综合物探技术在煤矿采空区调查中的应用

黄玉辉

（新疆水利水电勘测设计研究院 新疆 昌吉 831100）

1 前言

某高速公路在K22+500～K23+000处跨越露天煤矿，该露天煤矿一直存在无序盗采现象，导致工程区地表下存在未知煤矿采空区域，对高速公路的工程建设带来了巨大的安全隐患，因此需对工程区露天煤矿进行采空区调查，提出合理处治方案，排除工程建设中的安全隐患。本次测试工作利用综合物探手段查明高速公路在K22+500～K23+000处跨越露天煤矿段的路基及其影响范围内的采空区存在与否，了解其存在的位置、形态特征和分布范围等，查明作为路基主要持力层的安全煤柱的存在现状，为采空区（空洞）治理的方案及设计提供可靠依据。

2 工程地质情况

测区出露的地层主要有侏罗系下统、侏罗系中统、第四系（Q3、Q4）。岩性一般由灰色和深灰色泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、砂砾岩、炭质页岩夹煤层、炭质泥岩等组成。表层为杂色的采空塌陷区回填物，主要成分为粉砂质粘土、砂砾石，混杂有大量煤矸石、煤灰及建筑、生活垃圾，厚度5m～100m。

3 地球物理特征

测区表层黄土电性表现为低阻，砾石层因含泥和水不均匀，电性表现为中高阻或低阻，基岩中煤为相对中高阻，其他岩性（泥岩，粉砂、细砂岩）为低阻特征。基岩、采空区与塌陷破坏带之间电性差异非较大，电阻率断面图上两者分界明显，测区各地层存在明显电性差异。适宜开展高密度电法和电测深法，以高密度电法为主配合电测深方法作为辅助方法。

雷达波（电磁波）遇到岩体空隙、裂隙或高阻不均匀体时，将会产生反射，且波长加大、频率变低、强度增高；当遇到松散介质或低阻不均质体时，雷达波形杂乱无章，有时出现窄细形同相轴，有时无明显规律；当遇到完整岩体时，雷达波形无明显反射，波形图像一般呈均匀灰黑色。测区各地层在雷达测试图像上有明显差异，适宜开展雷达测试工作。

4 物探工作方法与布置

针对本次测试工作的特点，物探工作采用高密度电阻率法为主要工作方法，探地雷达和电测深法为辅助方法进行测试。

4.1 工作方法

（1）高密度电法

该种工作方法主要应用于地表下深部（地表以下20m）异常探测测试。测试工作采用高密度电法，E60M型电法工作站进行数据采集，利用高密度温纳α排列进行采集，电极间距10m，供电时间2s，重复采集次数2次。

（2）探地雷达

该种工作方法主要应用于地表下浅部（地表下20m内）异常探测测试。根据测区现场地质条件及探测目的，本次利用100 MHz天线，连续采集方式进行数据采集。时窗设置由探测深度决定，一般探测深度为目标深度的1.5倍。

（3）电测深法

该种工作方法主要在地形变化较大、高密度电缆无法铺设地区进行补充测试。电测深法工作采用四极对称装置，MN/2∶AB/2=1∶10，最小 AB/2为 2m，最大AB/2以充分反映目的层和曲线完整为原则。

4.2 工作布置

4.2.1 高密度电法

在拟建公路桩号K22+728、K22+760、K22+688、K22+500、K22+855、K23+000段垂直拟建公路各布置1条高密度电法测试剖面；在拟建公路左侧510m处平行于拟建公路布置1条高密度电法剖面；在拟建公路右侧590m处平行于拟建公路布置1条高密度电法剖面。

4.2.2 探地雷达

在顺沟垂直拟建公路桩号K22+728、K22+760段各布置1条雷达测试剖面。

4.2.3 电测深

（1）在拟建公路左侧120m、右侧80m处平行于拟建公路各布置1条电测深测试剖面。

图1 高密度电法α装置数据采集剖面图

（2）沿拟建公路桩号K22+500～K23+000段轴线布置1条电测深测试剖面。

图2 GD1-1剖面000+000～001+270段反演推断成果图

图3 GD2-2剖面000+000～001+190段反演推断成果图

图4 CG1-1剖面000+000～001+030段反演推断成果图

图5 CG2-2剖面000+000～000+950段反演推断成果图

图6 YB1-1剖面000+000～001+190段反演推断成果图

5 物探成果分析

5.1 高密度电法成果

（1）GD1-1号剖面成果分析

在剖面桩号0+360～0+570桩号段地表下8m～25m处推断为煤层或采煤区；剖面桩号0+700～0+1140桩号段地表下5m～15m处推断为煤层（结合地质资料推断为43#煤层），但该处下伏煤层局部已被开采，存在空洞及塌陷区。其中，剖面桩号0+730～0+820桩号段仍存在安全煤柱，但局部存在采煤区；剖面桩号0+860～0+900桩号段地表下8m处推断为采空区或回填区；剖面桩号0+810～0+1070桩号段地表下25m处推断为采空区。其余桩号段未见异常反应（成果见图2）。

（2）GD2-2号剖面成果分析

剖面桩号0+170～1+000桩号段地表下10m～40m处推断为煤层（结合地质资料推断为43#煤层），但该处下伏煤层局部已被开采，存在空洞及塌陷区。其中，剖面桩号0+650～0+740桩号段仍存在安全煤柱，但局部存在采煤区；剖面桩号0+490～0+540桩号段地表下20m处推断为采空区；剖面桩号0+770～0+800桩号段地表下8m处推断为采空或回填区；剖面桩号0+820～0+910桩号段地表下25m～40m处推断为采空区；其余桩号段未见异常反应（成果见图3）。

（3）CG1-1号剖面成果

剖面桩号0+320～0+740桩号段地表下15m～50m处推断为煤层分布区，但该处下伏煤层局部已被开采，存在空洞及塌陷区。其中剖面桩号0+530～0+610桩号段下伏15m处推断为采空区（成果见图4）。

（4）CG2-2号剖面成果分析

剖面桩号0+230～0+400桩号段下伏40m处推测为煤层分布区；剖面桩号0+430～0+500桩号段地表下20m处存在低阻异常反应，推断该处为基岩；剖面桩号0+510～0+700桩号段地表下8m～15m处推断为煤层或采煤区，其中部的高阻区推断为采空区；剖面桩号0+760～0+880桩号段地表下15m处推断为采空区；其余桩号段未见异常反应（成果见图5）。

（5）YB1-1号剖面成果分析

剖面桩号0+250～0+460桩号段地表下35m处呈明显低阻异常，推断该处为基岩；剖面桩号0+490～1+100桩号段地表下20m～70m处为煤层（结合地质资料推断为45#煤层）；其中剖面桩号0+520～0+630桩号段地表下30m处推断为采煤区或煤层；剖面桩号0+720～0+810桩号段地表下40m处仍存在安全煤柱；剖面桩号0+930～1+100桩号段地表下20m处推断为采空区；其余桩号段未见异常反应（成果见图6）。

（6）YB2-2号剖面成果分析

根据电法成果并结合区域地质资料分析，剖面桩号0+500～0+660地表下约80m处存在煤层，其他桩号未见采空区及回填异常反应（成果见图7）。

图7 YB2-2剖面000+000～000+950段反演推断成果图

图8 CG4-4剖面000+000～000+510段反演推断成果图

图9 CG5-5剖面000+000～000+530段反演推断成果图

5.2 雷达测试成果

该工作对高密度测试中由于外界条件变化引起的地表异常空洞反映进行了排除。经地质雷达测试，所测试剖面处地表下20m内未发现空洞异常反映。

5.3 电测深测试成果

（1）CG4-4号剖面成果分析

该成果表明高密度测试剖面反映的43#、45#煤层通过电测深剖面反演依然存在，剖面桩号0+170～0+270桩号段地表下约3m～5m处存在煤层（结合地质资料推断为43#煤层）；剖面桩号0+310～0+450桩号段地表下约20m处存在煤层（结合地质资料推断为45#煤层）；其余桩号段未见异常反应（成果见图8）。

（2）G5-5号剖面成果分析

该成果表明高密度测试剖面反映的43#煤层通过电测深剖面反演依然存在，剖面桩号0+110～0+200桩号段地表下约30m处存在煤层；剖面桩号0+220～0+520桩号段地表下3m～5m处存在煤层（结合地质资料推断为43#煤层）；其余桩号段未见异常反应（成果见图9）。

由GD1-1、GD2-2、及YB1-1剖面测试情况反映，43＃、45＃安全煤柱依然存在，但部分已被开采。其中GD1-1剖面0+685～0+910桩号段推断为43＃煤柱，埋深5m～10m，安全煤柱两侧为开采回填区；剖面0+685～0+830桩号段安全煤柱相对完整，但桩号0+830～0+910段地表下约70m内安全煤柱已被开采回填。GD2-2剖面 0+575～0+810桩号段推断为 43＃ 煤柱，埋深5m～10m，安全煤柱两侧为开采回填区；剖面0+620～0+740桩号段安全煤柱相对完整，其中桩号0+650～0+680段地表下约15m安全煤柱内存在采空区；桩号0+740～0+810段地表下约50m内安全煤柱已被开采，底部仍存在采空区。YB1-1剖面0+700～0+820桩号段推断为45＃煤柱，埋深约40m，安全煤柱两侧为采空回填区。

综上所述43＃、45＃安全煤柱依然存在，其两侧为采空回填区。陕西水利

6 结论

[1]sl326-2005，水利水电工程物探规程[S].

[2]中国水利电力物探科技信息网.工程物探手册（第一版）[M].北京：中国水利水电出版社，2011.