瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

謝孔金,謝一鳴,鐘 欣,賴美丹,張照祥,王海洋

(1.山東高速巖土工程有限公司,山東 濟(jì)南 250098;2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;3.山東魯勘集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250118;4.山東魯建土木工程有限公司,山東 濟(jì)南 250022)

0 引言

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展,土地資源愈發(fā)稀缺,不適宜建筑的采空區(qū)場地經(jīng)處理后也被開發(fā)為建設(shè)用地,采空區(qū)的地基穩(wěn)定性與工程建設(shè)的安全隱患存在緊密聯(lián)系。所以,采空區(qū)場地在工程施工建設(shè)前應(yīng)查明場地地基穩(wěn)定性和作為工程場地的適宜性[1]。由于地下開采的煤礦采空區(qū)一般埋藏深度大,勘察時鉆探工作量大、費(fèi)用高、工期長,且難以全面地反應(yīng)擬建場地采空區(qū)分布狀況[2],可在搜集煤礦開采資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次物探工作。瞬變電磁法具有體積效應(yīng)小、分層能力強(qiáng)、異常響應(yīng)形態(tài)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外采空區(qū)場地的勘察中得到了廣泛的應(yīng)用[3-8]。

1 工區(qū)地質(zhì)簡況

工區(qū)位于濟(jì)南市章丘區(qū)濟(jì)東煤田的南部邊緣,本區(qū)屬魯中南隆起區(qū),區(qū)域構(gòu)造發(fā)育,以北西向斷裂為主,斷裂在第四紀(jì)時期均有一定程度的活動,詳見圖1。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

根據(jù)搜集的勘察資料,該區(qū)地貌單元屬山前沖洪積平原,采空區(qū)深度范圍內(nèi)的地層自上而下主要有:

(1)第四系粘土和礫石層,一般厚度0～22.40 m;

(2)二疊紀(jì)石盒子組砂巖、泥巖,一般厚度175 m左右;

(3)二疊紀(jì)山西組泥巖、砂巖,含薄煤層(組)4層(1、2、3、4),一般厚度90 m左右;

(4)石炭—二疊紀(jì)太原組砂巖、粘土巖、粉砂巖、泥巖及石灰?guī)r,含薄煤8～10層,一般厚度162 m左右;

(5)石炭紀(jì)本溪組泥巖、石灰?guī)r,有時夾薄煤層,一般厚度50 m左右。

2 瞬變電磁法成果

2.1 地球物理特征

場地內(nèi)地層電性的顯著差異是瞬變電磁法的工作基礎(chǔ),依據(jù)這種電性異常特征可以圈定采空區(qū)[9]。具體來說,頂板以上巖石地層的平均電阻率值相比煤層明顯較低,底板以下巖層電阻率最高,充水的斷層破碎帶電阻率明顯低于巖層,充水的采空區(qū)也表現(xiàn)為較低的電阻率值,不充水的采空區(qū)表現(xiàn)為相對較高的電阻率,采空區(qū)上方冒落帶巖層破碎和出現(xiàn)大量的空隙和裂隙,表現(xiàn)為視電阻率等值線的波動,當(dāng)采空區(qū)的空隙被水或泥所充填后,表現(xiàn)為電阻率明顯低于周圍完整巖石,即低阻特征。除了垂直分量的異常特征之外,水平分量異常特征的研究對于瞬變電磁法的勘察應(yīng)用也十分重要[10]。

2.2 儀器選擇及參數(shù)

根據(jù)場地的地形及探測深度的要求,結(jié)合地層巖性特征,選用澳大利亞產(chǎn)的TerraTEM瞬變電磁儀,儀器性能技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.3 采空區(qū)識別原則

物探工作的主要任務(wù)是查明工作區(qū)采空區(qū)分布范圍,故采空區(qū)異常是解釋的主要目標(biāo),采空區(qū)特征的反演可以用多種方式進(jìn)行[11]。根據(jù)物探測量數(shù)據(jù),結(jié)合場地地層巖性、水文地質(zhì)及煤礦開采等因素,確定采空區(qū)主要識別原則如下:

(1)對未開采礦體,地層一般呈層狀,視電阻率曲線表現(xiàn)為平緩的曲線,表現(xiàn)出電性比較穩(wěn)定。

(2)礦體采出后,地層不連續(xù),視電阻率曲線波動,表現(xiàn)出明顯的局部高阻或低阻的特征。

(3)礦體賦存位置的電性異常推測為采空區(qū)。

2.4 成果解疑

根據(jù)場地地形地貌情況,結(jié)合搜集到的地質(zhì)資料,本次勘探工作共布置瞬變電磁測線19條,剖面方向0°,點(diǎn)距10 m,線距20 m,坐標(biāo)點(diǎn)978個,試驗點(diǎn)22個,檢測點(diǎn)60個,合計物理點(diǎn)1 160個。選擇有代表性的11#和13#剖面線物探成果進(jìn)行解疑。

2.4.1 S11線成果

該線布設(shè)于探測區(qū)中部,測線方位0°,測點(diǎn)編號由南向北逐漸增大,測線長度500 m。瞬變電磁勘探S11線視電阻率斷面圖見圖2。

圖2 瞬變電磁勘探S11線視電阻率斷面圖

從圖2可以看出,該剖面電阻率值在橫向上波動幅度較大,表現(xiàn)為高低阻相間變化特征,縱向上整體表現(xiàn)為由淺至深視電阻率逐漸增大的電性特征。橫向上在剖面40～220 m范圍視電阻率值不連續(xù),縱向上在深度50～70 m范圍內(nèi),整體視電阻率值相對較小,結(jié)合井田地質(zhì)及地球物理特征,推斷該處低阻電性異常是采空區(qū)頂板塌落、周圍巖體裂隙發(fā)育充水的表現(xiàn);橫向上在剖面360～430 m范圍視電阻率值不連續(xù),縱向上在深度50～70 m范圍內(nèi),整體視電阻率值相對較小,結(jié)合井田地質(zhì)、地球物理特征及工作區(qū)搜集資料可知,該區(qū)域附近有斷層發(fā)育,推斷該處低阻異常是斷層周圍巖石較破碎、完整性差和巖層斷裂破碎充水的表現(xiàn)。

2.4.2 S13線成果

該線布設(shè)于探測區(qū)中部,測線方位0°,測點(diǎn)編號由南向北逐漸增大,測線長度500 m。瞬變電磁勘探S13線視電阻率斷面圖見圖3。

圖3 瞬變電磁勘探S13線視電阻率斷面圖

從圖3可以看出,該剖面電阻率值在橫向上波動較大,呈現(xiàn)高低阻相間變化特征,縱向上整體表現(xiàn)為由淺至深視電阻率逐漸增大的電性特征。橫向上在剖面80～175 m范圍視電阻率值不連續(xù),縱向上在深度30～60 m范圍內(nèi),整體視電阻率值相對較小,結(jié)合井田地質(zhì)及地球物理特征,推斷該處低阻異常是煤層局部采空后頂板塌落、周圍巖體裂隙發(fā)育充水的表現(xiàn)。

3 鉆探驗證

根據(jù)瞬變電磁法解譯成果,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,推測探測區(qū)范圍內(nèi)存在采空區(qū),結(jié)合有關(guān)規(guī)范要求,在推測采空區(qū)分布區(qū)布置鉆探驗證孔,其中ZK2位于S13剖面、ZK4位于S11剖面。兩個鉆探驗證孔情況分述如下。

3.1 ZK2鉆孔

鉆孔深度89.09 m,位于S13剖面線的150 m處,自上而下揭露了第四系土層、二疊紀(jì)山西組泥巖和石盒子組砂巖、石炭—二疊紀(jì)太原組泥灰?guī)r。根據(jù)鉆探記錄判斷采空區(qū)位于30.0～30.80 m處,鉆探巖芯破碎且局部無巖芯,可見少量煤碎塊。鉆進(jìn)過程中進(jìn)尺快且出現(xiàn)不返水現(xiàn)象,鉆探揭露采空區(qū)的深度與瞬變電磁法推測的采空區(qū)深度30～60 m基本是一致的。鉆孔終孔靜止水位在77.1 m。結(jié)合搜集的地質(zhì)資料,推斷為7煤采空區(qū)。ZK2鉆孔巖芯見圖4。

圖4 ZK2巖芯揭露采空區(qū)位置

3.2 ZK4鉆孔

鉆孔深度89.46 m,位于11#剖面線100 m處,自上而下揭露了第四系土層、二疊紀(jì)山西組泥巖和石盒子組砂巖、石炭—二疊紀(jì)太原組泥灰?guī)r。根據(jù)鉆探記錄判斷采空區(qū)位于60.0～61.0 m處,鉆探巖芯破碎且局部無巖芯,見少量煤碎塊,該位置鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)進(jìn)尺快的現(xiàn)象,鉆探揭露采空區(qū)的深度與瞬變電磁法解疑的采空區(qū)深度50～70 m是一致的。鉆孔終孔靜止水位在77.2 m。結(jié)合搜集的地質(zhì)資料,推斷為7煤采空區(qū)。ZK4鉆孔巖芯見圖5。

物探推測結(jié)果與鉆探驗證揭露采空區(qū)對比情況如表2,可以得出如下結(jié)論:鉆孔揭露的煤礦采空區(qū)位置與物探推測結(jié)果基本吻合。鉆探揭露采空區(qū)深度較瞬變電磁法成果偏淺,推斷與鉆孔的位置和采空區(qū)冒落帶的分布有關(guān)。

4 結(jié)語

(1)地下開采煤礦采空區(qū)一般埋深較大,采用鉆探手段工作量大且成本較高,用物探方法可節(jié)省造價節(jié)約工期。

(2)工程實例證明,采用瞬變電磁法進(jìn)行采空區(qū)勘察是可行的,經(jīng)鉆探驗證結(jié)果是可靠的。

(3)由于物探方法具有多解性,解疑時要綜合考慮地質(zhì)特征和電性差異等因素。