阳泉矿区煤田采空区综合地球物理探测模式应用

王森，王春辉，查恩来，翁爱华

1.吉林大学 地球探测科学与技术学院,长春 130026；2.吉林省勘查地球物理研究院,长春 130012；3.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心,河北 保定 071051

0 引言

山西省作为煤炭资源大省，是中国重要的煤炭生产基地。在煤炭资源长期高强度、大规模开发的同时，山西也付出非常沉重的生态环境破坏代价[1]。近年来，山西省省委省政府提出深化矿区治理与城镇化建设、产业化发展、加强基础设施建设、提高公共服务水平和推进生态文明建设相统筹的总要求[2]。开展采煤沉陷区环境地质调查，查明矿区水文地质、工程地质条件，评估地质灾害环境风险和恢复治理的成本效益[3]。笔者采用综合地球物理手段，在阳泉矿区选择典型矿点，勘查采空区边界和深度等属性，解决环境地质问题，为采煤沉陷区环境地质调查提供技术支撑。

1 地球物理勘查技术方法与应用思路

1.1 采空区地球物理技术手段

阳泉矿区煤田采空区地球物理勘查实施重力勘探、浅层地震勘探、瞬变电磁勘探和探地雷达勘探等多种技术手段。探地雷达法勘探深度相对较浅，主要用于排查隐伏地裂缝分布。

通过探索与实践，总结出煤田采空区地球物理勘探模式[4-8]。从技术方法的适用性、有效性、工作效率以及经济因素等多种因素考核，本项工作选择重力勘探、浅层地震勘探和瞬变电磁勘探作为煤田采空区勘查主要技术手段。

1.2 采空区探测方法原理分析

重力勘探重力勘探地球物理前提为勘探目标体与周围介质间的密度差异，其输出结果为重力布格异常曲线及后续数值计算结果。煤田采空及后续发生的地层沉陷会造成质量亏损，在重力布格异常中形成局部低值异常，通过识别布格异常中的低值异常区可初步判定采空区在平面上的边界位置，经进一步的计算(需要钻孔条件约束)可初步给出采空区深度信息[9-10]。

浅层地震勘探浅层地震勘探法通过地下介质弹性波波阻抗差异进行层位划分和局部地质体的识别，其输出结果为地震时间剖面及地质推断图。对于煤田采空区勘探，其地球物理响应为：①煤系地层与其他岩体波阻抗差异大，会形成明显的反射界面；②采空陷落在地震剖面上表现为局部两组或多组反射波同相轴的中断和消失，异常多呈喇叭形；③采空区会引起地震反射波同相轴的局部异常扰动、中断和错动。通过识别反射波组变化可实现对采空位置的识别，经时深转换后，可初步判定采空区深度[11-12]。

瞬变电磁勘探瞬变电磁法通过向地下发射电流，接收二次场电压和电流变化，输出结果为地下介质电阻率断面图。地下采空后会形成局部高阻，当发射线框激发的二次场电流达到采空顶板后，二次场会发生激发极化效果，二次场电流会快速衰减并出现负值，通过识别该高阻界面可划定采空顶板位置，但不能揭示采空区底板位置[13-20]。

1.3 应用思路

实际工作中，推荐使用组合勘探模式，以实现去除多解性和提高探测精度的目的。组合模式为：重力勘探、浅层地震勘探和瞬变电磁勘探。实际应用中，地球物理勘查应具备前期地面调查基础，重力勘探为初勘手段，可初步确定煤层采空边界，进一步在重力勘探异常区实施浅层地震勘探工作和瞬变电磁勘探工作，地球物理资料结合地面调查和钻孔结果，即可实现对采空区边界定位和深度判定。

应用条件研究区环境噪声低， 地形起伏小， 满足重力剖面、浅层地震剖面和瞬变电磁剖面布置。 勘探成本高， 工作效率适中。

异常效果结合地质资料，能够划分煤层深度，划定采空位置及深度信息。

2 工作区概况

2.1 地形地貌

工作区所属井田位于山西省中部东侧太行山西麓，属中低山丘地带，地表经长期风化剥蚀，沟谷纵横，梁岭绵延，地形复杂。地球物理勘查试验区选择在井田内地势开阔、地形平坦区域内开展，海拔930～980 m。

2.2 煤系地层

井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。

2.1.1 太原组(C3t)

太原组分为上、中、下3段。下段岩性以砂岩、粉砂岩和泥岩为主，其中上部所含15#煤层为全井田可采的稳定煤层，层厚5.49～8.91 m，为主要可采煤层。中段由灰岩和粉砂岩、泥岩和中细粒砂岩及3层薄煤层(11-13#)组成。上段由灰黑色泥岩、粉砂岩及深灰色泥灰岩和煤层组成，所含8#煤层为大部分可采的较稳定煤层，9#煤层为大部分可采的稳定煤层。

2.1.2 山西组(P1s)

平均厚度51.50 m。岩性为中细砂岩、砂质泥岩、灰黑色泥岩及粉砂岩，含煤3层(3-5#)，4#煤层为局部可采的不稳定煤层，井田内4#煤层大部分区域被剥蚀，其余均属不可采煤层。

3 地球物理数据处理与分析

选择阳泉矿区阳泉市盂县东坪煤矿为煤田采空区地球物理勘查典型矿点。该区地表为压实土，路面宽度60 m，两侧为公路削坡，为采煤沉陷、地裂缝和小型断裂构造密集发育区。部署阳泉矿区东坪煤矿1号剖面，位于2016年采空区范围内，地层为下石盒子组、太原组和山西组砂岩和页岩，开采9#煤层和15#煤层，平均厚度分别为2.5 m、6.9 m，15#煤层埋深150～182 m，工作面宽度150 m。

1号剖面部署3种地球物理手段。其中重力G01剖面长度为1 100 m。地震勘探S01剖面长度为1 000 m，起点位于重力剖面起点以东100 m，剖面位置是1号剖面100～1 100 m段。瞬变电磁T01剖面长度为675 m，位于1号剖面400～1 075 m段(图1)。

图1 阳泉矿区1号剖面地球物理工作部署简图Fig.1 Geophysical deployment of No.1 section in Yangquan mining area

3.1 重力勘探结果

通过重力测量，获取剖面位置布格异常曲线。G01剖面重力布格异常曲线在450～700 m段出现明显的倒三角形低值异常区。理想条件下，水平煤层巷道模型重力异常响应为在布格异常曲线的低值区间内，存在一段相对的低值平台或波动区。而G01剖面布格重力异常曲线呈明显的单峰形态，而不是简单的平板形态，分析其原因：① 负向单峰异常响应为地下介质综合响应，可能包含岩体分布、采空、陷落和断裂构造等多种因素贡献；② 大区段负峰值出现，可指示地下采空区的存在，为精细刻画该采空区属性，可在该区段进一步实施其他地球物理手段，重力勘探可为地球物理详勘提供一定的参考依据；③ 条件允许情况下，应实施面积性勘探，通过布格重力异常平面图中低值异常分布确定采空区边界位置。由此可初步界定采空区边界(图2)。

为进一步求证采空区的形变特征，间隔2年后，在2018年7月，对该剖面位置实施了重力勘探重复观测，其布格重力异常曲线见图2b。结果显示重复测量布格重力异常曲线呈高度的相似性。分析其原因，重力剖面位置位于主采煤工作面西南，该区在2016年3—5月发生采空后，地下采空位置趋于稳定。

3.2 浅层地震勘探结果

在重力勘探工作基础上，部署浅层地震勘探工作，地震勘探时间剖面见图3a。地震时间剖面包含了丰富的地质信息。取岩体均方根速度为2 000 m/s，时深转换后，深度与反射波走时大致相等。地震时间剖面可清晰地揭示岩体形态。

在重力布格异常曲线300～400 m低值段，反射波出现大面积绕射区，推断该位置由于采空造成的砂层沉陷。重力布格异常曲线600～900 m低值异常区位置，为一小型背斜，有小型断裂发育，地震反射波同相轴至少有两组同相轴出现了明显的中断和错动，推断为9#煤层及15#煤层采空区，这也证实对重力勘探结果的推断。结合地质资料与地球物理勘探结果，9#煤层采空区深度70～80 m，15#煤层采空区深度为150～180 m。图3a中红色圆圈指示出剖面中一处采煤沉陷区位置，该区位于剖面260～330 m，深度大致在30～100 m，呈喇叭状，岩层已完全遭到破坏。白色和红色虚线标注了9#煤层和15#煤层采空边界位置，为进一步明确采空区走向，实施了瞬变电磁法工作。

图2 阳泉矿区1号剖面重力勘探布格重力异常曲线Fig.2 Bouguer gravity anomaly curves of No.1 section in Yangquan mining area

3.3 瞬变电磁勘探结果

瞬变电磁剖面部署于重力勘探异常区位置，其剖面位置见图1。瞬变电磁反演电阻率断面见图3b。

反演电阻率断面图中，T01剖面在640～760 m和870～980 m段出现2组高阻异常，推断为采空区异常，通过识别高阻界面，可判定采空顶板位置，采空顶板高阻为假异常。

分析其异常特征，电阻率断面中揭示出沿东西方向展布的2组采空区，西翼采空埋深大于东翼采空区，且中间存在未采区。结合地质资料及地震勘探结果，推断9#煤层采空区西翼深度约120 m，水平距离在640～760 m段；东翼深度约80 m，水平距离在870～940 m段。15#煤层采空区西翼深度约160 m，水平距离在630～760 m段；东翼深度约50 m，水平距离在870～980 m段。其中西翼采空区两层煤采空区宽度基本一致，而东翼采空区9#煤层采空区范围要明显偏小。瞬变电磁勘探结果与浅层地震勘探结果基本一致。

4 结果与讨论

4.1 地球物理探测结果

根据地球物理探测结果得到1号剖面位置地质推断图(图4)。图中给出采煤塌陷区位置，及9#和15#煤层采空区位置。剖面260～320 m段采空沉陷区，深度在30～100 m，岩体陷落明显。

剖面640～760 m和870～980 m段为9#煤层和15#煤层采空区，其间伴随有断裂发育。西翼采空区埋深较东翼采空区大，9#煤层采空顶板埋深约120 m，15#煤层采空顶板埋深约175 m，2层煤采空作业面宽度约120 m。东翼采空区，9#煤层采空作业面宽度明显<15#煤层。9#煤层采空顶板深度约为75～80 m，采空作业宽度约70 m。15#煤层采空顶板深度约120～130 m，采空作业宽度约110 m。

图3 阳泉矿区1号剖面浅层地震时间剖面和瞬变电磁反演电阻率断面图Fig.3 Shallow seismic time profile and TEM inversion resistivity profile of No. 1 section in Yangquan mining area

图4 阳泉矿区1号剖面地质推断图Fig.4 Geological inference of No.1 section in Yangquan mining area

4.2 讨论与分析

通过在山西阳泉矿区的理论研究和实践工作，总结出采煤沉陷区综合地球物理勘查工作模式。该套技术手段适用于煤层埋深在50～300 m，煤层厚度>2 m的采空区探测。在地球物理勘探方法选择上，应从经济成本核算、工作效率、工作现场地形条件和噪声/电磁干扰情况等因素综合考虑。施工条件上，因需要一定长度的作业面积，应尽量在地势平坦开阔的区域开展工作。瞬变电磁法需要布置发射线框，而浅层地震法需避让高环境噪声干扰，如机械振动和通行车辆等。重力勘探法可初步划定煤田采空区边界位置，可作为一种初勘手段。尽可能地部署重力勘探平面测网，揭示采空区界面位置分布信息。从分辨率和工作效率分析，地震勘探有明显的技术优势，可较为清晰地揭示出煤系地层分布，划定采空区边界及大致深度,瞬变电磁勘探能够给出采空区顶板展布信息。多种地球物理手段联合勘探可有效地提高勘探精度，通过联合解译，揭示出煤田采空区位置、埋深及采空作业宽度等属性信息。

5 结论

(1)通过重力测量，获取剖面位置布格异常曲线。通过布格重力异常曲线图中低值异常分布确定采空区边界位置，由此可界定采空区边界。

(2)通过部署浅层地震勘探工作，地震时间剖面可清晰地揭示岩体形态。推断出9#煤层及15#煤层采空区，证实了重力勘探结果的推断。

(3)通过瞬变电磁勘测识别高阻界面，可判定采空顶板位置，验证地震勘探工作结果。

(4)通过在山西阳泉矿区的理论研究和实践工作，总结出重力勘探、浅层地震法和瞬变电磁法相结合的采煤沉陷区地球物理勘查工作模式。