楊楠,曲澤良

(山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院,山東 濟(jì)南 250102)

0 引言

一直以來,煤炭都是中國的主要能源和重要戰(zhàn)略物資,2021年,傳統(tǒng)化石能源(石油、天然氣及煤炭等)占中國一次能源消費(fèi)比重高達(dá)83%,煤炭占比高達(dá)55%[1]。煤炭資源對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了不可替代的作用[1-3]。但在煤礦開采后形成了大量的煤礦采空區(qū),嚴(yán)重危及國家安全、群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全,而且使中心城區(qū)被限制在狹小的空間,嚴(yán)重限制了城市的布局發(fā)展。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市用地日趨緊張,城區(qū)面積急劇擴(kuò)張,原來的煤礦采空區(qū)可能成為未來的工程建設(shè)中心,工業(yè)與民用建筑工程建設(shè)已無法避讓煤礦采空區(qū)[4]。探明采空區(qū)位置、深度及范圍,及時(shí)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[5]。

目前采空區(qū)探測方法很多,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(diǎn),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)勢而得到廣泛應(yīng)用[6]。目前大埋深、大尺度充水采空區(qū)的探測方法較多,主要采用瞬變電磁法、2D或3D地震勘探、CSAMT、被動(dòng)源面波法及跨孔地球物理方法等[7-16]。

而采用地球物理方法探測淺地表小尺度非充水高阻采空區(qū)研究相對較少。本文針對小埋深、小尺度、非完全塌陷、非充水的空廢棄斜巷為研究對象,以高阻低介電常數(shù)的空巷道與圍巖存在明顯的物性差異為基礎(chǔ),運(yùn)用高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)綜合地球物理方法對采空區(qū)進(jìn)行勘察,取得了較好的應(yīng)用效果,利用多種成熟的物探方法進(jìn)行采空區(qū)勘察,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)性和適宜性特點(diǎn)[6]。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

本勘探場地下方分布的基巖為石炭系本溪組、太原組,二疊系山西組、下石盒子群、上石盒子群,上覆第四系松散土層。受采煤地面塌陷的影響,目前場地北部地面塌陷區(qū)域地面高程一般在29.5～30.5m,南部未塌陷區(qū)域地面高程一般在31.5～32.5m。擬建場地位于大吳背斜北翼,地層總體走向NW—SE,傾向NE,傾角35°～50°。場內(nèi)斷裂構(gòu)造主要為SE向的F13斷層,從場地中部通過,走向SE 20°,傾向NE,傾角75°～80°,落差150～250m,屬正斷層,區(qū)域長度3.2km。該斷層隱伏于第四系之下,為非全新活動(dòng)斷裂(圖1)。

1—用地范圍;2—3煤工作面;3—3煤下層煤工作面;4—3煤工作面編號及開采年代;5—3煤層頂標(biāo)高等值線;6—3煤煤巷;7—3煤巖巷;8—鉆孔;9—采煤立井;10—擬探測區(qū)域;11—斜井井口

勘探場地位于原瓦莊煤礦礦界內(nèi),擬建場地下方巷道分布極為復(fù)雜,根據(jù)資料及現(xiàn)場調(diào)查,擬探測廢棄斜巷呈直墻半圓拱形,漿砌石支護(hù),拱部噴漿支護(hù)。斜井曾發(fā)生過幾次冒頂事故,并于2003年9月在深度30m位置冒落到地表,形成塌陷坑,采用支護(hù)后回填處理。

1.2 地球物理場特征

完整的煤系地層具有典型的層狀結(jié)構(gòu),當(dāng)煤層開采形成采空區(qū)或巷道后,將形成局部的不連續(xù)異常結(jié)構(gòu)體,其原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)也將被破壞,上覆巖層在無支撐狀態(tài)或臨時(shí)支護(hù)逐漸失效過程中開始發(fā)生塌陷、冒落變形,從采空區(qū)的底板開始由下而上形成了冒落帶、裂隙帶和彎曲帶3個(gè)不同的變形單元[16],同時(shí)地層的電性將發(fā)生明顯變化。若以采空區(qū)圍巖地層為背景場,采空區(qū)充水則表現(xiàn)為低阻高介電常數(shù)特征,若采空區(qū)無水、少水、被干燥的冒落帶坍塌物或空氣充填,則高阻低介電常數(shù)特征明顯。結(jié)合已知的地質(zhì)資料分析,本次探測的廢棄巷道局部垮塌為非充水空洞,與圍巖相比表現(xiàn)為高阻電性特征。因此廢棄斜巷與周圍巖層存在明顯的電阻率差異,為利用高密度電法探測廢巷提供良好的地球物理前提[17]。

本次探測廢棄巷道埋深0～30m,屬于淺地表勘探。由地質(zhì)資料可知,廢棄巷道周圍為黏土層,相對介電常數(shù)15～30,如果巷道充水,介電常數(shù)會顯著增大,可達(dá)到50以上。如果巷道為空腔非充水狀態(tài),相對介電常數(shù)與空氣相同接近于1,加之巷道周圍的支護(hù)多為致密的硬度較大巖塊或混凝土,相對介電常數(shù)為8左右,因此無論是巷道周邊支護(hù)還是巷道空腔均與周圍的黏土地層的電性存在較大差異,為運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測空氣充填空腔狀廢棄巷道采空區(qū)奠定了理論基礎(chǔ)。

2 野外工作方法

本次探測目標(biāo)體為廢棄斜巷,埋深地表井口標(biāo)識位置沿巷道方向逐漸增加,斜巷截面積較小,為了達(dá)到理想的效果,擬采用小電極間距高密度電阻率法和高分辨分辨率的地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行綜合探測。

2.1 高密度電阻率法基本原理

高密度電阻率法原理與常規(guī)電阻率法相同。它利用地下介質(zhì)間的電性差異,通過供電電極A、B向地下供電流I,然后在M、N極間測量電位差ΔV,從而可求得該點(diǎn)(M、N之間)的視電阻率值(圖2)。根據(jù)實(shí)測的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算分析,便可獲得地層中的電阻率分布情況,從而可以劃分地層,確定異常地層等[18]。

圖2 電阻率法勘探原理示意圖

K為裝置系數(shù),是一個(gè)只與電極的空間位置有關(guān)的物理量[19]。

高密度電阻率法是將傳統(tǒng)的電測深法和電剖面法相結(jié)合,該方法擁有多裝置、多極距的特點(diǎn),所以一次布極,便可進(jìn)行多裝置數(shù)據(jù)采集,并且利用比值參數(shù),使得異常信息更為清晰。與傳統(tǒng)的電阻率方法相比,高密度電法具有數(shù)據(jù)采集量大、效率高、成本低、智能跑極、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)據(jù)采集過程中可以很大程度上避免人為操作出現(xiàn)的誤差[20]。

目前高密度電阻率法常用的裝置包括四極排列的溫納裝置(α裝置)、偶極裝置(β裝置)、微分裝置(γ裝置)及三極裝置和二極裝置(圖3)。本次測量采用溫納裝置進(jìn)行[21]。

(a)—溫納(α)裝置;(b)—偶極(β)裝置;(c)—微分(γ)裝置;(d)—三極裝置;(e)—二極裝置

2.2 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)法是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波,電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的界面時(shí)發(fā)生反射,由于地下介質(zhì)的介電常數(shù)和分布形態(tài)的不同,電磁波在介質(zhì)中的傳播路徑、場強(qiáng)與波形也不同。分析電磁波的旅行時(shí)間、幅度與波形等資料,來推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及電性等信息。當(dāng)?shù)叵掠锌斩?、裂縫或富水帶時(shí),該類介質(zhì)的介電常數(shù)會發(fā)生顯著變化,與圍巖相比存在明顯電性差異,地質(zhì)雷達(dá)在地表能接收到明顯的反射波,成果剖面上表現(xiàn)為波形多次震蕩且雜亂分布、強(qiáng)反射等特征,由此,便可定位地質(zhì)異常體(圖4)。

(a)—野外數(shù)據(jù)采集圖;(b)—地質(zhì)雷達(dá)剖面

地質(zhì)雷達(dá)的野外觀測方式包括剖面法、多次覆蓋法和寬角法,其中剖面法發(fā)射天線(T)和接收天線(R)以固定間隔沿測線同步移動(dòng)的一種觀測方式,發(fā)射天線和接收天線同時(shí)移動(dòng)一次便獲得一個(gè)記錄,施工效率高、工作方便,是目前地質(zhì)雷達(dá)最常用的野外工作方法[22-23]。

2.3 測線布置

為了達(dá)到探測煤礦廢棄斜巷的目的,在距廢棄巷道入口(已知)位置35.0m范圍內(nèi),利用地質(zhì)雷達(dá)分辨率高、施工方便的優(yōu)點(diǎn)布置測線6條,因施工場地地表?xiàng)l件復(fù)雜,測線根據(jù)現(xiàn)場情況布置,間距3.0～7.0m不等,隨斜巷埋深的增加測線間距逐漸增大。距離巷道入口較近的區(qū)域的D1-D4測線采用100MHz屏蔽天線進(jìn)行探測,隨著斜巷深度的增大,探測深度達(dá)到了100MHz天線的極限,故D5和D6測線采用大深度的40MHz非屏蔽天線進(jìn)行探測,以獲取深部地質(zhì)信息。隨著斜巷深度進(jìn)一步加大,地質(zhì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的信噪比顯著降低,為了進(jìn)一步明確巷道的走向和埋深信息,在距離巷道入口31.0m和46.0m處分別布置2條高密度電阻率法測線L1和L2,線間距為15.0m,進(jìn)一步查明巷道深部延展信息(表1)。

表1 工作量統(tǒng)計(jì)表

3 資料處理與解釋

3.1 高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理解釋

高密度電阻率法實(shí)測數(shù)據(jù)首先進(jìn)行測點(diǎn)坐標(biāo)和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,其次采用畸變點(diǎn)剔除或滑動(dòng)平均方法消除隨機(jī)干擾的影響,最后運(yùn)用Res2dinv軟件進(jìn)行初始模型構(gòu)建,采用最小二乘法進(jìn)行反演計(jì)算[24],獲取每條測線的視電阻率斷面圖。淺地表巷道為不充水巷道,呈現(xiàn)高阻特征,第四系土層為低阻特征。依據(jù)以上原則對反演剖面進(jìn)行定量解釋,劃定了本次勘探的異常區(qū)(表2)。

表2 高密度電阻率剖面異常統(tǒng)計(jì)表

測線L1、L2在場地中心位置近EW走向,從圖5、圖6可以看出,埋深6.0m以上地層視電阻率呈高阻特征,橫向分布不連續(xù),主要與廢棄礦區(qū)雜填和地表不均勻塌陷有關(guān),8.0m以下地層電阻率呈現(xiàn)低阻特征,主要為第四系土層的反應(yīng),其中測線L1水平位置36.0～45.0m,埋深22.0～26.0m,測線L2水平位置40.0～50.0m,埋深26.0～30.0m,存在2處相對高阻區(qū),橫向視電阻率斷面圖等值線色譜不連續(xù),推測該異常為未充水廢棄斜巷的反映。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與分析

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要包括背景噪聲去除、直達(dá)波拾取、指數(shù)增益、帶通濾波、反褶積、電磁波速度估算、探測深度計(jì)算,探測成果為雷達(dá)發(fā)射波剖面。

通過現(xiàn)場已知點(diǎn)條件實(shí)驗(yàn)及速度分析技術(shù),時(shí)深轉(zhuǎn)換的電磁波傳播速度取0.09m/ns。

如圖7、圖8所示,地質(zhì)雷達(dá)成果圖存在5處異常區(qū)(表3),該類區(qū)域雷達(dá)波同相軸錯(cuò)斷特征明顯、反射波能量顯著增強(qiáng),低頻信號較豐富[25],雷達(dá)剖面橫向?qū)Ρ茸兓卣髅黠@,推測為煤礦斜井的異常特征。選取有代表性的D1、D5剖面進(jìn)行解釋。

表3 地質(zhì)雷達(dá)剖面異常統(tǒng)計(jì)表

(a)—測線D1地質(zhì)雷達(dá)探測成果圖(100MHz天線);(b)—測線D2地質(zhì)雷達(dá)探測成果圖(100MHz天線);(c)—測線D3地質(zhì)雷達(dá)探測成果圖(100MHz天線)

(a)—測線D4地質(zhì)雷達(dá)探測成果圖(40MHz天線);(b)—測線D5地質(zhì)雷達(dá)探測成果圖(40MHz天線);(c)—測線D6地質(zhì)雷達(dá)探測成果圖(40MHz天線)

3.2.1 100MHz地質(zhì)雷達(dá)天線典型剖面解釋

測線D1采用的是高分辨率100MHz屏蔽天線,有效探測深度為12.0m左右。成果剖面如圖7所示,異常區(qū)A橫向分布范圍12.0～16.0m,埋深5.0～8.0m,結(jié)合勘探區(qū)域地層概況,推測該異常為廢棄斜巷的反映。

3.2.2 40MHz雷達(dá)天線典型剖面解釋

為達(dá)到探測目標(biāo)深度,測線D5采用40MHz非屏蔽天線,有效探測深度約22.0m。D5測線如圖8(b)所示,異常區(qū)E的橫向分布范圍為12.0～14.0m,埋深15.0～18.0m。結(jié)合勘探區(qū)域地層概況,推測異常E為廢棄斜巷的反映。測線D6剖面埋深22.0m以下幾乎沒有有效信號,說明40MHz天線有效探測深度為22.0m(圖8c)。

3.3 綜合分析

結(jié)合地質(zhì)任務(wù),根據(jù)高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法各自的特點(diǎn),充分利用了地質(zhì)雷達(dá)和高密度電阻率法分辨率高的優(yōu)點(diǎn),最終獲得了廢棄斜巷的位置、埋深及走向。該方案兼顧場地條件、施工效率和勘探精度等因素,將高密度電阻率法和復(fù)合天線地質(zhì)雷達(dá)法有機(jī)結(jié)合,取得較好的探測效果,調(diào)查成果的綜合解釋圖如圖9。

1—高密度測線;2—高密度探測異常區(qū);3—地質(zhì)雷達(dá)測線;4—雷達(dá)探測異常區(qū);5—驗(yàn)證鉆孔;6—斜井井口;7—斷層;8—3煤頂板等高線;9—采空區(qū)邊界;10—礦界;11—推測斜巷位置

為驗(yàn)證探測效果,在XJ1和XJ2位置布設(shè)兩個(gè)驗(yàn)證鉆孔,其中XJ1孔在20.0m位置揭露斜井拱頂,在24.0m位置揭露了斜井井底,且在23.0m附近出現(xiàn)了斜巷殘余浮煤。XJ2孔位置在27.4～29.6m位置揭露了斜巷直墻,漿砌石砌筑,砌體為灰?guī)r塊石,充分驗(yàn)證了探測成果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文采用高密度電阻率法和復(fù)合天線地質(zhì)雷達(dá)綜合地球物理方法進(jìn)行淺地表小尺度、非充水高阻廢棄巷道進(jìn)行探測,充分利用了地質(zhì)雷達(dá)分辨率高、施工效率高和高密度電阻率法分辨率高、對高阻異常體靈敏等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了不同深度地下目標(biāo)體的快速、無損、精細(xì)探測,查明了擬建場地斜巷的位置、走向及埋深,為后續(xù)鉆探工作提供指向作用,節(jié)約了時(shí)間,降低了經(jīng)濟(jì)成本。

淺地表小尺度非充水高阻采空區(qū)的調(diào)查一直以來是地球物理探測的難點(diǎn),本文采用高密度電阻率法和復(fù)合地質(zhì)雷達(dá)方法,實(shí)現(xiàn)了對廢棄斜巷的快速高效探測,后經(jīng)鉆探驗(yàn)證探測成果準(zhǔn)確可靠。本文的研究成果為淺地表小尺度煤礦采空區(qū)的探測提供了一個(gè)切實(shí)可行的技術(shù)方法,尤其對淺地表高阻采空區(qū)的探測具有重要的借鑒意義。