摘" 要：煤礦開采過(guò)程中，地層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，地層的含水變化、不同地層巖石的物理性質(zhì)差異、煤層的開采方式和采高、地層的傾角變化等因素都會(huì)造成覆巖結(jié)構(gòu)不同程度地破壞，采空區(qū)上部形成復(fù)雜的覆巖結(jié)構(gòu)。通過(guò)常規(guī)物探手段只能探測(cè)一種物性差異，不能解決復(fù)雜的覆巖結(jié)構(gòu)。本次采用電法、微動(dòng)勘探和氡氣測(cè)量3種物探方法綜合探測(cè)，結(jié)合鉆孔資料和地質(zhì)資料綜合闡述采空區(qū)上部覆巖結(jié)構(gòu)的基本形態(tài)，以及各種物探方法的局限性。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；覆巖結(jié)構(gòu)；微動(dòng)勘探；氡氣測(cè)量；電法勘探

中圖分類號(hào)：TD325.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0169-05

Abstract： In the process of coal mining， the stable structure of strata is destroyed， the change of water content of strata， the difference of physical properties of rocks in different strata， the mining mode and mining height of coal seam， the change of dip angle of strata and other factors will cause different degrees of destruction of overburden structure， and complex overburden structure is formed in the upper part of goaf. Through a conventional geophysical method， only one kind of physical property difference can be detected， but the complex overburden structure can not be solved. In this paper， electric method， fretting exploration and radon measurement are used to comprehensively describe the basic shape of the overlying rock structure in the upper part of the goaf and the limitations of various geophysical methods.

Keywords： goaf; overburden structure; fretting exploration; radon measurement; electrical exploration

實(shí)測(cè)采空區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度的常規(guī)方法是采用鉆探施工，利用數(shù)字化鉆孔可視系統(tǒng)監(jiān)測(cè)或聲波測(cè)井等探測(cè)巖層破碎程度確定，此種方法成本高、施工效率低。綜合物探是通過(guò)地面探測(cè)，確定煤礦采空區(qū)導(dǎo)水裂縫帶的高度，此種方法可快速經(jīng)濟(jì)探測(cè)煤礦采空區(qū)形成的導(dǎo)水裂縫帶高度，為同行提供參考。

1" 工作區(qū)條件

1.1" 工作區(qū)地層

本次工作區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)寧東鎮(zhèn)以東靈武礦區(qū)中部，工作區(qū)地層由老至新有三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系（K）及第四系（Q）。以下簡(jiǎn)述主要地層情況。

1.1.1" 侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）

延安組為本區(qū)含煤地層，地表未出露，為一套河流—湖泊—湖泊三角洲相碎屑巖沉積建造。巖性為長(zhǎng)石石英砂巖，粉砂巖、泥巖、煤和少量炭質(zhì)泥巖，底部為一套粗粒砂巖或含礫粗砂巖，區(qū)內(nèi)延安組連續(xù)分布，延安組地層厚度250.75～427.97 m，平均厚度326.45 m左右。

1.1.2" 侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）

為含煤地層的上覆巖系，為一套干旱氣候條件下的河流—湖泊相沉積。該層厚度372.00～573.41 m，平均厚度443.65 m。該組巖性上部以細(xì)砂巖為主，夾薄層粗砂巖及粉砂巖。中部以粉砂巖為主，夾砂巖及薄層泥巖。下部以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，夾中厚層層狀粗粒及中粒砂巖。底部為一厚層粗砂巖（俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”），是一煤層的直接頂板。與下伏延安組地層呈整合接觸。

1.1.3" 侏羅系上統(tǒng)安定組（J3a）

安定組為一套干燥氣候條件下的河流、湖泊相紅色沉積，俗稱“紅層”。

巖性以粉砂巖和泥巖為主，夾中細(xì)粒砂巖。底部普遍有一層褐紅色砂巖與下伏直羅組地層呈整合接觸。

1.1.4" 第四系（Q）

全區(qū)發(fā)育，底部為風(fēng)化殘留的變質(zhì)巖、灰?guī)r等卵礫石和鈣化結(jié)核，中部為沖淤積的黃沙土，頂部為風(fēng)積沙丘及沙土層。鉆孔揭露厚度1.50～26.95 m，平均厚度10.39 m。

1.2" 工作區(qū)水文地質(zhì)

1.2.1" 含水層

影響工作區(qū)的主要含水層為侏羅系含水層。侏羅系地層各巖層富水性差異較大。直羅組底部砂巖含水性較好，鉆孔單位涌水量q=0.030～0.042 L/s·m，礦化度為5.201～20.421 g/L。地下水運(yùn)動(dòng)緩慢，屬高礦化度水。

直羅組底部砂巖段至二煤頂板砂巖含水層組該含水層是影響二煤開采的直接充水含水層，分布于整個(gè)礦井。含水層厚46.01～99.11 m，平均厚度76.53 m。其中以直羅組底部厚層粗粒砂巖為主。與一煤直接接觸，其間沒(méi)有厚而穩(wěn)定的隔水層，為煤層的直接充水含水層。該段砂巖巖性疏松易碎，透水性好，層位穩(wěn)定，厚度變化由北而南、由西往東逐漸增厚。鉆探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有些鉆孔漏水較為嚴(yán)重，該含水層為二煤層開采的直接充水含水層，為羊場(chǎng)灣煤礦主要的水害類型。

1.2.2" 充水現(xiàn)狀

二煤層開采區(qū)，井下涌水主要是來(lái)自掘進(jìn)及回采過(guò)程中頂板砂巖水。由于直羅組底部砂巖含水層頂部有一較為穩(wěn)定的隔水層，使直羅組砂巖含水層上下段之間水力聯(lián)系減弱。但二煤層開采后，由于煤層開采產(chǎn)生的冒落帶及導(dǎo)水裂縫帶影響，使直羅組底部砂巖含水層與采空區(qū)形成一體，使水文地質(zhì)條件變得較為復(fù)雜。

井下累積排水量隨著開采范圍的不斷擴(kuò)展及開采深度的增加而增加，但由于地下水總體補(bǔ)給條件較差，地下水開采主要以消耗靜儲(chǔ)量為主，因此礦井涌水量將隨著抽水時(shí)間的延續(xù)將出現(xiàn)逐漸減小或最終穩(wěn)定在正常水平。

1.3" 煤層

工作區(qū)主要開采煤層為二煤層、六煤層。

二煤層：位于延安組上部第Ⅳ段，井田內(nèi)層位穩(wěn)定，煤層厚度3.04～14.04 m，平均厚度8.11 m，屬全區(qū)可采煤層。

六煤層：位于延安組中上部第Ⅲ段，井田內(nèi)層位較穩(wěn)定，煤層厚度0～7.64 m，平均厚度1.28 m，屬大部可采煤層。

2" 勘探前提

2.1" 氡氣測(cè)量

氡氣測(cè)量是利用氡（Rn）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在自然條件下，空氣中氡含量是穩(wěn)定的，氡元素“自身”固有的運(yùn)移方向主要為向上運(yùn)移。煤層采空后，采空區(qū)上部地層會(huì)形成垮落帶，垮落帶與周圍地層相比地層相對(duì)松散，存在大量的空隙，且大的空隙互相連通，形成負(fù)壓區(qū)，有利于氡氣向采空區(qū)富集，采空區(qū)上方會(huì)形成采厚10倍以上的裂縫帶，是氡氣由富集區(qū)上移的通道。因此，在地表測(cè)量氡氣含量的大小，反應(yīng)裂隙分布范圍。上述因素是本次采用氡氣勘探的前提。

2.2" 電法勘探

音頻大地電磁剖面測(cè)量是通過(guò)觀測(cè)地面上的電、磁場(chǎng)分量，可得到觀測(cè)上的視電阻率（或相位）－頻率曲線。由視電阻率－頻率曲線通過(guò)一定的反演方法可獲取地下不同深度的電阻率分布。

收集的水文地質(zhì)資料，侏羅系含水層礦化度一般在5.201～20.421 g/L左右，水質(zhì)屬酸性含K、Na離子型水，含水地層電阻率表現(xiàn)為低電阻率異常。結(jié)合以往井下（圖1）和地面物探（圖2）結(jié)果及其驗(yàn)證情況，直羅組地層一般表現(xiàn)為中、低阻區(qū)，在本區(qū)表現(xiàn)為電阻率值10～20 Ω·m左右；采空區(qū)不含水的情況下，采空區(qū)呈現(xiàn)高阻區(qū)域，電阻率值在20～50 Ω·m左右。充水采空區(qū)和富水地層電阻率在小于10 Ω·m。根據(jù)上述電性特征，工作區(qū)具備開展電法勘探的前提。

2.3" 微動(dòng)勘探

微動(dòng)勘探的原理是利用瑞雷波的頻散效應(yīng)，探測(cè)地下介質(zhì)的瑞雷波速，利用頻散曲線求取半波長(zhǎng)近似對(duì)應(yīng)地層深度，這樣就得到不同深度的瑞雷波速，然后利用相關(guān)公式計(jì)算視橫波速度用以資料解譯。

煤層采空后，采空區(qū)上部覆巖出現(xiàn)破碎或裂隙，根據(jù)鉆孔彩色電視觀測(cè)結(jié)果，導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)的巖體出現(xiàn)連續(xù)裂隙（圖3），垮落帶巖體破壞嚴(yán)重，裂隙發(fā)育縱橫交錯(cuò)（圖4），鉆孔底部可見各種巖性松散堆積，雜亂且無(wú)規(guī)律。出現(xiàn)裂隙的巖體密度相對(duì)完好的巖體密度會(huì)變小，巖體松散堆積會(huì)進(jìn)一步降低巖體的密度，對(duì)應(yīng)的地層橫波速度也會(huì)相應(yīng)地降低。且根據(jù)已知鉆孔，導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度是煤層采厚的20多倍，異常尺度也能達(dá)到相應(yīng)要求，具備開展微動(dòng)勘探的前提。

3" 應(yīng)用實(shí)例

3.1" 工作區(qū)的選擇

本次工作區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)寧東鎮(zhèn)以東靈武礦區(qū)中部，在工作區(qū)選擇一個(gè)近期開采的工作面130205工作面，采掘時(shí)間2018年9月—2020年9月底，130205工作面地面海拔標(biāo)高+1 373.8～+1 387.1 m，平均標(biāo)高1 381 m左右；平均開采厚度為6.1 m，煤層傾角為14°～20°，平均傾角17°，工作面傾向?qū)挾葹?34 m，走向長(zhǎng)度為1 612m。二煤底板標(biāo)高在剖面上的標(biāo)高637～760 m，平均深度682 m，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

3.2" 工作布設(shè)

在130205工作面上布置兩條剖面，即一條傾向剖面和一條走向剖面，位置均在停采線的一側(cè)。經(jīng)計(jì)算可得，傾向剖面L2布置在距離停采線約266 m處，剖面長(zhǎng)度900 m。走向剖面DL2沿著平行于130201工作面方向布設(shè)，基本位于工作面中間，長(zhǎng)度1 000 m。剖面布置如圖5所示。

分別在兩條剖面上開展氡氣測(cè)量、微動(dòng)勘探和音頻大地電磁測(cè)深3種工作方法。音頻大地電磁測(cè)深采用40 m的點(diǎn)距，微動(dòng)的點(diǎn)距100 m，氡氣測(cè)量的點(diǎn)距20 m。在2020年8月底采集音頻大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)，9月初采集微動(dòng)數(shù)據(jù)，11月初測(cè)量的氡氣剖面。

并在2022年7月中旬二次采集音頻大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)和微動(dòng)數(shù)據(jù)。

3.3" 數(shù)據(jù)分析

3.3.1" 氡氣測(cè)量

通過(guò)圖6 可以看出氡氣值較高的區(qū)域往往分布在保留煤柱附近或采煤邊界附近，保留煤柱在臨近工作面未開采的時(shí)候就是采煤邊界。煤層采空后，采空區(qū)上方的覆巖由于重力作用會(huì)下沉，采煤邊界地層對(duì)覆巖起到向上的支撐作用2種力的共同作用下，往往會(huì)在邊界上方地層裂隙最為發(fā)育，且發(fā)育高度大于采空區(qū)其他區(qū)域。裂隙發(fā)育區(qū)域?yàn)殡睔馓峁┝己玫纳弦骗h(huán)境，氡氣在保留煤柱附近或采煤邊界附近出現(xiàn)高值與氡氣的特性是一致的。

圖7在停采線附近沒(méi)有出現(xiàn)高值的原因分析，氡氣測(cè)量時(shí)間距離停采時(shí)間間隔不到2個(gè)月，邊界裂隙需要較長(zhǎng)時(shí)間才能充分發(fā)育，停采時(shí)間較短，氡氣上移通道不暢是一個(gè)原因。氡氣在停采線附近的富集時(shí)間較短，氡氣濃度不夠，上移的氡氣相對(duì)減少是另一個(gè)原因，綜合下來(lái)氡氣上移到地表的濃度很低。

3.3.2" 電法勘探

對(duì)照礦區(qū)已有采掘資料和水文資料，分析以往可控源音頻大地電磁剖面（圖2），二煤層開采后，由于煤層開采產(chǎn)生的冒落帶及導(dǎo)水裂縫帶影響，使直羅組砂巖含水層與采空區(qū)形成一體，地層水通過(guò)裂縫帶進(jìn)入巷道，被抽排到地表，由于地下水總體補(bǔ)給條件較差，地下水主要以消耗靜儲(chǔ)量為主，隨著開采范圍的不斷擴(kuò)展及開采深度的增加，地層含水位持續(xù)下降，形成淺部采空區(qū)以高阻形態(tài)出現(xiàn)，在地層含水位以下的采空區(qū)以低阻形態(tài)出現(xiàn)。

從圖8可以看出，在2020年9月，高電阻率異常出現(xiàn)在工作面130203的下傾邊界和工作面130205上傾邊界，根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)資料，地下水主要消耗靜儲(chǔ)量為主，在2020年9月，130205工作面還在開采，且工作面130203工作面與130205保留煤柱只有7.5 m，130205工作面采空后，保留煤柱完全破碎，2個(gè)工作面的地下水連通。地下水補(bǔ)給主要沿著導(dǎo)水裂縫帶流進(jìn)采空區(qū)，然后被抽排出去，工作面130203工作面的下傾邊界上方地下水經(jīng)過(guò)裂隙發(fā)育區(qū)流入采空區(qū)，上部地層水基本沒(méi)有補(bǔ)給來(lái)源，上部地層以充氣為主表現(xiàn)為高阻。工作面130203上傾邊界和工作面130205下傾邊界周圍地層水持續(xù)補(bǔ)充，導(dǎo)水裂裂縫帶動(dòng)態(tài)含水，裂縫帶發(fā)育地區(qū)表現(xiàn)為低阻區(qū)域。

2022年7月，高電阻率分別出現(xiàn)在工作面130203和工作面130205中部，采空區(qū)上部覆巖電阻率降低。2022年7月，工作面130205停采近2年了，采空區(qū)內(nèi)的地層涌水不再直接抽排，地層水很快充滿導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶，地層整體呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，僅在局部地區(qū)還存在空氣填充，局部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。

沿著工作面130205走向布設(shè)的電法剖面（圖9）也印證上述觀點(diǎn)，在2020年9月的DL2剖面上，采空區(qū)上部覆巖呈現(xiàn)高阻形態(tài)，越靠近停采線采空區(qū)上部覆巖高阻區(qū)域越小 ，探測(cè)結(jié)果跟地下水的運(yùn)移是相關(guān)的，越靠近停采線地下水補(bǔ)給越充分，相對(duì)遠(yuǎn)離停采線地層水補(bǔ)給差。到了2022年7月，采空區(qū)上部覆巖電阻率與圍巖基本一致，說(shuō)明地下水已經(jīng)充滿導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶。

根據(jù)上述解釋原則，結(jié)合氡氣測(cè)量結(jié)果對(duì)導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育范圍進(jìn)行定量解譯，在采空區(qū)中部導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度約為100 m左右，約為采厚的16倍，在采空區(qū)邊界附近，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度約為130 m左右，約為采厚的21倍。與已知鉆孔探測(cè)的裂高采比（22.23～23.05）基本一致。

3.3.3" 微動(dòng)勘探

2020年9月開展的微動(dòng)勘探，頻散曲線在固定頻率出現(xiàn)干擾且無(wú)法濾除，推測(cè)地下煤層開采還沒(méi)結(jié)束，采煤的機(jī)械和地層破碎震動(dòng)干擾探測(cè)結(jié)果，探測(cè)結(jié)果較為雜亂，剖面不再展示，圖10和圖11為2022年開展的微動(dòng)勘探，從視橫波剖面來(lái)看，采空區(qū)上部出現(xiàn)低速區(qū)，局部地區(qū)以高速顯示。煤層采空區(qū)后，采空區(qū)上部覆巖發(fā)生形變，形成垮落帶和裂縫帶，地層密度降低，橫波速度隨之變低。根據(jù)上述解釋原則，結(jié)合電法解釋結(jié)果圈出導(dǎo)水裂縫帶分布范圍，解釋結(jié)果與電法剖面基本一致。

4" 結(jié)論

1）氡氣測(cè)量能夠反應(yīng)裂隙發(fā)育區(qū)域，而在采煤邊界附近地層應(yīng)力變化最大，裂隙發(fā)育高度跟高，是氡氣上移的良好通道，通過(guò)這種特性可以圈出采空區(qū)上部導(dǎo)水裂縫帶的分布范圍。

2）電法勘探可以探測(cè)地下水的分布范圍，通過(guò)分析地下水的運(yùn)移方式，可以較準(zhǔn)確的確定導(dǎo)水裂縫帶的分布范圍和分布高度，但要注意電法勘探的時(shí)效性，不同時(shí)間探測(cè)結(jié)果差異很大，在已知資料不充分的的情況下容易。

3）微動(dòng)勘探可以利用天然面波探測(cè)地層的速度結(jié)構(gòu)，對(duì)軟弱層或低速層反應(yīng)靈敏，能夠較準(zhǔn)確的確定低速層的分布范圍，確定導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度，但天然源勘探也容易被外界干擾，不易獲得好的數(shù)據(jù)。

總得來(lái)說(shuō)，采用綜合物探方法探測(cè)采空區(qū)上部覆巖結(jié)構(gòu)是可行的，多種物探方法可以互相補(bǔ)充互相驗(yàn)證，提高解譯精度。但同時(shí)也要注意各種物探方法的適用條件及探測(cè)精度。采空區(qū)上部覆巖的垮落帶高度根據(jù)已知鉆孔可知冒采比為6.20～6.25，按照公式推算垮落帶高度約38 m，小于測(cè)深的十分之一，探測(cè)精度較低。

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