微重力探測在200 m以淺采空區(qū)的應(yīng)用

劉紅達 宋建華 林增民 王如喜 李積濤 李超

收稿日期：20240109；修訂日期：20240228；編輯：王敏

基金項目：山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院青年科技創(chuàng)新基金項目“微重力測量在地下采空區(qū)探測中的應(yīng)用效果研究（QN202010）”和山東省2018年度省級地質(zhì)勘查項目“山東省1∶5萬苗山、顏莊幅區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查（魯勘字〔2018〕38號）”聯(lián)合資助

作者簡介：劉紅達（1989—），男，河北定州人，工程師，主要從事地球物理勘探工作；Email：liuda52100@163.com? *通訊作者：宋建華（1979—），男，寧夏海原人，正高級工程師，主要從事地球物理勘探工作；Email：40789697@qq.com

摘要：濟南市鋼城區(qū)擬建設(shè)一個市民文體綜合活動中心，建設(shè)用地處于原黃莊煤礦所在地，采煤歷史悠久，開采資料記錄不詳實，需要進行采空區(qū)探測。建設(shè)場地處于城區(qū)，人文電磁干擾較嚴重。根據(jù)密度差異原理提出使用微重力探測技術(shù)，本文建立了研究區(qū)的采空區(qū)模型，正演計算了地面重力異常響應(yīng)。將實測數(shù)據(jù)進行了垂向一階導數(shù)、趨勢面分析法處理，并與瞬變電磁測量結(jié)果進行對比分析，綜合推斷了采空區(qū)范圍。經(jīng)鉆孔驗證存在空洞，說明微重力法在200 m以淺的采空區(qū)探測是可行的。

關(guān)鍵詞：微重力;采空區(qū);瞬變電磁法

中圖分類號：P694??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.008

引文格式：劉紅達，宋建華，林增民，等.微重力探測在200 m以淺采空區(qū)的應(yīng)用——以黃莊煤礦為例［J］.山東國土資源，2024，40（5）：5258.LIU Hongda，SONG Jianhua，LIN Zengmin， et al. Application of Microgravity Detection in Shallow Goaf below 200 Meters——Taking Huangzhuang Coal Mine as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：5258.

0? 引言

我國礦產(chǎn)資源豐富，多年來無規(guī)劃地開采形成了大量的采空區(qū)［1］。由于一些地方對采空區(qū)疏于管理，采空區(qū)塌陷的事故頻發(fā)，不僅危害到人民正常的生活和生產(chǎn)活動，而且嚴重地影響到當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定［2］，給礦山的開采及其他的工程建設(shè)帶來了災(zāi)難或經(jīng)濟損失［3］，因此探測采空區(qū)成了物探工作者的一個重要任務(wù)。

由于采空區(qū)形成年代、埋藏深度、空間結(jié)構(gòu)、圍巖條件、冒落、充填和積水情況存在較大差異，這使得不同采空區(qū)的物性反映也呈現(xiàn)出很大的差別，因而基于物性差異進行探測的各種物探手段對不同采空區(qū)探測的適宜性和效果也會存在一定的差別。目前國內(nèi)外對于采空區(qū)的探測技術(shù)手段較多，主流的探測采空區(qū)的方法主要有高密度電阻率法、瞬變電磁法、淺層地震法及微重力、微動等方法［48］。各探測手段具有一定的效果但是也具有局限性。如高密度電阻率法探測深度淺（100m以淺），受接地條件限制，在硬化場地施工困難；瞬變電磁法對于充水低阻采空區(qū)反映靈敏，但是受人文電磁信號干擾嚴重且淺層存在探測盲區(qū)；淺層地震法分層能力雖強，但是采空區(qū)埋深和形態(tài)無法精確判定且抗干擾能力不強；微動作為最近幾年興起的天然微弱震動探測方法，在地下采空區(qū)探測中有著一定的抗干擾優(yōu)勢，但是天然場信號弱易造成頻散曲線發(fā)散，且在拾取頻散曲線過程中人為干預的因素較多。針對不同的采空區(qū)的實際情況，研究適合其具體條件的有效物探探測技術(shù)手段，并輔以必要的鉆探工程進行驗證是目前國內(nèi)解決此類問題的主要技術(shù)途徑。

微重力測量是在重力測量學基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分支技術(shù)，微重力測量是指測量的精度和測量探查的對象引起的重力效應(yīng)以微伽級的數(shù)值來衡量的，采空區(qū)在地表的重力響應(yīng)是微伽級的。我國的科技工作者應(yīng)用微重力法探測采空區(qū)取得了一定的研究成果，王延濤等利用微重力法成功探查了某煤礦采空邊界［9］，劉平利等總結(jié)出微重力探測老舊防空洞是有效的［10］，賈豫葛等建立了幾種采空區(qū)模型，模擬并分析了全張量微重力異常響應(yīng)，為微重力異常探測提供依據(jù)［11］，孟慶旺利用微重力低異常特征圈定了3處巖溶洞穴［12］，湯伏全等利用微重力異常的一次差分曲線的峰值來判斷采空區(qū)邊界［1］，劉凈余通過數(shù)值分析探討了探測精度±5×108m/s2的微重力探測技術(shù)探查采空區(qū)分布的可行性［13］。

本文以濟南市鋼城區(qū)黃莊煤礦采空區(qū)探測項目為例，重點介紹了微重力探測技術(shù)的實際應(yīng)用，與瞬變電磁法探測結(jié)果進行了對比分析，經(jīng)驗證在鉆探過程中出現(xiàn)了跳鉆、漏水等現(xiàn)象，判斷存在空洞，均位于推斷的采空區(qū)范圍內(nèi)，取得了良好的效果。

1? 地質(zhì)及地球物理特征

1.1? 地質(zhì)概況

區(qū)域地層由老到新分布寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、第四系，地層整體傾向NE，傾角19°～24°［14］。奧陶系為馬家溝群八陡組石灰?guī)r段，煤系地層包括月門溝群太原組和山西組，太原組巖性主要為粉砂巖、中、細砂巖、黏土質(zhì)砂巖、頁巖夾多層灰?guī)r及煤層。山西組巖性主要為灰—深灰色砂巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾煤層及煤線。第四系為沂河組粉細砂、粉質(zhì)黏土等（圖1）。

區(qū)域性大斷裂銅冶店孫祖斷裂位于研究區(qū)東側(cè)，寬度數(shù)十米至近百米，總體走向320°～340°，斷裂以西傾為主，傾角60°～85°，斷裂東盤為上升盤，西盤為下降盤，斷裂性質(zhì)早期為右行張扭，形成時代為燕山晚期，到喜山早期，該斷裂繼續(xù)活動，表現(xiàn)為左行壓扭性。區(qū)內(nèi)發(fā)育一組NW向近直立的次級斷裂，斷距在80m左右［15］。

巖漿巖受銅冶店孫祖斷裂控制，斷裂東側(cè)分布大面積的新太古代晚期花崗巖。在鐵銅溝一帶，分布有中生代鐵銅溝雜巖體，巖體分5次侵入，包括閃長巖、輝長巖、閃長玢巖等，巖體呈巖株、巖床或巖脈產(chǎn)出，為一套基性—中性—酸性巖類組合，沿巖體接觸帶形成有小型矽卡巖型鐵礦體。巖體出露面積6.5km2，研究區(qū)內(nèi)沒有巖體出露［16］。

研究區(qū)揭露的煤層有7煤、8煤、9煤、91煤、13煤、14煤、15煤、17煤、18煤、19煤、191煤、192煤、20煤、201煤及202煤，共15層煤。其中主要開采煤層為18煤、19煤，煤層走向NW，傾向NE。南部開采煤層頂板埋深80～200m，煤厚1.0～1.6m。北部開采煤層頂板埋深120～170m，煤厚約0.9～1.55m。研究區(qū)水文條件優(yōu)越，野外勘查階段測得松散巖類孔隙水的穩(wěn)定水位埋深2.6～4.3m，平均3.06m［17］。

黃莊煤礦的開采活動由20世紀80年代至1994年關(guān)停，之后未再進行開采活動，塌陷現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。地表表現(xiàn)為建于2000年前的部分房屋出現(xiàn)了裂縫，而建于2000年以后的房屋，沒有再出現(xiàn)裂縫。地表遺留部分為原黃莊煤礦開采時的井口及巷道口。這種環(huán)境條件下便于開展微重力工作。

1.2? 地球物理特征

1.2.1? 物性特征

砂、泥、頁巖平均密度2.50kg/m3，花崗巖平均密度2.56kg/m3，閃長玢巖平均密度2.66kg/m3，灰?guī)r平均密度2.70kg/m3，閃長巖平均密度2.82kg/m3。當煤礦采空區(qū)形成后，上覆巖層可能發(fā)生變形破壞，地下水沿著裂隙向采空區(qū)中匯集，冒落帶中物質(zhì)變得松散，致使采空區(qū)與正常地層之間形成了明顯的密度差異。煤系地層平均密度2.50kg/m3，而煤礦采空區(qū)形成以后，采空區(qū)的密度在空洞和充滿水之間變化為0～1.0kg/m3，其密度相對圍巖低。在正常的地層中產(chǎn)生了相對質(zhì)量虧損，形成重力低異常。因此在研究區(qū)利用微重力測量圈定采空區(qū)具備良好的地球物理前提。

不同巖層具有不同的導電性，一般情況下，黏土、泥巖、砂巖、煤層、灰?guī)r其電阻率值依次增高，煤系地層有層狀分布特點，在致密完整的情況下，巖層橫向上導電性相對均一。如在順地層水平方向上局部地段出現(xiàn)不積水時，則該區(qū)域?qū)щ娦宰儾?，表現(xiàn)為相對高阻異常；當采空區(qū)以充水空洞形式存在時或采空區(qū)周圍出現(xiàn)破碎或裂隙含水時，由于水體良好的導電性，使該地段電阻率明顯低于圍巖，表現(xiàn)為相對低阻異常。通過對比水平方向上巖層視電阻率值差異與變化情況，結(jié)合其他資料分析判斷采空區(qū)異常（表1）。

1.2.2? 重力異常特征

鐵銅溝重力高異常位于鋼城區(qū)東部鐵銅溝一帶，面積約8km2，異常整體呈NNW向長軸狀展布，異常中心位于鐵銅溝。研究區(qū)處于鐵銅溝重力異常高南緣，表現(xiàn)為西北高、東南低的梯度帶特征。

鐵銅溝一帶零星出露閃長玢巖、砂、泥、頁巖等，異常區(qū)西側(cè)、南側(cè)圍巖為灰?guī)r，東側(cè)圍巖主要為花崗巖和閃長玢巖。砂、泥、頁巖及花崗巖密度較低，不能引起重力高異常，灰?guī)r和閃長玢巖密度相當，為相對中等密度，異常區(qū)南側(cè)圍巖灰?guī)r的密度為中等密度，由此推斷鐵銅溝重力高異常主要為地下隱伏閃長、輝長巖體引起（圖2）。

2? 微重力可行性分析

采用計算規(guī)則采空區(qū)模型引起的地表重力響應(yīng)，模擬場源與場的分布規(guī)律。以采空區(qū)中心在地表的垂直投影作為地表坐標系原點，沿采空區(qū)長軸方向為x軸，沿采空區(qū)短軸方向為y軸，垂直向下為z軸（圖3）。

采空區(qū)長、寬、高分別a，b，c，埋深為h，則地表獲得采空區(qū)引力位公式為［18］：

式中：G為萬有引力常數(shù)；Ω為積分體積；ρ為場源密度；（x，y，z）為觀測點的坐標；（ξ，η，ζ）為采空區(qū)場源點的坐標。

規(guī)則采空區(qū)引起的重力異常就是U（x，y，z）在z軸的導數(shù)，即

根據(jù)搜集到的采空區(qū)資料，以最深200m的采空區(qū)設(shè)計模型，以采空區(qū)積水為例，計算采空區(qū)地表重力異常響應(yīng)，取剩余密度1.5kg/m3，長a=800m，寬b=200m，高c=1.5m，頂板埋深h=200m。

由模擬結(jié)果分析（圖4），重力異常表現(xiàn)為以采空區(qū)模型體為中心的負異常圈閉，在模型體外圍會形成大于模型體邊界的低異常圈閉。沿x軸、y軸方向分別截取異常剖面，x軸方向剖面在模型邊界處值為0.014×105m/s2，y軸方向剖面在模型邊界處值為0.021×105m/s2，而在模型體正上方的異常皆大于0.025×105m/s2，分析認為，只要觀測的重力異常精度不低于±0.014×105m/s2，便可分辨出200m以淺的采空區(qū)異常體的邊界。

3? 野外工作方法與資料處理

微重力測網(wǎng)布置按照測線垂直異常體的原則，測線方位56°，測網(wǎng)40m×20m。研究區(qū)東南有汶河經(jīng)過，河上無法進行數(shù)據(jù)采集，故沒有布置測線。研究區(qū)西北存在廠區(qū)，無法進入，故沿廠區(qū)周邊采用點距20m觀測。微重力測量結(jié)果主要用于識別采空區(qū)的分布范圍，為了了解異?？v向特征，在微重力測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，布置了一條瞬變電磁剖面，采用中心回線裝置，發(fā)射電流700 A，供電次數(shù)8次，關(guān)斷延時25μs，供電脈寬4ms（圖5）。

微重力數(shù)據(jù)采集應(yīng)用美國零長彈簧（ZLS）公司產(chǎn)Burris重力儀，Burris重力儀是對LR，G、D、S型陸地重力儀的繼承和重大改進，基于微處理器自動讀數(shù)，將裝有UltraGrav軟件的手簿與重力儀通過藍牙連接［19］，有效防止野外人為讀數(shù)誤差。本次使用的設(shè)備于2022年8月25日在北京高崖口國家級格值標定場利用雙程往返觀測法進行了格值系數(shù)標定。野外數(shù)據(jù)采集前進行了靜態(tài)試驗，利用線性回歸法計算出平均零點位移率，投入使用的重力儀滿足靜態(tài)零點位移曲線呈線性，與擬合直線最大偏差為0.003×105m/s2/h。開工前及收工后進行了動態(tài)試驗，所投入生產(chǎn)的重力儀在動態(tài)試驗時間段范圍內(nèi)與擬合直線的最大偏差為0.007×105m/s2。

野外觀測起閉于基點，在基點上進行“基－輔－基”觀測，在基點讀數(shù)3次，基點上前后兩次讀數(shù)之差均小于0.005×105m/s2?；c閉合時間嚴格按動態(tài)試驗確定的閉合時間控制。野外數(shù)據(jù)采集采用單程觀測法，每個測點讀數(shù)兩次，兩次讀數(shù)差值不大于0.005×105m/s2。保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

由于微重力法要求的數(shù)據(jù)精度高，本次工作數(shù)據(jù)處理除進行了固體潮改正、零點漂移改正、緯度改正、布格改正外，還進行了儀器高改正、地形改正。半徑0～10m范圍采用錐形公式計算，半徑10～20m范圍采用扇形公式計算。本次重力測量工作實測精度達到±0.013×105m/s2，滿足采空區(qū)邊界的識別能力（圖6）。

布格重力異常數(shù)據(jù)中包含了目標體的異常及周圍除目標體之外的地層、構(gòu)造、巖漿巖等的疊加異常數(shù)據(jù)，地下采空區(qū)會在一定的范圍內(nèi)引起重力低異常，為了達到異常分離的目的，應(yīng)用了垂向一階導數(shù)、趨勢面分析兩種處理方法進行對比分析。重力數(shù)據(jù)的垂向一階導數(shù)代表了重力數(shù)據(jù)垂向的變化率，一階導數(shù)處理會將局部的相對重力低異常顯示出來，即突出淺層目標體，達到解釋地下空洞的目的。趨勢面分析是用一個適當?shù)臄?shù)學曲面去擬合研究觀測值的變化趨勢，用實際觀測值將受區(qū)域性因素影響反映觀測趨勢的值減去，得到反映局部因素和隨機因素控制的剩余值，即剩余異常［20］。

4? 資料解釋

布格重力異?？傮w呈現(xiàn)西北高東南低的特征，推測這是由于地下的巖體向上侵入地層引起的。在研究區(qū)西半部分存在NW向密集梯度帶的特征，推測這是斷裂構(gòu)造引起的。在研究區(qū)中間等值線由低值向高值一側(cè)彎曲，推測這是地下低密度目標體引起的。

垂向一階導數(shù)和趨勢面分析法處理后的結(jié)果都顯示出大面積的低重力異常且測區(qū)中部異常值最低，但是異常形態(tài)不一致，垂向一階導數(shù)壓制了背景場，但是它的高通濾波特性使得它容易受到高頻噪聲的干擾，所以垂向一階導數(shù)圈定的異常較為零散。趨勢面分析法處理后的結(jié)果顯示在研究區(qū)西北部出現(xiàn)了低重力異常，結(jié)合工作布置可知，工廠區(qū)域沒有進行數(shù)據(jù)采集，推斷這個異常為數(shù)據(jù)處理時軟件插值造成的。

瞬變電磁剖面結(jié)果顯示（圖7），在深度90～260m、距離250～475m區(qū)間形成了低阻凹陷區(qū)域，結(jié)合煤層開采深度，推測這是煤層采空后，采空區(qū)內(nèi)充水導致電阻率降低。而淺部的低阻凹陷反映的是采空區(qū)部分塌陷，導致了采空區(qū)上部地層垮塌，形成了上寬下窄的漏斗狀特征。在距離625～700m，形成了低阻凹陷區(qū)域，結(jié)合現(xiàn)場情況判斷，該區(qū)域在馬路邊，存在地下管線及地上供電線路等影響，推測為電磁干擾引起。對比發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁法推測的異常區(qū)域與微重力法圈定的異常區(qū)域基本吻合。

鉆探驗證結(jié)果顯示，利用重力異常推斷圈定的采空區(qū)范圍與鉆探結(jié)果吻合，尤其是利用趨勢面分析法圈定的異常范圍更加準確。分析認為，研究區(qū)具有面積小，地形簡單，地層構(gòu)造分布清楚等特點，這有利于利用趨勢面分析法圈定異常。

5? 結(jié)論

（1）微重力法相對瞬變電磁法，不受地表接地影響和人文電磁干擾，可以先利用微重力法識別異常范圍，再用瞬變電磁法判定異常埋深特征，提高解譯結(jié)果準確率。

（2）應(yīng)用先進的重力設(shè)備，控制好野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，微重力法在200m深度的采空區(qū)探測是可行的。

（3）垂向一階導數(shù)與趨勢面分析法均可以用于異常識別，垂向一階導數(shù)異常較為零散，趨勢面分析法容易造成邊界虛假異常，結(jié)合地表情況判斷以后，趨勢面分析法圈定的異常范圍更加適用于研究區(qū)?？傊锾疆惓＝忉屚茢嘈枰Y(jié)合實際地質(zhì)情況綜合分析判斷。

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Application of Microgravity Detection in Shallow Goaf below 200 Meters——Taking Huangzhuang Coal Mine as an Example

LIU Hongda1，2，3，SONG Jianhua1，LIN Zengmin1，WANG Ruxi1，2，LI Jitao1，LI Chao1

（1.No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Ji'nan 250014，China; 2.Shandong Engineering Research Center for Exploration and Development Technology of Rich Iron Deposit，Shandong Ji'nan 250014，China; 3.China University of Geosciences（Wuhan），Hubei Wuhan 430074，China）

Abstract：Gangcheng district of Ji'nan city is planning to build a citizen cultural and sport comprehensive center. The construction site is located in the former Huangzhuang coal deposit， which has a long history of coal mining. The mining data record is not detailed， so it is necessary to detect the mined-out area. The construction site is located in the urban area， which suffers serious human electromagnetic interference. Based on the principle of density property difference， microgravity detection technology has been proposed. In this paper， the mined-out model of the study area has been established and the associated ground gravity anomaly response has been calculated. The measured data has been processed by vertical first derivative and trend surface analysis. Compared with the transient electromagnetic results， the mined-out area range can be comprehensively detected. It is proved by drilling that there are holes in the mined-out area that the micro-gravity method is feasible at the depth of 200m.

Key words：Microgravity; goaf; transient electromagnetic method