周立國 郭本力

摘要：本文通過分析煤礦采空區(qū)與圍巖的電阻率差異，采用綜合地球物理方法開展采空區(qū)探測，利用視電阻率中間梯度法圈定低阻和高阻異常區(qū)域，結(jié)合地質(zhì)資料，劃定煤系地層；通過高密度電法精細劃分異常區(qū)域縱向分布特征，從而綜合判定異常區(qū)域的分布規(guī)模、深部賦存形態(tài)，結(jié)合礦山開采資料，推斷煤礦采空區(qū)的位置、埋深及規(guī)模。經(jīng)鉆探驗證，綜合地球物理方法所推斷的100m以淺煤礦采空區(qū)可信度高，可在煤礦采空區(qū)中進行推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū)；中間梯度法；高密度電法；綜合地球物理

中圖分類號：P631.3??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.10.009

引文格式：周立國，郭本力.綜合地球物理方法在煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用效果探析［J］.山東國土資源，2023，39（10）：56-61.ZHOU Liguo， GUO Benli. Application Effect of Comprehensive Geophysical Method in Goaf of Coal Mine［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（10）：56-61.

0 引言

目前我國煤礦采空塌陷面積已超過近百萬公頃，因采空塌陷造成的經(jīng)濟損失累計已超過近千億元，莒縣劉官莊鎮(zhèn)竹園—劉官莊一帶為早期地下煤礦開采區(qū)，20世紀60年代后期逐漸閉坑停采，根據(jù)觀測資料，礦坑在雨季水位上涌，每年都存在地面緩慢下沉現(xiàn)象。并且礦區(qū)范圍受到安丘-莒縣斷裂及其次生活動斷裂的影響，易發(fā)生地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致地表建筑物、地形地貌變形，對當?shù)鼐用裆敭a(chǎn)和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展造成重大威脅。因此，如何快速有效探明采空區(qū)位置、深度及規(guī)模，及時采取工程措施消除安全隱患尤為重要［1-3］。由于礦區(qū)停采時間久遠，詳細的礦山開采資料丟失，無法系統(tǒng)了解采空區(qū)的范圍分布和礦床開采深度，本文根據(jù)采空區(qū)與圍巖的電阻率差異，利用綜合地球物理方法［4-9］開展采空區(qū)勘察，利用視電阻率中間梯度掃面工作，圈定煤系地層范圍，推斷各巖性界線；利用高密度電法結(jié)合礦山開采資料，推斷煤礦采空區(qū)的規(guī)模及賦存形態(tài)，經(jīng)鉆探驗證，綜合地球物理方法在煤礦采空區(qū)中應(yīng)用效果良好。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于日照市莒縣西南約14.5km處，面積約13.79km2，為歷史采煤遺留采空區(qū)。地形地貌類型主要為山間沖積—洪積平原地貌，地勢較為平坦，西為浮來山，東為老營信山，中為沭河平原，山川呈南北方向延伸，西北高、東南低，井田位于浮來山系的珍珠山下。區(qū)域位于華北陸塊（Ⅰ）、魯西隆起區(qū)（Ⅱ）、沂沭斷裂帶（Ⅲ）、安丘-莒縣斷陷（Ⅳ）、莒縣凹陷（Ⅴ）。出露地層主要有寒武紀張夏組、浮來山組，石炭紀本溪組、太原組，白堊紀馬朗溝組、田家樓組，以及第四紀地層。

研究區(qū)內(nèi)以沉積巖為主，含煤地層為石炭-二疊紀，全厚269.28m左右，煤系地層上部為白堊系、第四系所覆蓋，由于受地質(zhì)構(gòu)造的影響，使上奧陶系、志留系、泥盆系、下石炭系在本區(qū)缺失，到中石炭系才逐漸沉積。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要為NNE向斷裂，NE向斷裂為安丘-莒縣斷裂為代表，在項目區(qū)內(nèi)由3條斷裂組成，走向NE 10°～20°，以壓性、壓扭性為主，構(gòu)造帶內(nèi)斷層泥發(fā)育，寬0.5～10m不等。NW向斷裂為齊家莊一帶出露斷裂，走向NW 320°～350°，受其影響，竹園地區(qū)發(fā)育數(shù)條次生NE向斷裂，區(qū)內(nèi)巖漿巖、巖脈不發(fā)育（圖1）。

2 工作方法

2.1 地球物理特征

電法勘探以視電阻率的差異來區(qū)分巖性及構(gòu)造體，根據(jù)視電阻率值的大小以及在地下的展布形式來識別地下地質(zhì)體的空間分布及其狀態(tài)和性質(zhì)。影響電阻率的主要因素有巖石巖性，巖石結(jié)構(gòu)，巖層構(gòu)造，含水情況等多種因素。

電性參數(shù)主要針對區(qū)內(nèi)主要巖性段進行，本次工作物性測試采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A多功能電法儀，共測定各類巖樣共計120塊。由表2可知，不同巖性之間存在一定的電性差異，灰?guī)r視電阻率最高，平均值為2552Ω·m，煤的視電阻率最低，平均值為90Ω·m，砂巖、泥巖的視電阻率次之；此外，完整巖體與充水采空區(qū)、破碎帶及斷層破碎帶之間，也存在明顯的差異；因此研究區(qū)能夠用電性差異區(qū)分物性差異較大的巖性，劃分采空區(qū)、斷層破碎帶等地質(zhì)體，使得研究區(qū)具備開展電阻率測量的地球物理勘探條件。

2.2 物探方法選擇

調(diào)查區(qū)地表部分被第四系覆蓋，無法獲取煤層的分布情況，選用視電阻率中間梯度掃面工作，圈定煤系地層范圍，并推斷各巖性界線。選用高密度電法結(jié)合采礦資料推斷采空區(qū)賦存形態(tài)、埋深及規(guī)模等。

2.2.1 中間梯度法測量工作

中間梯度法［10-12］在地質(zhì)探測中已經(jīng)是一種非常成熟的方法，其最大優(yōu)點在于一次性探查區(qū)域面積大，且能夠?qū)崿F(xiàn)多次同步觀測結(jié)果，從而確保探測結(jié)果的完整性和準確性。由于其工作面積大、工作效率高，中間梯度法得到了廣泛的認可和使用，在找礦和工程勘察中發(fā)揮著重要的作用。

本次工作中梯裝置采用AB=1200m、MN=2倍點距=40m。觀測范圍在供電電極AB中間的2/3范圍內(nèi)移動，旁測距不大于200m。供電脈寬4s，延時200ms。野外工作選擇極差＜1.5mV，內(nèi)阻＜1000Ω的不極化電極配對進行測量，每個裝置的觀測前后都進行AB和MN導(dǎo)線的對地絕緣電阻的檢查，從而保證了AB導(dǎo)線絕緣電阻＞2M·Ω，MN導(dǎo)線的絕緣電阻＞5M·Ω。

2.2.2 高密度電法工作

高密度電阻率法［13-18］是一種技術(shù)先進的電阻率法，具有許多優(yōu)點。其特殊的測量方式可以防止因電極移動引起的故障和干擾，并能快速有效的獲得多種裝置的視電阻率斷面數(shù)據(jù)，尤其在工程勘探中具有自己獨特的優(yōu)勢。高密度電法高密度的滾動掃描測量，既豐富了地電信息，提高了電性分辨能力，又減少了人為影響因素，提高了工作效率。

由于調(diào)查區(qū)內(nèi)巖性以砂巖、頁巖、泥巖等構(gòu)成，視電阻率較低，大都小于100Ω·m，溫納裝置由于隨著供電極距的增加測量電極也在增加，而施倫貝謝爾裝置和三極裝置的測量電極是固定不變的，因此，在供電電壓相同，供電極距增大時，較大測量電極的裝置所獲取的一次場較大，壓制干擾異常能力較強，故本次工作采用溫納裝置，點距5m，觀測疊加次數(shù)6次。

2.3 資料處理

2.3.1 視電阻率中間梯度資料處理

對采集的數(shù)據(jù)進行整理，計算K值，進而計算出測點視電阻率值。利用克里格插值法進行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，以50Ω·m等間距勾繪視電阻率等值線平面圖。根據(jù)目標體與圍巖物性特征，劃分低阻異常區(qū)，推測煤礦塌陷區(qū)、采空區(qū)和影響區(qū)范圍。

2.3.2 高密度電法資料處理

實測原始資料進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、壞點剔除等預(yù)處理后合成剖面、加地形參數(shù)，繪制視電阻率擬斷面圖，視電阻率值采用對數(shù)形式標示。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料對剖面進行分析，確定電剖面上異常的性質(zhì)及可能的地質(zhì)異常體，建立地質(zhì)模型，通過計算機反演，結(jié)合收集的已知地質(zhì)資料定量解釋該測點的地層物性結(jié)構(gòu)，建立正演地質(zhì)模型。然后用RES2DINV高密度電法反演軟件對地質(zhì)模型進行反演擬合計算，得到二維反演圖，反演圖電阻率值以對數(shù)的形式標示。

3 資料解譯與分析

通過分析比對已知采空區(qū)在物探剖面上的電性特征，已知采空區(qū)具有如下特征。

（1）基準侵蝕面大部分高于巷道標高，且區(qū)內(nèi)巖性主要為砂巖、泥巖及煤層，受已知采空區(qū)影響，巖體破碎，導(dǎo)致采空區(qū)周圍巷道導(dǎo)水性較好，大部分巷道充水，為低視電阻率特征，呈封閉低阻異常區(qū)，或者為凌亂的串珠狀低視電阻率異常區(qū)。

（2）充水采空區(qū)視電阻率普遍低于周圍圍巖視電阻率，采空區(qū)的視電阻率大部分低于50Ω·m。

（3）采空區(qū)之上的地層塌陷后，其上部巖體松動，地面沉降，形成落洞，或者形成張性裂縫。另外區(qū)內(nèi)某些斷層發(fā)育，在電性上反映為條帶狀低視電阻率異常。

3.1 采空塌陷區(qū)圈定

通過綜合物探工作，結(jié)合地質(zhì)和采礦工程資料及現(xiàn)場調(diào)查，設(shè)定采空塌陷區(qū)劃分表（表3）。從圖3可以看出，調(diào)查區(qū)視電阻率總體西高東低，西部高阻區(qū)巖性以灰?guī)r為主，東部低阻區(qū)以砂巖、頁巖為主，是主要含碳地層。低阻區(qū)NNE向展布，主要分布在采井周邊，3號主井南部視電阻率最低，與地表塌陷區(qū)對應(yīng)。依據(jù)視電阻率分布特征和煤礦采礦相關(guān)資料分析，采空區(qū)位于各采井周圍，視電阻率呈低阻特征，形成長約1500m，寬約300m的條帶狀異常，走向約15°，與煤層走向一致，面積約217000m2。在蘭家官莊采井1號、3號和4號井附近，建筑物墻壁大都可見1～5mm不等的裂縫，視電阻率值介于25～50Ω·m之間，推測為采空區(qū)，面積約82750m2；3號井西有一塌陷區(qū)的警示牌，視電阻率值小于25Ω·m，面積約17000m2，推測為塌陷區(qū)（圖2）。

3.2 采空塌陷區(qū)縱向解剖

當?shù)V層被采動后，短期內(nèi)形成一定規(guī)模的充氣空間且無填充，其電阻率較圍巖高；經(jīng)過一段時間后，采空區(qū)上覆巖層在重力作用下發(fā)生塌陷變形，致使巖層破碎并出現(xiàn)裂縫，若無地下水經(jīng)裂隙向采空區(qū)匯集時，其電阻率較大，若地下水沿破碎巖層和裂縫向采空區(qū)匯集時，呈低電阻特征。根據(jù)研究區(qū)踏勘情況來看，區(qū)域內(nèi)煤礦閉坑時間久遠，塌陷區(qū)均被水淹，因此，推斷采空塌陷區(qū)地下水匯聚，具低阻特征。

由圖3可以看出，在160～360點之間，縱向上存在一低阻異常帶，根據(jù)收集的地質(zhì)資料，該區(qū)域位于劉官莊3號主井附近，推測為煤層采空區(qū)所引起，其中160～200點、20m以淺，160～200點、埋深約100m，視電阻率值小于5Ω·m，推測為采空區(qū)塌陷充水所引起。

由圖4可以看出，在240～360點之間，縱向上存在一低阻異常帶，根據(jù)收集的地質(zhì)資料，該區(qū)域位于劉官莊4號風(fēng)井附近，推測為煤層采空區(qū)所引起，與視電阻率中間梯度法成果相吻合。其中320～360點、埋深40～45m，視電阻率值小于10Ω·m，推測為采空區(qū)充水所引起。

3.3 鉆探驗證

根據(jù)綜合物探測量成果，在 A—A′高密度電法剖面布設(shè)驗證鉆孔，ZK05在深度-32.1m～-38.6m揭露塌陷區(qū)，ZK06在深度-62.5m處揭露煤層頂板，-68.2m～-71.5m為采空區(qū)（圖5）。隨后在綜合物探圈定的采空區(qū)和塌陷區(qū)布設(shè)12個鉆孔，其中3個鉆孔揭露塌陷區(qū)，塌陷區(qū)被松散圍巖充填且富水，8個鉆孔揭露煤層采空區(qū)，說明綜合地球物理方法所推斷的煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)可信度較高。

4 結(jié)論

在具備開展地球物理法前提的基礎(chǔ)上，選用合理的地球物理方法，能夠起到事倍功半的效果，通過本次工作，得出以下結(jié)論：

（1）利用視電阻率中間梯度法掃面是快速圈定低阻異常區(qū)，劃定煤系地層范圍，并推斷各巖性界線的有效手段。

（2）高密度電法具有提供數(shù)據(jù)量大、觀測精度高、自動化程度高等優(yōu)點，對100m以淺煤層采空區(qū)縱向分辨率高，能夠很好的反映采空區(qū)形態(tài)及現(xiàn)狀等。

（3）通過綜合地球物理手段能夠圈定煤系地層范圍，查明采空區(qū)空間分布狀態(tài)、現(xiàn)狀、規(guī)模等特征。

（4）根據(jù)測區(qū)地球物理條件、采空區(qū)規(guī)模、埋深深度，結(jié)合原有資料，合理選擇物探方法，能夠提高工作效率，且有效的探明采空區(qū)及塌陷區(qū)。

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Application Effect of Comprehensive

Geophysical Method in Goaf of Coal Mine

ZHOU Liguo，GUO Benli

（No. 8 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources，Key Laboratory of Nonferrous Metal Exploration and Resource Evaluation of Shandong Provincial Exploration Bureau of Geology and? Mineral Resources，Rizhao Geology and Geography Big Data Research Institute，Rizhao Key Laboratory of Land Quality Assessment and Pollution Remediation，Shandong Rizhao 276826，China）

Abstract：In this paper， through analyzing the differences in electrical resistivity between goaf and surrounding rock in coal mines， by using comprehensive geophysical methods to detect goaf， using the apparent resistivity intermediate gradient method to delineate areas with low and high resistivity anomalies， and combining with geological data， coal strata have been delineated. By using high-density electrical methods， the vertical distribution characteristics of abnormal areas have been divided， and the distribution scale and deep occurrence form of the abnormal areas can be comprehensively determined. Based on mining data， the location， burial depth， and scale of the coal mine goaf can be inferred.? After drilling verification， the reliability of shallow coal mine goaf inferred by comprehensive geophysical methods is high. It can be promoted and applied in coal mine goaf.

Key words：Coal mine goaf；middle ladder method；high density electrical method； integrated geophysical method