吳勝輝，亞夏爾·亞力坤?，依力哈木江·吐尼亞孜，侯丹鳳

(1. 新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830017；2. 新疆大學(xué)中亞造山帶大陸動(dòng)力學(xué)與成礦預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830017；3. 新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)勘查開(kāi)發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著我國(guó)東部礦區(qū)資源產(chǎn)量逐漸減少，新疆因各類礦產(chǎn)豐富、儲(chǔ)量規(guī)模大，成為中國(guó)重要的能源替代和戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備區(qū)．迄今，已發(fā)現(xiàn)152種礦物，占中國(guó)已發(fā)現(xiàn)礦物總數(shù)的87.86%，其中已知儲(chǔ)量資源的98種，占中國(guó)總數(shù)的60.49%，包括34種金屬礦物、57種非金屬礦物和7種能源礦物[1]．哈密三塘湖區(qū)域由于其豐富的煤炭資源量、較低的有害元素組成和良好的煤質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)頗受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注．作為中國(guó)最大的煤田綜合勘查區(qū)之一，自2009年全面生產(chǎn)以來(lái)，三塘湖煤礦在煤炭勘探方面取得重大突破．截至2012年，勘探進(jìn)尺達(dá)600 km，發(fā)現(xiàn)煤層30層，單層最大厚度為47.25 m，1 000 m和2 000 m淺層資源分別為5 514 435.63萬(wàn)噸和1 200億噸[2]．為我國(guó)“疆煤東運(yùn)”戰(zhàn)略的實(shí)施提供了良好的資源保障[3]．

煤礦資源開(kāi)采造成的地面塌陷、水資源受損及生態(tài)破壞等，對(duì)礦山地質(zhì)工程評(píng)價(jià)和地質(zhì)環(huán)境治理的威脅是煤炭資源開(kāi)發(fā)中亟需解決的問(wèn)題，采空區(qū)范圍和形態(tài)的確定及其治理問(wèn)題一直是制約行業(yè)發(fā)展的重難點(diǎn)．目前，礦區(qū)采空區(qū)的研究主要基于電法、電磁法、地震波法和微重力勘探法等地球物理探測(cè)方法．田文法等[4]對(duì)采空區(qū)探測(cè)方法、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、治理及質(zhì)量監(jiān)控等技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展作了詳細(xì)調(diào)研，并提出了進(jìn)一步的研究方向；黃建權(quán)等[5]對(duì)采空區(qū)探測(cè)的地球物理方法進(jìn)行了分類和介紹；王超凡[6]引入地震CT對(duì)某金屬隱伏采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，揭示了采空區(qū)和破碎帶，并被后續(xù)研究證實(shí)準(zhǔn)確；王俊茹等[7]介紹了應(yīng)用淺層地震方法探測(cè)采空區(qū)的野外工作、資料處理、解釋方法技術(shù)；張開(kāi)元[8]采用瞬變電磁法探測(cè)煤礦采空區(qū)：該方法能快速獲得地物信息，準(zhǔn)確反應(yīng)中、深部地層的電性結(jié)果，利用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地表淺部查找不良的地質(zhì)體，具有高分辨率和高探測(cè)精度等優(yōu)勢(shì)；程久龍等[9]總結(jié)了在地表淺部查找不良地質(zhì)體的方法：地質(zhì)雷達(dá)具有探測(cè)精度高及分辨率高的優(yōu)勢(shì)．其中高密度電阻率法由Johansson在20世紀(jì)70年代末提出，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種陣列型電法勘探技術(shù)[10]．由于其低成本、高效率、自動(dòng)化程度高、信息量大以及異?，F(xiàn)象直觀等優(yōu)點(diǎn)，在工程物探、水文地質(zhì)勘探、考古等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[11-13]．

本文針對(duì)鑫源煤礦進(jìn)行工程地質(zhì)勘查并開(kāi)展區(qū)域高密度電阻率法測(cè)量工作．根據(jù)區(qū)內(nèi)目標(biāo)體尺寸較小、埋深較淺等情況，完美契合了高密度電阻率法有效探測(cè)深度在0～100 m范圍內(nèi)、符合對(duì)稱四級(jí)裝置測(cè)量時(shí)需要在探測(cè)范圍兩側(cè)有一定延伸的空間特點(diǎn)[14]．通過(guò)分析測(cè)得的反演斷面圖上電性差異，判別采空區(qū)范圍．結(jié)合地表實(shí)際情況，輔以鉆探驗(yàn)證的綜合勘探手段，從而獲取更為豐富的勘探成果．采用此方法探測(cè)三塘湖鑫源煤礦采空區(qū)的分布，為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估、環(huán)境生態(tài)治理提供依據(jù)．

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域位置

研究區(qū)位于中國(guó)新疆巴里坤哈薩克自治縣三塘湖西北約10 km，三塘湖盆地中部南緣，巴里坤縣以南110 km．最高海拔902.17 m，最低835.44 m，相對(duì)高差66.73 m，坡降一般為8%～13%左右，地形相對(duì)平坦，屬戈壁準(zhǔn)平原地貌．地形一般為東南高、西北低的緩坡，地勢(shì)高差不大，無(wú)地表輸送流和地下水露頭分布（圖1），易于進(jìn)行地球物理勘探．礦山中心的地理坐標(biāo)為東經(jīng)93?13′30′′、北緯44?20′30′′．該地區(qū)年降水量?jī)H35 mm，年平均蒸發(fā)量是降水量的112倍，且區(qū)內(nèi)少積雪，年凍土的最大深度為1.5 m．年溫差和日溫差大，屬大陸性寒溫帶干旱荒漠氣候．

圖1 礦區(qū)現(xiàn)狀

1.2 地質(zhì)特征

勘察區(qū)域地處準(zhǔn)噶爾盆地東部南緣、東天山褶皺帶北部，地層區(qū)劃屬北疆-興安地層大區(qū)，北疆地層區(qū)，北準(zhǔn)噶爾-北天山地層分區(qū)．最下部基底地層為石炭系和二疊系，周邊山系由古生界地層所構(gòu)成．

區(qū)域一帶出露地層有：下石炭統(tǒng)南明水組（C1n），為一套從海相-陸相變遷的正常碎屑巖加火山碎屑巖沉積構(gòu)造；下二疊統(tǒng)卡拉崗組（P1k），為一套特厚的陸相中酸性火山巖、火山噴發(fā)巖，按噴發(fā)旋回可劃分成4個(gè)亞組；上二疊統(tǒng)烏拉泊組（P2w），為一套陸相正常碎屑巖為主的沉積，主要包括灰綠色、灰紫色砂巖、粗砂巖、礫巖夾凝灰?guī)r高炭泥巖等，與下伏卡拉崗組呈整合接觸；井井子溝組（P2j），為一套海陸交互相的黃綠色凝灰?guī)r、細(xì)砂巖、砂礫巖夾灰?guī)r透鏡體；蘆草溝組（P2l），為河湖相沉積的黃綠色、灰白、灰綠色泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、酸性凝灰?guī)r夾高炭質(zhì)頁(yè)巖、油頁(yè)巖、泥灰?guī)r及砂質(zhì)白云巖，含魚類和植物化石（區(qū)內(nèi)出露）；中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x），是本次施工主要地層，巖性由灰色、淺灰綠色細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、礫巖及煤層組成[15]，該地層為區(qū)內(nèi)主要含煤地層（共3層），M2煤層是全區(qū)可采的中厚煤層，最下部一套灰黑色泥巖與下伏的蘆草溝組為斷層接觸（中部出露）；頭屯河組（J2t），為紫紅色、灰綠色、桔黃色等雜色，內(nèi)陸湖相沉積，巖性有泥巖、泥鈣質(zhì)粉砂巖、砂巖、礫巖等；新近系中新統(tǒng)昌吉河群下亞群（N1cha），為氧化條件下的河、湖相沉積，主要為磚紅色、土紅色、紫紅色泥巖、泥質(zhì)砂巖、礫巖夾石膏薄層，與下伏頭屯河組呈斷層接觸（北部出露）；第四系上更新統(tǒng)洪積層（Q3pl），主要為干旱條件下的洪積扇沉積，上部為砂礫石層，下部為中細(xì)砂層；全新統(tǒng)洪積層（Q4pl）由暫時(shí)性洪水和漫流形成的砂礫石層和亞砂土、細(xì)沙組成，少量分布于工區(qū)北部．如圖2所示．

圖2 區(qū)域地質(zhì)圖（據(jù)文獻(xiàn)[16]修改）

構(gòu)造方面，工作區(qū)位于準(zhǔn)噶爾-天山褶皺系，二級(jí)構(gòu)造單元屬于準(zhǔn)噶爾優(yōu)地槽褶皺帶，大地構(gòu)造分區(qū)屬三塘湖-淖毛湖山間坳陷，包含3個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元．三塘湖盆地的基底為古生代地層．它是華力西期末古生代地層形成的大型復(fù)向斜基礎(chǔ)上，于二疊紀(jì)以后逐漸形成的．三塘湖-淖毛湖山間坳陷平行展布著兩個(gè)區(qū)域推覆構(gòu)造，形成的東北沖斷隆起帶、中央坳陷帶和西南逆沖推覆帶控制了現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造格局．其中：東北沖斷隆起帶位于盆地東北部，呈北東向延伸；中央坳陷帶加峙于南北兩個(gè)逆沖推覆體之間，由北西向轉(zhuǎn)近東西向延伸，形成雁狀排列凹凸相間的9個(gè)Ⅴ級(jí)構(gòu)造單元．表現(xiàn)為以侏羅系-新近系為主的中新生代地層形成一系列隱伏線狀、短軸狀、箱狀寬緩褶皺，局部穹窿．勘查區(qū)位于Ⅴ級(jí)構(gòu)造單元的聯(lián)結(jié)部，由于長(zhǎng)期受北東-南西向擠壓作用影響，形成大量的北西-南東向逆斷層與正斷層，及北東、北西向平推斷層．地層整體呈北北東傾單斜構(gòu)造，傾角沿走向（由南東至北西）變化，具有扭曲的趨勢(shì)，角度在38?～86?之間；沿傾向（由淺至深）傾角漸?。畢^(qū)域構(gòu)造程度屬于中等復(fù)雜類型[17]．

1.3 物性特征

開(kāi)采完成后，煤系地層荷載程度較高會(huì)形成一定范圍的采空區(qū)．由于采空區(qū)巖體原始應(yīng)力平衡發(fā)生改變，上方巖層受重力作用，底板及圍巖受擠壓、拉伸作用，當(dāng)超過(guò)一定水平時(shí)，就會(huì)破壞巖石的完整性和連續(xù)性．因此，巖層破裂、塌陷、崩落，出現(xiàn)大量空洞或裂縫．在這些區(qū)域，電阻率值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致原有的電阻率層狀態(tài)被破壞，呈現(xiàn)不連續(xù)、無(wú)序的現(xiàn)象[18]．在高密度勘探工作中，由于空腔對(duì)電流的排斥作用，巖層與采空區(qū)、裂隙松動(dòng)帶存在較大的電性差異．一般情況下，松散、裂隙、塌陷、采空區(qū)表現(xiàn)為高阻力，而采空區(qū)在充注水或其它含水充填物時(shí)，容易形成低阻力異常．

對(duì)于三塘湖煤礦采空區(qū)總長(zhǎng)8.268 km的EW向煤線“露頭煤”進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境綜合治理，該工程沿煤層走向，自東向西共分為8個(gè)連續(xù)的大致等距的治理區(qū)，本文主要研究一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)治理區(qū)域．據(jù)前期收集的地質(zhì)資料，該區(qū)域煤層傾角由南東至北西依次增大，范圍在36?～65?之間．地質(zhì)災(zāi)害以深部井工開(kāi)采形成采空區(qū)而造成的淺部塌陷、沉降災(zāi)害為主，而在煤系地層較淺的條件下，沉積層的電差異通常與地層中的砂和泥質(zhì)含量有關(guān)．含砂量高的地層往往是電阻率高的含水地層，而泥質(zhì)含量高的地層通常是電阻率低的隔水層．電阻率與巖性顆粒的大小成正比，即：巖性顆粒的尺寸越大，對(duì)應(yīng)的電阻率越大．粒徑較大的砂層和礫石層電阻率較大，而泥巖層和粘土層電阻率相對(duì)較?。话銞l件下煤層電阻率明顯高于圍巖，而未充水采空區(qū)的電阻率值明顯高于煤層和其它巖層[19]．水積聚后，其電阻率明顯低于周圍介質(zhì)．因此，對(duì)于該研究區(qū)域采空區(qū)分布規(guī)律未知、工程地質(zhì)條件復(fù)雜的特征，利用地下粘土、砂巖、巖石裂隙之間電性差異可在反演視電阻率圖上直觀地反映采空區(qū)及周邊巖性的實(shí)際情況．電性資料顯示不同巖層具有不同電性差異，如表1所示[19]．

表1 相關(guān)介質(zhì)電阻率參數(shù)

2 研究方法

2.1 基本原理

高密度電阻率法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大致相同，根據(jù)不同巖石組分顯示的不同電差異，通過(guò)調(diào)整地表電極距的參數(shù)，對(duì)應(yīng)采集不同區(qū)域、不同深度巖石的視電阻率．根據(jù)外加電場(chǎng)作用下地層中導(dǎo)電電流傳導(dǎo)的分布規(guī)律，可以推斷不同電阻率地下地質(zhì)體的賦存狀態(tài)．通過(guò)A、B兩個(gè)電極向地下傳導(dǎo)電流I，隨后在M、N兩個(gè)電極之間測(cè)量電位差?V，從而可求得該點(diǎn)（M、N之間）的視電阻率值[20]．根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、參數(shù)校正、解釋和反演成圖，得到地層中的電阻率分布情況，從而劃分地層類型，確定地下異常體等．

2.2 裝置形式

本文采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成溫納（Wennerα、Wennerβ、Wennerγ）、施貝1、施貝2、偶極-偶極（dipole-dipole）、聯(lián)合剖面法、二極電阻率成像CT法、微分法、三極滾動(dòng)連續(xù)測(cè)深法及單邊三極滾動(dòng)連續(xù)測(cè)深等裝置形式的高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集、顯示工作[21]．與其配套軟件具有數(shù)據(jù)采集、文件存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放和調(diào)用等功能．

根據(jù)地質(zhì)任務(wù)對(duì)勘探深度的要求，在前期掌握工作區(qū)不同巖性電性參數(shù)的基礎(chǔ)上確定探測(cè)工作參數(shù)，采用高密度電阻率法中的三極裝置進(jìn)行探測(cè)．結(jié)合場(chǎng)地的施工情況，設(shè)置電極間的距離為10 m；數(shù)據(jù)采集采用350 V直流電源，脈沖寬度為0.5 s，周期為1 s．現(xiàn)場(chǎng)工作共收集了14 025個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，單點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量330個(gè)；檢查數(shù)據(jù)點(diǎn)700個(gè)．由高密度電阻率法視電阻斷面反演成果圖可知，所測(cè)電流、電壓的正、負(fù)周期波形穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量較好．符合相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程及方案要求．三級(jí)裝置數(shù)據(jù)采集方式如圖3所示[22]．

圖3 溫納裝置的數(shù)據(jù)采集方式示意圖

裝置的特點(diǎn)是AM=MN=NB=na，記錄點(diǎn)為MN的中點(diǎn)．采集后得到一個(gè)倒梯形數(shù)據(jù)體[23]．

裝置系數(shù)為：

其視電阻率表達(dá)式為：

利用滑動(dòng)平均值法計(jì)算視電阻率的有效值ρx(i)，調(diào)整調(diào)查區(qū)域或其中一個(gè)斷面的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，用來(lái)計(jì)算電極調(diào)節(jié)系數(shù)K(L)．求得相對(duì)電阻率值：

所求相對(duì)電阻率值，可以在一定程度上消除研究區(qū)斷面從頂部到底部水平地層的變化情況．在一定程度上，相對(duì)電阻率剖面可以反映地電體沿剖面的水平變化趨勢(shì)[24-25]．

3 野外數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)勘探目的及現(xiàn)場(chǎng)條件，為完成勘探任務(wù)，共布置高密度電阻率法勘探線11條，總長(zhǎng)9 900 m，每條勘探線長(zhǎng)900 m，樁點(diǎn)位置間的電極距10 m，總樁號(hào)點(diǎn)數(shù)90個(gè)，且隔離系數(shù)k=25．單條測(cè)線采集數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)1 275個(gè)，共采集數(shù)據(jù)點(diǎn)14 025個(gè)．測(cè)線因現(xiàn)場(chǎng)布置位置和地表情況的不同長(zhǎng)度有所變化，測(cè)線及測(cè)點(diǎn)布置情況如圖4所示．

圖4 高密度電阻率法測(cè)線及鉆孔位置

從三塘湖條湖三礦一號(hào)治理區(qū)最東緣南部邊界開(kāi)始，G-4走向延?xùn)|北-西南向展布，樁號(hào)依次遞增．該條測(cè)線與煤層走向基本垂直，可反映深部潛在煤層的傾向展布情況．G-5、G-6、G-7、G-8依次順連，位于一至四號(hào)治理區(qū)南部，方位均為西北-東南向，沿各治理區(qū)的走向線南側(cè)緩沖區(qū)邊界展布，各勘探線樁號(hào)由西北向東南依次遞增且與治理區(qū)內(nèi)的M2煤層走向基本平行，位于煤線露頭南部下盤區(qū)域．G-9、G-10、G-11、G-12位于三塘湖條湖三礦治理區(qū)北側(cè)范圍內(nèi)，順連沿著治理區(qū)緩沖帶走向展布，與G-5、G-6、G-7、G-8勘探線平行相對(duì)，測(cè)線方位、展布走向、樁號(hào)遞增情況與下伏勘探線保持一致．均位于露頭煤線走向以北的上盤區(qū)域內(nèi)．G-13與G-14號(hào)勘測(cè)線相對(duì)平行，位于三條煤礦四號(hào)治理區(qū)南北兩側(cè)，方位西北-東南向，樁號(hào)由西北向東南依次由0～900 m遞增，但仍需部分勘探測(cè)線布設(shè)超出四號(hào)治理區(qū)規(guī)定范圍，符合高密度電阻率法的實(shí)際布設(shè)要求．

3.2 數(shù)據(jù)處理

野外數(shù)據(jù)采集工作完成后，對(duì)實(shí)測(cè)的電位和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正、坐標(biāo)變換、去除畸變點(diǎn)等處理，選用質(zhì)量較好、參考可信度高的數(shù)據(jù)進(jìn)行視參數(shù)分級(jí)，分級(jí)方式選用五級(jí)制劃分四個(gè)界限．其優(yōu)勢(shì)在于：將剖面上各點(diǎn)的電極調(diào)節(jié)系數(shù)或相對(duì)電阻率劃分為不同等級(jí)，用不同符號(hào)或灰階（灰度）表示，便于獲得視參數(shù)異?；叶葓D．與其它方法相比，視參數(shù)等級(jí)剖面圖能更直觀、形象地反映地層位置的實(shí)際分布特征．當(dāng)ρs(i)D4時(shí)，電阻率表現(xiàn)為高阻．

采用Res2dinv軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，獲取各條測(cè)量線的視電阻率剖面圖，其中：紅色色階代表高阻部分，藍(lán)色色階代表低阻部分[26-28]．結(jié)合工作區(qū)地層各巖性地球物理特征，第四系覆蓋層、松散堆積物及含煤地層的細(xì)粒粉砂巖等表現(xiàn)為高阻異常，呈暗紅色-鮮紅色；粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖表現(xiàn)為甚低阻，呈藍(lán)色；煤層表現(xiàn)為∠40?～∠60?傾角的中高阻異常（垂直走向剖面方向），呈橘紅色；而采空區(qū)為串珠狀的低阻異?；蚺c煤層產(chǎn)狀相似的低阻條帶異常，呈淡藍(lán)色．依據(jù)以上原則對(duì)反演剖面進(jìn)行解釋，劃定了本次勘探的異常區(qū)．

4 資料的解譯

根據(jù)該區(qū)域初步勘察結(jié)果，結(jié)合所處的地質(zhì)環(huán)境及該地段的采空區(qū)發(fā)育規(guī)律，推測(cè)其采空區(qū)可能出現(xiàn)的位置、地層巖性發(fā)育變化及水侵入等基本情況，所以在推斷時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況，明確低阻區(qū)為可能存在的采空區(qū)．

1）由圖5中G-4剖面反演解釋結(jié)果可知，在測(cè)線240～350 m之間，深度39～70 m處存在一橢圓狀高阻區(qū)，推測(cè)應(yīng)由巖性變化所致，即由松散沉積變?yōu)橹旅芊凵皫r；在540 m處，出現(xiàn)一高角度由地表向深部急傾的高阻-中阻串珠條帶狀異常帶，該電阻異常帶與煤層傾向基本吻合，傾角相似，故可推斷該異常帶為總體呈現(xiàn)中阻特征的可采煤層．

圖5 G-4、G-5剖面視電阻率-深度反演斷面圖

2）G-5、G-6、G-7、G-8勘探線布設(shè)的目的是探測(cè)治理區(qū)南側(cè)實(shí)施治理臺(tái)階工作面是否存在潛在塌方風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行超前預(yù)報(bào)；與治理區(qū)北側(cè)測(cè)線進(jìn)行對(duì)照，總結(jié)地下含煤-不含煤地層在視電阻率圖的變化規(guī)律．

其中G-5、G-6、G-8三條剖線主要特征相似，電阻異常帶總體呈平緩層狀分布的特征較為明顯，深部電性特征極為簡(jiǎn)單，表示三條剖面內(nèi)深部地層穩(wěn)定展布，上覆低阻層，下部高阻基巖．G-5剖線的高密度測(cè)線并未完全平行于地層走向，故在某些樁號(hào)處出現(xiàn)些許波動(dòng)，且在320 m樁號(hào)處即出現(xiàn)高密度測(cè)線與地層走向斜交，導(dǎo)致視電阻率出現(xiàn)局部上凸的異常現(xiàn)象；而G-6的電阻率層狀分帶性特征更為明顯，顯示地層產(chǎn)狀更為穩(wěn)定，并且延續(xù)性可信度更高，該剖面在40 m處淺部出現(xiàn)藍(lán)色低阻層，推斷為第四系松散堆積物，并呈現(xiàn)出多連續(xù)閉合同心環(huán)視電阻率特征，由地表剝蝕程度不同引起水侵面不一致，從而形成線狀分布的低阻現(xiàn)象；G-8勘探線在剖面線樁號(hào)200～720 m處甚淺部存在一延續(xù)性良好的高阻帶，且其下部為連續(xù)性極好的平緩低阻帶，推測(cè)為富集大量孔隙水的砂巖層．總體來(lái)看，該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)存在特征，巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定．

G-7剖面線電阻率異常帶與G-6剖面線深部高阻層連續(xù)展布略有不同，存在中心樁號(hào)320 m、中心樁號(hào)680 m兩處高阻區(qū)域及中阻連接區(qū)域，顯示樁號(hào)240～760 m之間深部地層巖性具有一定差異，且連續(xù)性一般，雖然未有塌陷區(qū)存在特征，但可能存在一定的地層層間破碎及斷裂斷層位移，如圖6所示．

圖6 G-6、G-7剖面視電阻率-深度反演斷面圖

3）G-9剖面反演結(jié)果顯示在樁號(hào)500～560 m區(qū)域、深度70 m以淺存在低阻異常，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘，該異常為地下塌陷所致．根據(jù)G-10、G-11、G-12、G-14勘探線的淺部煤層出現(xiàn)位置（空間坐標(biāo)，埋藏深度）的視電阻率特征，確定下部煤層均具有采空區(qū)．通過(guò)G-11剖面成果圖，顯示在樁號(hào)為320～600 m范圍內(nèi)垂向上可見(jiàn)高-低-高視電阻率分布特征，該特征與地層巖性具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如位于低阻層上下兩側(cè)的高阻異常層可能為煤層頂?shù)装宓姆凵皫r，故兩高阻層中間部位即可推斷為M2煤層所在位置；中部綠色圈閉的低阻帶呈明顯環(huán)帶狀，與G-10剖面線樁號(hào)320～900 m、深度60 m左右的環(huán)狀綠色區(qū)域特征十分相似，對(duì)比G-4未開(kāi)采煤層的電阻率異常，認(rèn)為該測(cè)線上相應(yīng)深度出現(xiàn)煤層的低阻異常具有采空區(qū)的特征，故該異常位置可能為采空區(qū)存在部位．另外聯(lián)合G-10、G-11剖面線一并分析，兩次顯示的環(huán)帶圈閉低阻異常區(qū)在深度上基本相同，約垂深60 m左右，如圖7所示．

圖7 G-9、G-10、G-11剖面視電阻率-深度反演斷面圖

4）G-12剖面反演結(jié)果解釋該測(cè)線存在綠色串珠狀的低阻異常條帶，具體范圍為樁號(hào)320～600 m之間，由樁號(hào)320 m、深度約10 m處至樁號(hào)600 m、深度約85 m處結(jié)束，認(rèn)為該位置可能為采空區(qū)存在部位的特征．由圖8可知，順連的G-14勘探線剖面上樁號(hào)350～500 m范圍、垂向60 m深度處，出現(xiàn)一緩傾的綠色-墨綠色圈閉低阻環(huán)帶，推斷可能為采空區(qū)所在區(qū)域；剖面上樁號(hào)640～800 m范圍內(nèi)、垂向80 m深度至淺區(qū)域存在低阻異常區(qū)域，與煤層所在位置的部分采空區(qū)較為近似，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)背景分析，該區(qū)域的淺部低阻層可能是由低阻的不含煤地層組成．因此，該范圍內(nèi)存在一定程度塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，巖層結(jié)構(gòu)可能會(huì)不甚穩(wěn)定，需要作出超前預(yù)報(bào)，聯(lián)合G-10、G-11、G-12、G-14剖面線合并為一個(gè)預(yù)防塌陷的警戒區(qū)域．

圖8 G-14剖面視電阻率-深度反演斷面圖

在G-9、G-10、G-11、G-12測(cè)線上共設(shè)4個(gè)鉆孔點(diǎn)位，鉆孔孔深誤差校正結(jié)果均滿足實(shí)驗(yàn)要求，鉆孔數(shù)據(jù)均達(dá)標(biāo)．所有點(diǎn)位均反映地層內(nèi)部存在地下空區(qū)及縫隙等特征．與電法測(cè)得結(jié)果具有高度的一致性，其結(jié)果也側(cè)面反映該方法的可行性與實(shí)用性．相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示．

表2 鉆探驗(yàn)證采空區(qū)的位置

通過(guò)鉆孔工程分析掌握區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的賦存發(fā)育狀況，對(duì)地層穩(wěn)定性作進(jìn)一步控制和評(píng)價(jià)，利用電法勘探與鉆探相結(jié)合的方法，證實(shí)區(qū)內(nèi)采空區(qū)、相關(guān)煤層產(chǎn)狀及巖性特征等情況，符合該區(qū)域煤礦開(kāi)采遺留下的地質(zhì)現(xiàn)狀．

由此可見(jiàn)，高密度電阻率法對(duì)于采空區(qū)的識(shí)別行之有效，剝蝕程度和水侵面的不一致可能導(dǎo)致低阻異常區(qū)．該方法不能有效區(qū)分采空區(qū)內(nèi)部巖層間破碎、孔隙和斷裂、斷層之間的差異，只能反映該區(qū)域的高阻異常帶，孔隙和斷裂、斷層之間的差異可能需要布置更為密集的電極距進(jìn)行驗(yàn)證．以反演結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合地質(zhì)地層、巖性及產(chǎn)狀等特征預(yù)測(cè)采空區(qū)范圍，如圖9所示．

圖9 預(yù)測(cè)采空區(qū)范圍

5 結(jié)論

1）通過(guò)高密度電阻率法結(jié)合前期調(diào)查材料，基本已查明鑫源煤礦礦區(qū)內(nèi)主要煤層的采空區(qū)分布特征．該區(qū)域未采煤層的視電阻率為中高阻，采空區(qū)多呈藍(lán)色低阻環(huán)帶狀以及串珠狀特征，多數(shù)區(qū)域煤層上下具有兩高阻覆蓋層，出現(xiàn)高-低-高的視電阻率現(xiàn)象．

2）解譯出G-9、G-10、G-11、G-12、G-14五條高密度勘探線在60～70 m深度處均出現(xiàn)視電阻率環(huán)帶狀、串珠狀特征，判斷其測(cè)線范圍內(nèi)均出現(xiàn)采空區(qū)．并且由高密度測(cè)線反演結(jié)果圖可知，G-5、G-6、G-8剖面地層視電阻率變化特征主要為上低下高，上部低阻為泥巖，下部高阻為粉砂巖，也顯示出地層具有良好的橫向穩(wěn)定性．

3）經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，證實(shí)高密度電阻率法觀測(cè)精度高、采集范圍廣，在淺地層探測(cè)工程中有相當(dāng)好的應(yīng)用，能準(zhǔn)確探明采空區(qū)、相關(guān)煤層產(chǎn)狀及巖性特征，為后期治理與評(píng)價(jià)提供一定的參考．