王東琴

(西山煤電集團(tuán) 資源地質(zhì)部， 山西 太原 030053)

西山煤電集團(tuán)所屬生產(chǎn)礦井由于部分采區(qū)煤層埋藏較淺，甚至出露地表，周邊小窯分布多，礦井內(nèi)部分工作面或與小窯貫通、或位于小窯破壞區(qū)附近。汛期時(shí)，地面積水經(jīng)常導(dǎo)致淺埋藏小窯破壞區(qū)塌陷，地表水通過(guò)塌陷坑灌入小窯后集聚，小窯老空水及地表水嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。西山礦區(qū)小窯采煤活動(dòng)具有隨機(jī)性的特點(diǎn)：小窯破壞范圍沒(méi)有規(guī)律，破壞區(qū)大小不一深淺不一，有的小窯老空區(qū)甚至位于河床底下，埋深幾米到幾十米均有。同時(shí)，小窯幾乎沒(méi)有準(zhǔn)確圖紙保留，部分年代久遠(yuǎn)的廢棄小窯在地表發(fā)生一定變化后，小窯采掘活動(dòng)的痕跡被全部破壞掩蓋。

目前淺部采空區(qū)，特別是淺部不含水采空區(qū)的分布范圍，由于過(guò)水溝谷區(qū)采空區(qū)的地球物理特征不明顯，采空區(qū)巷道規(guī)模小，易遺漏,且沒(méi)有一套成熟技術(shù)可供參考。為此，針對(duì)小窯老空分布情況，計(jì)劃在西銘礦冀家溝谷內(nèi)煤層淺埋區(qū)、煤層露頭附近小窯破壞區(qū)進(jìn)行探測(cè)研究，解決淺埋藏小窯破壞區(qū)探測(cè)難、探測(cè)精度不高的問(wèn)題，掌握一套相互配合相互印證的探測(cè)小窯破壞區(qū)的綜合物探勘查技術(shù)，為以后的淺埋區(qū)小窯破壞區(qū)調(diào)查與治理工作提供科學(xué)依據(jù)和地質(zhì)基礎(chǔ)。

1 探測(cè)方法

選擇西銘礦冀家溝谷內(nèi)煤層淺埋區(qū)、煤層露頭附近小窯破壞區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行探測(cè)研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解工區(qū)實(shí)際地形地質(zhì)條件，確定采用超高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、微重力法的綜合物探探測(cè)技術(shù)。通過(guò)對(duì)以往采空區(qū)探測(cè)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)建立初步地質(zhì)模型，并在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)工作，進(jìn)行初步解譯后，運(yùn)用鉆探驗(yàn)證手段進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。鉆探技術(shù)驗(yàn)證主要是針對(duì)綜合物探初步解譯成果，進(jìn)一步優(yōu)化地質(zhì)解釋模型及技術(shù)處理方法，最終形成一套適合于探測(cè)過(guò)水溝谷附近淺埋小窯破壞區(qū)的綜合探測(cè)方法及處理解釋方法。

2 實(shí) 施

2.1 測(cè)線布置

測(cè)線布置選擇在冀家溝土圈頭村附近，測(cè)區(qū)控制范圍為300 m×80 m. 高密度測(cè)線長(zhǎng)度為500 m(控制范圍兩側(cè)各延長(zhǎng)100 m)，按20 m線距，1 m點(diǎn)距進(jìn)行布置。微重力法測(cè)線長(zhǎng)度為300 m，按10 m線距，5 m點(diǎn)距進(jìn)行布置。地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置按有利于雷達(dá)工作的方式，沿溝谷區(qū)域選擇地形變化落差較小區(qū)域進(jìn)行布置，共布置測(cè)線2條，每條測(cè)線長(zhǎng)度300 m，見(jiàn)圖1.

圖1 西銘礦冀家溝淺埋小窯采空破壞區(qū)現(xiàn)場(chǎng)工程布置圖

2.2 超高密度電法探測(cè)

7號(hào)煤層分別采用施貝裝置與溫納裝置，等視電阻率平面圖見(jiàn)圖2，圖3. 圖中虛線填充的范圍為推斷解釋疑似采空區(qū)異常，兩種裝置得到的異常范圍及分布位置較為吻合，起到相互印證的效果。測(cè)區(qū)大里程方向異常區(qū)沿煤層露頭位置大范圍展布，小里程方向異常區(qū)從煤層露頭位置向深部延伸，整個(gè)測(cè)區(qū)范圍采空異常范圍較大，與臨近巷道相接。

圖2 施貝裝置7號(hào)煤層等視電阻率平面圖

圖3 溫納裝置7號(hào)煤層等視電阻率平面圖

8號(hào)煤層分別采用施貝裝置與溫納裝置,等視電阻率平面圖見(jiàn)圖4，圖5. 圖中虛線填充的范圍為推斷解釋疑似采空區(qū)異常，從整體趨勢(shì)上看，兩種裝置得到的等視電阻率平面圖的整體形態(tài)及視電阻率值的大小較為接近，主要區(qū)別在測(cè)區(qū)中部的相對(duì)中低阻異常區(qū)。施貝裝置無(wú)此異常區(qū);但溫納裝置卻有一明顯相對(duì)中低阻異常區(qū)，推測(cè)該區(qū)域存在多層重疊采空區(qū)的可能性較大，而施貝裝置在該區(qū)域小里程方向的中低阻異常區(qū)不排除為與溫納裝置上述異常相關(guān)的異常區(qū)域，主要需要驗(yàn)證是多層重疊采空區(qū)或是臨近同一層煤的采空區(qū)，但根據(jù)現(xiàn)有資料情況推斷為多層煤的重疊采空區(qū)可能性更大。

圖4 施貝裝置8號(hào)煤層等視電阻率平面圖

圖5 溫納裝置8號(hào)煤層等視電阻率平面圖

2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

西銘礦探地雷達(dá)剖面解釋示意圖見(jiàn)圖6，在 L1線樁號(hào)20—60深度0～15 m處，雷達(dá)波形連續(xù)性發(fā)生變化，與兩側(cè)有明顯差異，并且有一定的弧形顯示，推測(cè)此處為空洞異常；樁號(hào)260—290深度0～15 m處，雷達(dá)波形紊亂，振幅增強(qiáng)，推測(cè)此處為空洞異常。

由圖6可以看出，在 L2線樁號(hào)130—180深度5～20 m處，雷達(dá)波形存在連續(xù)的強(qiáng)反射界面，推測(cè)此處為空洞異常;樁號(hào)270—300深度0～20 m處，雷達(dá)波形紊亂，同旁邊波形對(duì)比差異明顯，推測(cè)此處為松散堆積，密實(shí)度較差。

圖6 西銘礦探地雷達(dá)剖面解釋示意圖

雷達(dá)正演模擬中，空洞反射圓弧反射信號(hào)清晰可見(jiàn)，且呈雙曲線反射弧或者可解釋為多個(gè)強(qiáng)反射。但是在實(shí)際的空洞形態(tài)、性質(zhì)較復(fù)雜，空洞發(fā)育形態(tài)是變化多樣的，有圓形、方形等?？斩磧?nèi)部有充水、充淤的情況，有全充和局部充填狀態(tài)及干空洞之分，在應(yīng)用正演模擬成果時(shí)一定要結(jié)合實(shí)際情況。而正演模擬的主要還是側(cè)幫的響應(yīng)效果，對(duì)于其它方向探測(cè)方式也有著一定的借鑒意義，呈現(xiàn)出強(qiáng)反射的邊界特征。西銘礦探地雷達(dá)解釋平面示意圖見(jiàn)圖7.

圖7 西銘礦探地雷達(dá)解釋平面示意圖

2.4 微重力法探測(cè)

西銘礦試驗(yàn)區(qū)剩余重力異常平面圖和布格重力異常平面圖見(jiàn)圖8，圖9. 對(duì)比兩張圖上的重力負(fù)異常區(qū)，主要有3個(gè)區(qū)域，即7號(hào)煤層露頭線西北側(cè)一個(gè)，露頭線東南側(cè)兩個(gè)。露頭線東南側(cè)的兩個(gè)負(fù)異常區(qū)在兩張重力異常平面圖上的位置范圍較為一致，而西北側(cè)異常區(qū)布格重力異常較剩余異常平面圖上的異常范圍較小。整體而言重力異常平面圖上的采空異常區(qū)與高密度電法7號(hào)煤采空異常區(qū)具有一定的可對(duì)比性。西北側(cè)異常區(qū)兩種方法較為吻合，均為沿煤層露頭分布。露頭線東南側(cè)的第一個(gè)異常兩種方法也較為吻合，均表現(xiàn)為測(cè)區(qū)右側(cè)異常幅值明顯強(qiáng)于左側(cè)。東南側(cè)第二個(gè)異常區(qū)兩者存在一定區(qū)別。主要表現(xiàn)為異常重力異常區(qū)主異常在測(cè)區(qū)左右兩側(cè)，而高密度電法主異常在測(cè)區(qū)中部。

圖8 西銘礦試驗(yàn)區(qū)剩余重力異常平面圖

圖9 西銘礦試驗(yàn)區(qū)布格重力異常平面圖

2.5 綜合物探初步解釋成果

結(jié)合以上3種物探綜合分析，7號(hào)煤層綜合物探成果見(jiàn)圖10，圖中斜線充填區(qū)域?yàn)榫C合物探解釋 7號(hào)煤層綜合采空區(qū)，該圖是以高密度電法施貝裝置探測(cè)成果為主，結(jié)合重力探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了采空區(qū)范圍圈定，并與高密度溫納裝置探測(cè)成果進(jìn)行了對(duì)比，最后采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行驗(yàn)證。綜合解釋成果表明，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)7號(hào)煤層采空現(xiàn)象嚴(yán)重，測(cè)區(qū)北部采空區(qū)主要為沿露頭向煤層延伸，測(cè)區(qū)南部采空區(qū)范圍較大，采空區(qū)構(gòu)成更加復(fù)雜，僅在測(cè)區(qū)中間測(cè)線小里程到中里程段有未采空區(qū)域，且該區(qū)域采空區(qū)有向兩側(cè)山體延伸的趨勢(shì)，但中間存在通道相連。

圖10 西銘礦7號(hào)煤層綜合物探解釋成果圖

8號(hào)煤層綜合物探成果見(jiàn)圖11，圖中斜線充填區(qū)域?yàn)榫C合物探解釋8號(hào)煤層采空區(qū)，該圖是以高密度電法溫納裝置探測(cè)成果作為主要解釋依據(jù)，結(jié)合施貝裝置探測(cè)成果，部分區(qū)域參考了重力探測(cè)結(jié)果進(jìn)行采空區(qū)范圍圈定。綜合解釋成果表明，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)8號(hào)煤層采空現(xiàn)象較為嚴(yán)重，大部分為采空區(qū)域，未采空區(qū)域主要分布在測(cè)區(qū)中部范圍內(nèi)。

圖11 西銘礦8號(hào)煤層綜合物探解釋成果圖

2.6 鉆孔驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)物探資料的綜合解釋，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，圈定了鉆孔位置及數(shù)量。驗(yàn)證鉆孔在物探綜合解釋成果圖中的位置示意圖，見(jiàn)圖12. 西銘礦1號(hào)孔布置在物探圈定的采空區(qū)范圍以內(nèi)，而2號(hào)孔布置在7號(hào)煤層和8號(hào)煤層物探圈定的采空區(qū)范圍以外。根據(jù)實(shí)際鉆孔揭露，1號(hào)孔孔深45 m,在9.8～10.1 m見(jiàn)7號(hào)煤層實(shí)體煤，在26.4～28.00 m為8煤層采空區(qū)，2號(hào)孔孔深60 m,在17.4～19.1 m見(jiàn)7號(hào)煤層實(shí)體煤，在28.8～30.0 m見(jiàn)8號(hào)煤層實(shí)體煤。同物探綜合解釋成果吻合，證明了物探綜合解釋成果的可靠性。

圖12 驗(yàn)證鉆孔在物探綜合解釋成果圖中的位置示意圖

2.7 綜合物探二次解釋成果

在之前綜合解釋成果基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆探驗(yàn)證情況，并適當(dāng)參考高密度電法、重力探測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)解釋成果，最終形成西銘礦7、8號(hào)煤層綜合物探二次解釋成果。

西銘礦7號(hào)煤層二次解釋綜合成果圖見(jiàn)圖13，圖中填充區(qū)域?yàn)?號(hào)煤層二次解釋綜合采空區(qū)，由于1號(hào)鉆孔沒(méi)有探測(cè)到7號(hào)煤層采空區(qū)，所以解釋區(qū)域在該鉆孔附近進(jìn)行了縮減。二次解釋成果表明，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)7號(hào)煤層采空現(xiàn)象較嚴(yán)重，測(cè)區(qū)北部采空區(qū)主要沿露頭向煤層延伸，測(cè)區(qū)南部采空區(qū)范圍較大，采空區(qū)構(gòu)成更加復(fù)雜。僅在測(cè)區(qū)中間測(cè)線小里程到中里程段有未采空區(qū)域，且該區(qū)域采空區(qū)有向兩側(cè)山體延伸的趨勢(shì)，但中間存在通道相連。

圖13 西銘礦7號(hào)煤層綜合物探二次解釋成果圖

西銘礦8號(hào)煤層二次解釋綜合成果圖見(jiàn)圖14，圖中填充區(qū)域?yàn)?號(hào)煤層二次解釋綜合采空區(qū)。1號(hào)鉆孔在26.40～28.00 m 見(jiàn)8號(hào)煤層采空區(qū)，2號(hào)鉆孔17.40～19.10 m 見(jiàn)8號(hào)煤層，根據(jù)鉆孔驗(yàn)證情況，對(duì)南部解釋區(qū)域進(jìn)行縮減。

圖14 西銘礦8號(hào)煤層綜合物探二次解釋成果圖

3 結(jié) 論

在高密度電法中采用三維成像、渲染等技術(shù)，在空間上對(duì)電法數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，更好地展示勘探成果，也更有利于分析采空區(qū)空間分布情況以及裂隙導(dǎo)水帶等構(gòu)造的連通情況。利用重力在富水采空區(qū)表現(xiàn)出中等負(fù)異常形態(tài)，而充氣型表現(xiàn)出高負(fù)異常形態(tài)，有效彌補(bǔ)以往電法勘探中對(duì)于充氣型采空區(qū)難以分辨、難以解釋的問(wèn)題。

在采空區(qū)充水狀態(tài)時(shí)，一般將高密度電法作為主要解釋依據(jù)。采空區(qū)為空洞、干燥型時(shí)，可以考慮將重力探測(cè)作為主要解釋依據(jù)。地質(zhì)雷達(dá)可以作為淺層采空區(qū)探測(cè)手段，作為高密度電法的重要補(bǔ)充。淺部(第一層)采空區(qū)采用施貝裝置好于溫納裝置效果，而對(duì)于多層采空區(qū)的情況下下伏采空區(qū)的解釋則采用溫納裝置效果更好。

針對(duì)溝谷淺埋藏小窯破壞區(qū)及采空破壞區(qū)采空范圍大、巷道規(guī)模小、隨機(jī)性大、地表地球物理干擾因素多等問(wèn)題，利用綜合物探探查淺埋藏小窯破壞區(qū)，可以采用以高密度電法為主、微重力法和地質(zhì)雷達(dá)為輔，并結(jié)合鉆探驗(yàn)證的方法，將有效預(yù)防礦井水害事故的發(fā)生，改變礦井防治水工作的被動(dòng)局面，應(yīng)用前景十分廣闊。