化程度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于淺地表地質(zhì)調(diào)查。隨著電子技術(shù)與數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)雷達的分辨率與探測深度大大提高。地質(zhì)雷達已在鐵路及城市地鐵系統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報、工程地質(zhì)勘察、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量檢測、考古、管線探測、公路工程質(zhì)量檢測等多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[3-7]。張遠博等運用地質(zhì)雷達在煤礦新、老采空區(qū)中進行特殊地質(zhì)探測，均獲得了較好的應(yīng)用效果[8-10]。

本文基于研究區(qū)已有的基礎(chǔ)地質(zhì)資料及煤礦開采資料，根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)況在斜井附近垂直布設(shè)6條測線，通過數(shù)據(jù)解譯確定異常區(qū)域，為下一步鉆探驗證提供依據(jù)。研究結(jié)果可為相似地質(zhì)條件下采空區(qū)治理提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 煤層特征

擬建場地及周邊區(qū)域內(nèi)煤層賦存于下石盒子組、山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，其展布形態(tài)與地層的構(gòu)造形態(tài)相類似，共含煤層21層，煤層總厚度6.68 m，其中可采、局部可采煤層4層，分別為3煤、7煤、20煤和21煤。擬建場地及周邊煤層特征分述如下。

下石盒子組3煤(夏橋系)。煤層厚度0～18.0 m，自北向南厚度變化為3.0～5.5 m，平均厚度4.0 m，為較穩(wěn)定煤層，全區(qū)可采，局部夾矸1～3層，夾矸厚度0.1～3.5 m，屬穩(wěn)定可采中厚煤層；擬建場地內(nèi)3煤傾角為40°～45°；煤層頂板為頁巖，厚度0～10.0 m，平均厚度3.0 m；煤層底板為頁巖，厚度0～8.0 m，平均厚度2.5 m。

山西組7煤(小湖系)。煤層厚度0～5.5 m，平均厚0.7 m，為較穩(wěn)定煤層，全區(qū)可采，局部夾矸1層，夾矸厚度0.2～3.5 m；煤層傾角為20°～30°；煤層頂板為砂質(zhì)頁巖，平均厚度2.0 m；煤層底板為頁巖，厚度0.5～2.0 m，平均厚度1.5 m。

太原組20煤(屯頭系)。煤層厚度0～1.4 m，平均厚度0.6 m，可采范圍平均厚度0.7 m，為較穩(wěn)定煤層，局部可采；煤層傾角為10°～20°；煤層頂板為灰?guī)r，平均厚度4.0 m；煤層底板為砂巖，平均厚度2.5 m。

太原組21煤(屯頭系)。煤層厚度0～1.1 m，平均厚度0.8 m，為較穩(wěn)定煤層；煤層傾角為10°～20°；煤層頂板為灰?guī)r，平均厚度12.0 m；煤層底板為頁巖，平均厚度2.5 m。

1.2 水文地質(zhì)特征

根據(jù)相關(guān)資料，擬建場地地下水分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、碎屑巖類裂隙水三類。相應(yīng)的含水巖組劃分為孔隙含水巖組、巖溶裂隙含水巖組、裂隙孔隙含水巖組三類。

1.2.1 松散層孔隙含水巖組(I)

本含水層主要是上覆土層，總厚度約20～25 m，巖性主要為粉土、黏性土。粉土結(jié)構(gòu)松散，透水性較好，黏性土透水性弱。

本含水層地下水主要為孔隙潛水，水質(zhì)、水量、水位受人類活動和水文氣象影響大。長期穩(wěn)定水位埋深0.5～1.5 m，近年最高水位埋深0.5 m，單井涌水量100～200 m3/d，為HCO3·Cl-Ca·Na型水，礦化度大于1 g/L。

1.2.2 碎屑巖類含水巖組(II)

本含水巖組為二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂巖、頁巖及山西組砂巖、頁巖裂隙孔隙水。富水性差，與裂隙巖溶水含水巖組相比，可視為相對隔水層。單井涌水量多小于100 m3/d，局部因受構(gòu)造影響或在導(dǎo)水?dāng)鄬痈浇?，富水性略有增強?/p>

1.2.3 碳酸鹽巖類含水巖組(III)

主要為石炭系太原組和馬家溝組裂隙巖溶水，代表巖性以灰?guī)r、白云巖為主，裂隙巖溶較發(fā)育，富水性較好，其中奧陶系馬家溝組灰?guī)r富水性最好。太原組灰?guī)r中裂隙局部較發(fā)育，且多為方解石充填，局部發(fā)育有小溶洞，其中四灰、十二灰厚度較大，分布穩(wěn)定，一般富水性較強，其余各層薄而穩(wěn)定性差，富水性相對較弱。

1.3 地球物理特征

如果煤層未被采動，地層一般具有成層性和完整性，在地球物理性質(zhì)上表現(xiàn)為橫向上的連續(xù)和縱向上的過渡，相同地層在小范圍內(nèi)沒有明顯電性差異。若煤層被采動，會產(chǎn)生自然的頂板冒落現(xiàn)象，一定范圍內(nèi)巖石松散垮落，繼而導(dǎo)致上覆地層整體相對均勻的沉降。當(dāng)煤層被無序開采保留煤柱較多時，會產(chǎn)生不均勻沉降。

采動后一般會造成地下出現(xiàn)兩種情況：一是采動區(qū)頂板垮落，采空區(qū)被坍塌物和空氣充填，無水或水量很少，這種情況下一般采空區(qū)反應(yīng)到物理參數(shù)為電阻率較圍巖高；二是采動區(qū)頂板垮落，采空區(qū)被坍塌物和水充填，由于水充填的緣故，將導(dǎo)致采空區(qū)的電阻率較圍巖低。結(jié)合已知的地質(zhì)資料、水文資料分析確定本測區(qū)采空區(qū)呈低電阻率。

2 地質(zhì)雷達探測

本次地質(zhì)雷達探測工作的內(nèi)容為查明煤礦斜井位置、走向及埋深等信息。

2.1 地質(zhì)雷達應(yīng)用前提

巖(土)層連續(xù)分布均勻，不存在空洞、斷裂及雜填等不均勻電性體時，電磁波在地層傳播過程中不會發(fā)生反射、繞射等現(xiàn)象，在雷達圖像上相應(yīng)區(qū)域反射波均勻，無雜亂回波存在。當(dāng)?shù)貙又写嬖诳斩椿驍嗔褬?gòu)造等地質(zhì)異常體時，該異常體與周圍穩(wěn)定地層之間存在明顯的電性差異，雷達波在遇到電性界面時會發(fā)生反射、繞射現(xiàn)象，雷達剖面上通常表現(xiàn)為不連續(xù)的雜亂反射波組、波振幅或頻率發(fā)生明顯變化及反射波相位反轉(zhuǎn)等特征。實際應(yīng)用中，煤礦斜井與周圍第四系土層存在明顯的介電常數(shù)差異，這為利用地質(zhì)雷達探測廢棄巷道提供了良好的地球物理前提。

2.2 觀測系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)本次探測的目的任務(wù)，在工程項目場地布置雷達測線6條，測線方向為近EW向，與推測巷道走向近垂直分布。測線詳細布置見表1。分別采用高分辨率的100 MHz屏蔽天線和大探測深度的40 MHz非屏蔽天線在場地的不同區(qū)段進行了探測，測點點距設(shè)計為10 cm。

表1 瓦莊煤礦斜井地質(zhì)雷達探測測線參數(shù)匯總表

3 結(jié)果及分析

本文采用儀器配套軟件RADAN7.0對野外數(shù)據(jù)進行了處理，主要包括拾取初至、道編輯、增益控制、濾波、速度分析及深度轉(zhuǎn)換等處理。最終獲取地質(zhì)雷達探測成果剖面，時深轉(zhuǎn)換的電磁波傳播速度為0.09 m/ns。

根據(jù)剖面成果圖(見圖1～6)，可得到每條測線的異常區(qū)分布情況。圖1中異常區(qū)橫向分布范圍12.0～16.0 m，埋深5.0～8.0 m；圖2中異常區(qū)橫向分布范圍10.0～13.5 m，埋深6.0～9.0 m；圖3中異常區(qū)橫向分布范圍9.0～13.0 m，埋深7.8～10.0 m；圖4中異常區(qū)橫向分布范圍11.5～14.0 m，埋深12.0～15.0 m；圖5中異常區(qū)橫向分布范圍12.0～14.0 m，埋深15.0～18.0 m。以上5處異常區(qū)的雷達反射波同相軸不連續(xù)或振幅、頻率變化較大，推測為地下斜巷的空間位置。圖6未見明顯異常區(qū)。

圖1 測線L1地質(zhì)雷達探測成果圖

圖2 測線L2地質(zhì)雷達探測成果圖

圖3 測線L3地質(zhì)雷達探測成果圖

圖5 測線L5地質(zhì)雷達探測成果圖

圖6 測線L6地質(zhì)雷達探測成果圖

4 結(jié)論

本文在對場地基礎(chǔ)地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)雷達對場地內(nèi)斜井分布進行探測，得出以下結(jié)論：

(1)老采空區(qū)斜井分布位置固定，但受多年人工及水文地質(zhì)變化影響存在不同程度地破損，是采空區(qū)治理的重點；

(2)運用地質(zhì)雷達能夠非常清晰地發(fā)現(xiàn)斜井破損區(qū)域空間分布情況，對其位置、空間大小均能清楚判定，結(jié)合后期鉆探結(jié)果可全面掌握；

(3)建議對老采空區(qū)斜井區(qū)域采用注漿處理方式。注漿區(qū)域可以在鉆探驗證的基礎(chǔ)上確定，注漿方式可以采用定向鉆注漿，注漿順序從低到高，確保注漿填充效果。