澤州縣下村周邊煤礦采空區(qū)綜合物探勘查

劉建國，靳月文，崔春香

（1.山西省澤州縣國土資源局，山西 晉城 048000；2.中國冶金地質(zhì)總局三局，山西 太原 030002）

澤州縣下村周邊煤礦采空區(qū)綜合物探勘查

劉建國1，靳月文2，崔春香2

（1.山西省澤州縣國土資源局，山西 晉城 048000；2.中國冶金地質(zhì)總局三局，山西 太原 030002）

根據(jù)煤礦采空區(qū)地球物理特征，利用高密度電阻率法、瞬變電磁法、地震勘探、測氡法綜合物探方法探測其位置和范圍，取得了較為理想的勘查效果，指出了選擇兩種或兩種以上的方法組合，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高物探勘查的解釋精度。

綜合物探；煤礦；采空區(qū)

澤州縣下村位于山西省晉城市西北26 km處，東經(jīng) 112°43′53″～112°44′08″，北緯 35°38′29″～35°39′08″，該村自然經(jīng)濟(jì)以煤炭開采為主。2007年8月，下村西部和南部的部分居民房屋出現(xiàn)不同程度裂縫，房內(nèi)地面開裂、下沉，墻皮剝落等現(xiàn)象。經(jīng)過多次調(diào)查走訪，初步確定上述現(xiàn)象與周邊煤礦采煤活動有關(guān)。因此，通過了解本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖層特征、地下開采情況，運用合適的綜合物探方法，查清采空區(qū)的深度、大小、分布狀態(tài)，對于區(qū)內(nèi)災(zāi)害形成的原因分析、責(zé)任判定，以及災(zāi)害預(yù)防和治理具有指導(dǎo)和現(xiàn)實意義。

1 地形地貌及采礦活動

1.1 地形地貌

本區(qū)地處沁水盆地南緣，太行山南段西側(cè)，為黃土覆蓋的侵蝕低山區(qū)。區(qū)內(nèi)地貌特征以低山丘陵為主，溝谷發(fā)育，地勢西高東低，長河地表水由北向南在下村東流過。下村村東部多數(shù)居民住宅坐落在長河堆積Ⅰ、Ⅱ級階地臺面之上；西部一部分居民住宅坐落在長河堆積Ⅱ級階地后緣與黃土臺地的接合部位，在地形上形成較明顯的階坎?，F(xiàn)在村莊西部大部分耕地，由于煤礦的開采，地面陷落，形成新的微地貌，特征為沉降盆地。

1.2 采礦活動

澤州縣下村西大多數(shù)居民住房建在大南莊煤礦的礦界內(nèi)，村西的房屋建筑西鄰岳興煤礦，西北鄰郊北煤礦，村西基本上位于煤礦的開采范圍內(nèi)。

澤州縣下村鎮(zhèn)大南莊煤礦井口位于下村西南方向，距下村居民點最近約650.0 m。該礦始建于1980年，1982年3月投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模15萬t/a。采用豎斜混合開拓，單水平開采，開采范圍位于井田中部，有井口3個，現(xiàn)開采3號煤層，平均厚度6.18 m。采煤方式為壁式上下分層炮采，單體液壓支柱配金屬鉸接支護(hù)，經(jīng)調(diào)查井上下對照資料，井田北部已于2003年采空；澤州縣郊北煤礦為縣國有煤礦，井口位于下村的西北方向，距村邊居民點最近450.0m。始建于1998年，2000年投產(chǎn)，批準(zhǔn)開采3號、9號、15號煤層，生產(chǎn)規(guī)模9萬t/a，采用豎井開拓3號煤層，運輸巷道采用木支護(hù)，軌道運輸，采煤方法為長臂式一次性采全高，懸移支架，坑木支護(hù)；山西晉城岳興煤業(yè)有限公司位于下村西北方向，為原岳南煤礦的接替井，現(xiàn)已停產(chǎn)。以上三礦在下村村西南、西側(cè)和西北側(cè)形成大面積的采空區(qū)，地表已出現(xiàn)大面積地面塌陷和地裂縫。

2 地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，總體呈走向NNE向的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地層平緩，傾角3～6°，斷層不發(fā)育。

2.2 含煤地層

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，本區(qū)內(nèi)地層出露較簡單，大部分區(qū)域為第四系黃土層覆蓋，村東側(cè)主要出露第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)地層，村中部和村西部出露第四系上、中更新統(tǒng)地層，村西南在大南莊礦區(qū)區(qū)域出露二疊系下統(tǒng)山西組地層。根據(jù)地層出露情況及收集的勘探資料，含煤地層由老到新分述如下：石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）：為本區(qū)主要含煤地層之一，與下伏本溪組成整合接觸。巖性為灰色中、細(xì)粒砂巖、灰黑色粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，7～8層青灰色石灰?guī)r，夾8～10層煤層，在本區(qū)15號煤為可采煤層，厚度2.5～3.0m。該地層為一套屬海陸交互沉積地層。地層厚度85.00 m。二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）：在大南莊煤礦工業(yè)區(qū)以西的山丘出露該層，為本區(qū)主要含煤地層之一。巖性為灰白～灰色中、細(xì)粒砂巖、灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，含煤1～3層，其中3號煤層為主要可采煤層，煤層厚5.90～6.20m。地層厚65.00m。經(jīng)本次鉆探驗證，下村西側(cè)3號煤層頂板埋深53.90 m，煤層厚6.20m，地層傾向西，傾角為3.7°。

2.3 煤層頂板條件

1）偽頂：灰黑色泥巖，質(zhì)軟，厚0.10 m左右，多層結(jié)構(gòu)，極不穩(wěn)定，多隨煤層開采而冒落。

2）直接頂：灰黑色泥巖、粉砂巖，以泥巖為主，質(zhì)較堅硬，裂隙發(fā)育，厚度1.0～5.4 m，據(jù)周圍地層勘探資料，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為9.80～14.57MPa，平均12.19MPa，為軟弱巖石～中硬巖石，穩(wěn)定程度較差。

3）老頂：灰白色中、細(xì)粒砂巖和粉砂巖，鈣硅質(zhì)膠結(jié)，厚度一般為8.00m。粉砂巖抗壓強(qiáng)度27.00～41.80MPa，平均 32.20MPa，屬中硬巖；中、細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度32.60～41.20MPa，平均38MPa，飽和抗壓強(qiáng)度 22.9～26.5 MPa，平均 24.5 MPa，屬中硬巖，穩(wěn)定程度中等。

3 物探工作方法

為查明區(qū)內(nèi)3號煤層采空區(qū)分布狀態(tài)，根據(jù)本區(qū)地質(zhì)、地形、建筑分布等情況，采取了氡氣測量、瞬變電磁法、高密度電法和淺層地震四種方法進(jìn)行綜合探查。

3.1 高密度電法

本測區(qū)地層地電特征較為簡單，其大類可分為黃土、泥巖、砂巖、灰?guī)r、煤層、采空區(qū)。根據(jù)測井資料，黃土的視電阻率小于30 Ω·m；泥巖的視電阻率為30～100 Ω·m；砂巖的視電阻率為80～200 Ω·m；灰?guī)r的視電阻率為100～500 Ω·m；煤層的視電阻率為150～350Ω·m。采空區(qū)未充水時呈現(xiàn)高阻反映，但由于上部巖層塌落、巖層破碎導(dǎo)致上下巖層間水流貫通，在充水情況下表現(xiàn)為低阻反映。

本次工作采用WDJD-3型高密度電阻率系統(tǒng)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，電極排列施貝，最小隔離系數(shù)1，最大隔離系數(shù)16，點距10m。

3.2 瞬變電磁法

本次勘查使用ATEM-II型瞬變電磁儀。根據(jù)試驗結(jié)果，采用重復(fù)回線觀測方式，20×20 m的線框，30 A以上的電流進(jìn)行測量，發(fā)射頻率12.5 Hz，點距10m，逐線逐點施工。資料整理利用吉林大學(xué)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，步驟有：數(shù)據(jù)重排、濾波、處理文件生成、處理參數(shù)設(shè)置、電壓抽道、生成視電阻率、畸異點剔除、平滑，最后在GRAF及SURFER中生成電壓抽道和視電阻率斷面圖。

3.3 測氡法

采用活性炭法測量，儀器為TYHC-1活性炭氡氣測量儀。靜態(tài)條件下，干燥的活性碳對氡有極強(qiáng)的吸附能力，并在一定情況下保持正比關(guān)系。故把裝有活性碳的取樣器埋在土壤里，活性碳中豐富的孔隙便能強(qiáng)烈地吸附土壤中的氡。埋設(shè)7d時間后取出活性碳，測定其放射性。氡氣測量在村外按剖面布設(shè)，點距10m。在村內(nèi)居民區(qū)散點布設(shè)，在道路旁或未硬化的地面埋設(shè)收集杯，彌補(bǔ)了其它方法不能進(jìn)村工作的不足。

3.4 淺層地震法

表1 地震波阻抗參數(shù)表

1）地震勘探法主要以介質(zhì)的彈性差異為物理前提，當(dāng)?shù)叵鲁霈F(xiàn)采空或其它異常體時，在地震時距剖面上將會出現(xiàn)同相軸紊亂、錯動、“拱形體”等，同時能量減弱。當(dāng)?shù)貙悠椒€(wěn)時，地震時距剖面曲線同相軸比較連續(xù)穩(wěn)定。根據(jù)收集到的資料，本區(qū)各巖層的波阻抗參數(shù)見表1，各巖層波阻抗差異為本次地震工作提供了地球物理前提。2）本次地震勘探法采用12次覆蓋觀測系統(tǒng)，采樣間隔0.5 ms，48道接收，偏移距50m。數(shù)據(jù)處理采用重慶地質(zhì)儀器廠的專用地震處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 勘查結(jié)果分析

4.1 高密度電法

實測完成11條高密度電法剖面。在下村西南區(qū)內(nèi)，圈出2處低視電阻率異常區(qū)，其埋深與3號煤層埋深相對應(yīng)，深度在65～70m的范圍，推測為煤層采空區(qū)引起上覆巖層塌落或裂隙加大，局部導(dǎo)致采空區(qū)充水或巖層裂隙水含量增高所致。在下村西北區(qū)，圈出2處低視電阻率異常區(qū)，深度約65.00 m左右，其埋深與3號煤層相對應(yīng)。見圖1。

4.2 瞬變電磁法

瞬變電磁電阻率反演斷面圖（見圖2）與高密度電阻率反演斷面圖（見圖1）吻合性較好，其勘探深度較高密度電法要大，反映了較深部的巖性特征。斷面上的高阻明顯地反映了殘留煤柱的存在，與氡濃度剖面（圖3）的低氡濃度區(qū)段有較好的對應(yīng)，其反映采空區(qū)的低阻異常與氡濃度的高氡濃度位置也有較好的對應(yīng)關(guān)系。在靠近村莊時，由于高壓線的存在，對部分剖面形成干擾，影響了勘查效果。

4.3 氡氣測量法

在非采空區(qū)地段，由于煤層的孔隙及裂隙不發(fā)育，不利氡的運移，因此在地表覆蓋層中形成低氡濃度；氡氣值較低，均在1000以下，且變化較為平緩。在相同地表條件下，數(shù)據(jù)一般在某個數(shù)值上下波動。當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)后，由于斷隙發(fā)育，有利于氡的聚集，所以在采空區(qū)上方覆蓋層中可測到較高氡濃度，出現(xiàn)氡異常；氡氣值的峰值多在1000以上，甚至更高，而且相鄰點數(shù)值變化劇烈，在剖面圖上比較直觀清楚，見圖3。

4.4 淺層地震法

由于探查范圍鄰近村莊，地震勘探收到了限制。公路上頻繁來往的重型車輛，也對地震勘探造成干擾。從11條地震勘探剖面看，效果不夠理想，采空區(qū)異常識別較為困難。個別剖面在采空區(qū)上方出現(xiàn)同相軸紊亂，或原來連續(xù)穩(wěn)定同相軸消失的現(xiàn)象，可作為判定采空區(qū)存在的依據(jù)。參見圖4。

圖1 16線高密度電法剖面圖

圖2 107線瞬變電剖面圖

5 結(jié)論

通過四種物探方法在本區(qū)探查結(jié)果的綜合分析，結(jié)合已知資料及實地地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，可以取得以下認(rèn)識：由于3號煤層頂板巖石質(zhì)軟，裂隙發(fā)育，穩(wěn)定程度較差，多隨煤層開采而冒落，采空區(qū)被踏落物和水充填，因此高密度電阻率和瞬變電磁法在采空區(qū)上表現(xiàn)為低阻異常，二者異常吻合性較好，在剖面上異常的位置與3號煤層相對應(yīng)；在采空區(qū)段氡濃度曲線為鋸齒狀，波動較大，濃度值基本在1000以上，區(qū)別于正常地段；殘留煤柱電阻率表現(xiàn)為高阻，氡濃度則相對較低；淺層地震受地形、地面建筑、過往車輛等干擾，效果不明顯，只在個別采空地段出現(xiàn)了同相軸不連續(xù)、紊亂的現(xiàn)象，大多地段異常不明顯；瞬變電磁法比高密度電阻率法探查深度大，反映了較深部的巖性特征。但受到高壓線等外部干擾較大，尤其是靠近村莊時干擾嚴(yán)重，在這些地段的測點不可利用；氡氣測量基本不受外部干擾影響，而且可以布置在建筑區(qū)，彌補(bǔ)了其它方法無法在建筑區(qū)探查的不足，在測點布設(shè)時具有特殊的優(yōu)勢；應(yīng)用多種地球物理勘探方法進(jìn)行綜合勘查，可以互相佐證，綜合判斷，使解釋與推斷結(jié)果更趨合理和準(zhǔn)確。本次物探勘查結(jié)果說明，在該區(qū)域應(yīng)用高密度電阻率法、瞬變電磁法和氡氣測量對采空區(qū)進(jìn)行綜合勘查，可以取得較為明顯的探查效果，為災(zāi)害的原因分析、判定和治理工作提供可靠的依據(jù)。

圖3 107線氡氣測量剖面圖

圖4 15線淺層地震剖面圖

〔1〕山西省第三地質(zhì)工程勘查院.山西省澤州縣（含晉城城區(qū)）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告[R].2004.

〔2〕山西太行礦業(yè)工程技術(shù)有限公司.澤州縣下村鎮(zhèn)下村村西房屋裂縫與采煤地表變形關(guān)系勘查報告[R].2008.

〔3〕山西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局二一二地質(zhì)隊.澤州縣下村鎮(zhèn)大南莊煤礦2007年度礦山儲量年報.澤州縣郊北煤礦2007年度礦山儲量年報[R].2008.

〔4〕（ISBN7-5020-1662/TD7-65）《煤行管字［2000］第81號》，建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].

Abstract:Based on the geophysics characteristics of mined-out areas,the study used integrated geophysical exploration methods（including high-density resistivity method,transient electromagnetic method,seismic exploration and radon measurement）to detect the location and range of the mined-out areas and achieved an ideal detection effect.The paper points out that the combination of two methods or more can achieve the optimum mutual complementation and improve the interpretation accuracy of geophysical exploration.

Keywords:comprehensive geographical exploration;mine;mined-out areas

編輯：劉新光

Comprehensive Geophysical Exploration in Mined-out Areas around Xiacun Village Zezhou County

LIU Jian-guo1,JIN Yue-wen2,CUI Chun-xiang2
（1.Zezhou municipal land and resources bureau,Jincheng Shanxi 048000,China 2.The 3rd branch of china metallurgy geological bureau,Taiyuan Shanxi 030002,China）

P624

A

1672-5050（2010）04-0051-04

2010-01-28

劉建國（1970—），男,山西澤州人，大學(xué)本科，工程師，從事礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理和礦山資源管理工作。