“物探+钻探”方法在济东煤田采空区勘察中的应用

胡建波，张友林，杨冬铭

（1.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250000；2.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250014）

采空塌陷是矿层（体）采出后，采空区上方岩层在重力作用下发生弯曲、离层以致冒落形成的。按岩石的破坏程度，自采空区地表可划分为3个不同的变形影响带，即冒落带、裂隙扩展带和弯曲变形带，当三带均发育时，弯曲变形带上方地表往往形成塌陷盆地，盆地中心下沉深度最大、边缘最小。由于塌陷体的四周断面与水平面的夹角较大，塌陷盆地面积一般略大于采空区面积。采空塌陷的影响因素错综复杂，其发生发展过程及地表形态特征主要取决于矿层条件、顶板岩性特征、地质构造和采高、开采条件等。本研究以济东煤田圣井煤矿为例，采用“物探+钻探”方法对圣井煤矿采空区工程建设进行分析和评价。

1 工程概况和煤矿调查

1.1 工程概况

山东蓝海领航电子商务示范产业园位于圣井煤矿范围内，该建设项目占地面积约为50 828.2 m2，建筑层数基本为4～5层，高层为21～28层。根据场区调查分析，该场地属于低山丘陵地带，地形较为平坦，仅场地西侧有冲沟发育，地表被第四系大站组粉质黏土覆盖，下伏地层为二迭系石盒子组和石炭系太原组、山西组，属于煤田集聚区，以往属于圣井煤田开采区，周边存在大量采空区。

1.2 煤矿调查

济南圣井煤矿位于章丘市明水镇西南方向12 km处，面积为1.800 2 km2，开采标高+70～-260 m。井田为华北型全隐蔽式井田，第四系平均厚度为20 m。含煤地层整体走向NW，倾向NE。岩浆岩较发育。井田地质构造复杂程度属中等类型。矿井水文地质条件属于复杂类型，工程地质条件属于简单类型，环境地质条件简单。井田划为Ⅲ-1型。井田勘察类型确定为Ⅱ类2型。

圣井煤矿太原组含煤4层，为7煤、9煤、10-2煤、13煤。13煤不可采，可采煤层为7煤、9煤、10-2煤。7煤局部可采，9煤、10-2煤为大部分可采煤层。根据现场地质环境综合调查，场地内因煤矿采空引发的地面塌陷、地裂缝等地质灾害众多，可见多处采空塌陷变形地段，地表波浪起伏变形较明显，部分房屋外墙可见大小不一的裂缝。

2 物探解疑

本次勘察区物探工作采用高密度电法[1]和瞬变电磁法两种物探方法进行。根据物探勘察区范围，共布置高密度电法剖面15条，分别编号为G1～G15，剖面长300 m，瞬变电磁法呈南北方向布置，共15条测线，全长310 m。两种方法的点距及线距均为10 m，基本实现全区覆盖。物探和钻探布置如图1所示。

2.1 高密度电法

高密度电法采用温纳装置进行测量。本次试验选择场区内较有代表性的G03进行详细分析。G03线布线方向为正东向，测线长795 m。由图1可以看出，整条剖面视电阻率变化较明显，局部出现低阻异常，推断为采空区或采空区塌陷反映。结合地质资料，综合分析认为：高密度电法G03线在剖面440～505 m、埋深-45～-55 m以及剖面535～725 m、埋深-43～-79 m处出现低阻反映，推断解释为采空区或采空区塌陷；在剖面545～562 m、埋深 -155～-165 m以及剖面585～620 m、埋深-165～-175 m处出现低阻反映，推断解释为7煤采空区或采空区塌陷；在剖面325～340 m、埋深-135～-141 m，剖面355～430 m、埋深-140～-155 m以及剖面445～500 m、埋深-155～-175 m处出现低阻反映，推断解释为9煤采空区或采空区塌陷[2]。

2.2 瞬变电磁法

考虑到采空区较浅，开展瞬变电磁法试验时采用重叠回线观测装置，边框为50 m×50 m。本次试验选择勘察场地内较有代表性的S03进行详细分析。S03线布线方向为正东向，测线长720 m。由图1可以看出，整条剖面视电阻率变化较明显，局部出现低阻异常，推断为采空区或采空区塌陷反映。结合地质资料，通过综合分析认为：瞬变电磁法S03线在剖面455～550 m、埋深-158～-200 m处出现低阻反映，推断解释为7煤采空区或采空区塌陷；在剖面240～415 m、埋深-130～-175 m以及剖面445～530 m、埋深-184～-226 m处出现低阻反映，推断解释为9煤采空区或采空区塌陷；在剖面0～105 m、埋深-110～-135 m，剖面158～406 m、埋深 -140～-210 m以及剖面465～525 m、埋深-225～-255 m处出现低阻反映，推断解释为10-2煤采空区或采空区塌陷[3]。

图1 工作量布置

3 采空区钻探验证

根据物探异常情况，结合场地情况在勘察区内共布置钻探验证孔56个，全孔取芯，所有钻孔均超过3煤、9煤、10-2煤煤层部位。其中，2-0、2-3、4-3、6-4、6-10、8-13、10-1、10-3、10-8、10-9、12-1、16-6均布置在物探推测的采空异常区范围内，在钻探过程中有漏水、卡钻、跳钻及掉钻等现象出现，经钻孔电视验证，钻孔内有空洞，属于采空区范围。

4 采空区特征综合分析

本次采空区勘察工作采用了高密度电法、瞬变电磁法、钻孔等手段，通过物探与钻探资料对比分析可知：在采空区电性特征表现为低阻特征，视电阻率等值线向下同向弯曲。原因为地下煤层被采空后，上覆地层向下坍塌，破坏了地层的稳定性，地层向下坍塌过程中产生裂隙被水或泥质物质充填。

济南圣井煤矿采空区主要有两层，即浅部3煤采空区和深部7煤、9煤、10煤采空区。其中，3煤采空区埋藏较浅，深度为20～50 m，7煤、9煤、10煤采空区埋藏较深，深度为100～200 m。通过对济南圣井煤矿采空区进行解译可知，浅部4煤采空区主要分布在工区北半部，且采空范围较凌乱。深部9煤为主要煤炭采空区，主要分布于工区北、中部；10煤开采较少，采空区主要分布于工区南部。受地层产状影响，采空区往东逐渐变深，如图2所示。

图2 采空区分布

5 结语

物探采用高密度电法和瞬变电磁法，基本查明在拟建场区范围内存在的煤矿采空区。采用“物探+钻探”方法避免了单一物探反演结果的多解性，使勘察结果更为详细准确，又减轻了多处钻孔对岩层造成的破坏。确定了圣井煤矿3煤、7煤、9煤、10-2煤煤层采空区分布范围，并圈定了采空区异常范围，为工程建设提供较为准确可靠的采空区分布范围资料。