利用综合物探探查浅埋藏小窑破坏区

王东琴

(西山煤电集团 资源地质部， 山西 太原 030053)

西山煤电集团所属生产矿井由于部分采区煤层埋藏较浅，甚至出露地表，周边小窑分布多，矿井内部分工作面或与小窑贯通、或位于小窑破坏区附近。汛期时，地面积水经常导致浅埋藏小窑破坏区塌陷，地表水通过塌陷坑灌入小窑后集聚，小窑老空水及地表水严重威胁着矿井的安全生产。西山矿区小窑采煤活动具有随机性的特点：小窑破坏范围没有规律，破坏区大小不一深浅不一，有的小窑老空区甚至位于河床底下，埋深几米到几十米均有。同时，小窑几乎没有准确图纸保留，部分年代久远的废弃小窑在地表发生一定变化后，小窑采掘活动的痕迹被全部破坏掩盖。

目前浅部采空区，特别是浅部不含水采空区的分布范围，由于过水沟谷区采空区的地球物理特征不明显，采空区巷道规模小，易遗漏,且没有一套成熟技术可供参考。为此，针对小窑老空分布情况，计划在西铭矿冀家沟谷内煤层浅埋区、煤层露头附近小窑破坏区进行探测研究，解决浅埋藏小窑破坏区探测难、探测精度不高的问题，掌握一套相互配合相互印证的探测小窑破坏区的综合物探勘查技术，为以后的浅埋区小窑破坏区调查与治理工作提供科学依据和地质基础。

1 探测方法

选择西铭矿冀家沟谷内煤层浅埋区、煤层露头附近小窑破坏区作为试验区进行探测研究。通过现场踏勘了解工区实际地形地质条件，确定采用超高密度电法、地质雷达、微重力法的综合物探探测技术。通过对以往采空区探测的技术经验建立初步地质模型，并在现场开展试验工作，进行初步解译后，运用钻探验证手段进行技术验证。钻探技术验证主要是针对综合物探初步解译成果，进一步优化地质解释模型及技术处理方法，最终形成一套适合于探测过水沟谷附近浅埋小窑破坏区的综合探测方法及处理解释方法。

2 实 施

2.1 测线布置

测线布置选择在冀家沟土圈头村附近，测区控制范围为300 m×80 m. 高密度测线长度为500 m(控制范围两侧各延长100 m)，按20 m线距，1 m点距进行布置。微重力法测线长度为300 m，按10 m线距，5 m点距进行布置。地质雷达测线布置按有利于雷达工作的方式，沿沟谷区域选择地形变化落差较小区域进行布置，共布置测线2条，每条测线长度300 m，见图1.

图1 西铭矿冀家沟浅埋小窑采空破坏区现场工程布置图

2.2 超高密度电法探测

7号煤层分别采用施贝装置与温纳装置，等视电阻率平面图见图2，图3. 图中虚线填充的范围为推断解释疑似采空区异常，两种装置得到的异常范围及分布位置较为吻合，起到相互印证的效果。测区大里程方向异常区沿煤层露头位置大范围展布，小里程方向异常区从煤层露头位置向深部延伸，整个测区范围采空异常范围较大，与临近巷道相接。

图2 施贝装置7号煤层等视电阻率平面图

图3 温纳装置7号煤层等视电阻率平面图

8号煤层分别采用施贝装置与温纳装置,等视电阻率平面图见图4，图5. 图中虚线填充的范围为推断解释疑似采空区异常，从整体趋势上看，两种装置得到的等视电阻率平面图的整体形态及视电阻率值的大小较为接近，主要区别在测区中部的相对中低阻异常区。施贝装置无此异常区;但温纳装置却有一明显相对中低阻异常区，推测该区域存在多层重叠采空区的可能性较大，而施贝装置在该区域小里程方向的中低阻异常区不排除为与温纳装置上述异常相关的异常区域，主要需要验证是多层重叠采空区或是临近同一层煤的采空区，但根据现有资料情况推断为多层煤的重叠采空区可能性更大。

图4 施贝装置8号煤层等视电阻率平面图

图5 温纳装置8号煤层等视电阻率平面图

2.3 地质雷达探测

西铭矿探地雷达剖面解释示意图见图6，在 L1线桩号20—60深度0～15 m处，雷达波形连续性发生变化，与两侧有明显差异，并且有一定的弧形显示，推测此处为空洞异常；桩号260—290深度0～15 m处，雷达波形紊乱，振幅增强，推测此处为空洞异常。

由图6可以看出，在 L2线桩号130—180深度5～20 m处，雷达波形存在连续的强反射界面，推测此处为空洞异常;桩号270—300深度0～20 m处，雷达波形紊乱，同旁边波形对比差异明显，推测此处为松散堆积，密实度较差。

图6 西铭矿探地雷达剖面解释示意图

雷达正演模拟中，空洞反射圆弧反射信号清晰可见，且呈双曲线反射弧或者可解释为多个强反射。但是在实际的空洞形态、性质较复杂，空洞发育形态是变化多样的，有圆形、方形等。空洞内部有充水、充淤的情况，有全充和局部充填状态及干空洞之分，在应用正演模拟成果时一定要结合实际情况。而正演模拟的主要还是侧帮的响应效果，对于其它方向探测方式也有着一定的借鉴意义，呈现出强反射的边界特征。西铭矿探地雷达解释平面示意图见图7.

图7 西铭矿探地雷达解释平面示意图

2.4 微重力法探测

西铭矿试验区剩余重力异常平面图和布格重力异常平面图见图8，图9. 对比两张图上的重力负异常区，主要有3个区域，即7号煤层露头线西北侧一个，露头线东南侧两个。露头线东南侧的两个负异常区在两张重力异常平面图上的位置范围较为一致，而西北侧异常区布格重力异常较剩余异常平面图上的异常范围较小。整体而言重力异常平面图上的采空异常区与高密度电法7号煤采空异常区具有一定的可对比性。西北侧异常区两种方法较为吻合，均为沿煤层露头分布。露头线东南侧的第一个异常两种方法也较为吻合，均表现为测区右侧异常幅值明显强于左侧。东南侧第二个异常区两者存在一定区别。主要表现为异常重力异常区主异常在测区左右两侧，而高密度电法主异常在测区中部。

图8 西铭矿试验区剩余重力异常平面图

图9 西铭矿试验区布格重力异常平面图

2.5 综合物探初步解释成果

结合以上3种物探综合分析，7号煤层综合物探成果见图10，图中斜线充填区域为综合物探解释 7号煤层综合采空区，该图是以高密度电法施贝装置探测成果为主，结合重力探测结果进行了采空区范围圈定，并与高密度温纳装置探测成果进行了对比，最后采用地质雷达进行验证。综合解释成果表明，测区范围内7号煤层采空现象严重，测区北部采空区主要为沿露头向煤层延伸，测区南部采空区范围较大，采空区构成更加复杂，仅在测区中间测线小里程到中里程段有未采空区域，且该区域采空区有向两侧山体延伸的趋势，但中间存在通道相连。

图10 西铭矿7号煤层综合物探解释成果图

8号煤层综合物探成果见图11，图中斜线充填区域为综合物探解释8号煤层采空区，该图是以高密度电法温纳装置探测成果作为主要解释依据，结合施贝装置探测成果，部分区域参考了重力探测结果进行采空区范围圈定。综合解释成果表明，测区范围内8号煤层采空现象较为严重，大部分为采空区域，未采空区域主要分布在测区中部范围内。

图11 西铭矿8号煤层综合物探解释成果图

2.6 钻孔验证

通过对物探资料的综合解释，结合现场实际情况，圈定了钻孔位置及数量。验证钻孔在物探综合解释成果图中的位置示意图，见图12. 西铭矿1号孔布置在物探圈定的采空区范围以内，而2号孔布置在7号煤层和8号煤层物探圈定的采空区范围以外。根据实际钻孔揭露，1号孔孔深45 m,在9.8～10.1 m见7号煤层实体煤，在26.4～28.00 m为8煤层采空区，2号孔孔深60 m,在17.4～19.1 m见7号煤层实体煤，在28.8～30.0 m见8号煤层实体煤。同物探综合解释成果吻合，证明了物探综合解释成果的可靠性。

图12 验证钻孔在物探综合解释成果图中的位置示意图

2.7 综合物探二次解释成果

在之前综合解释成果基础上，结合钻探验证情况，并适当参考高密度电法、重力探测和地质雷达解释成果，最终形成西铭矿7、8号煤层综合物探二次解释成果。

西铭矿7号煤层二次解释综合成果图见图13，图中填充区域为7号煤层二次解释综合采空区，由于1号钻孔没有探测到7号煤层采空区，所以解释区域在该钻孔附近进行了缩减。二次解释成果表明，测区范围内7号煤层采空现象较严重，测区北部采空区主要沿露头向煤层延伸，测区南部采空区范围较大，采空区构成更加复杂。仅在测区中间测线小里程到中里程段有未采空区域，且该区域采空区有向两侧山体延伸的趋势，但中间存在通道相连。

图13 西铭矿7号煤层综合物探二次解释成果图

西铭矿8号煤层二次解释综合成果图见图14，图中填充区域为8号煤层二次解释综合采空区。1号钻孔在26.40～28.00 m 见8号煤层采空区，2号钻孔17.40～19.10 m 见8号煤层，根据钻孔验证情况，对南部解释区域进行缩减。

图14 西铭矿8号煤层综合物探二次解释成果图

3 结 论

在高密度电法中采用三维成像、渲染等技术，在空间上对电法数据进行分析处理，更好地展示勘探成果，也更有利于分析采空区空间分布情况以及裂隙导水带等构造的连通情况。利用重力在富水采空区表现出中等负异常形态，而充气型表现出高负异常形态，有效弥补以往电法勘探中对于充气型采空区难以分辨、难以解释的问题。

在采空区充水状态时，一般将高密度电法作为主要解释依据。采空区为空洞、干燥型时，可以考虑将重力探测作为主要解释依据。地质雷达可以作为浅层采空区探测手段，作为高密度电法的重要补充。浅部(第一层)采空区采用施贝装置好于温纳装置效果，而对于多层采空区的情况下下伏采空区的解释则采用温纳装置效果更好。

针对沟谷浅埋藏小窑破坏区及采空破坏区采空范围大、巷道规模小、随机性大、地表地球物理干扰因素多等问题，利用综合物探探查浅埋藏小窑破坏区，可以采用以高密度电法为主、微重力法和地质雷达为辅，并结合钻探验证的方法，将有效预防矿井水害事故的发生，改变矿井防治水工作的被动局面，应用前景十分广阔。