岩溶区闭坑煤矿采空区综合物探及三维地质模型构建

田 浪，陈世万，吴佼基，李加华，余 琪，李仁启

(1.贵州大学 资源与环境工程学院，喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室, 贵州 贵阳 550025；2.贵州省地质矿产勘查开发局101地质大队，贵州 凯里 556000)

煤矿开采引起的含水层破坏、地形地貌景观破坏等地质环境问题日益突出。煤矿闭坑后巷道及采场充水，矿岩中的硫化物与氧气、水接触，在微生物的催化作用下，经过一系列复杂的物理、化学反应产生酸性矿井水(AMD)，造成严重的环境污染[1-3]。而且，大部分关停煤矿均存在生产资料严重缺失、矿井边界范围分布不明、采空区分布不清等问题。另外，查明闭坑矿区水文地质条件，厘清矿区污染水的补—径—排体系，是实现源头污染阻控，关键通道封堵等原位治理的前提。

物探是地下采空区探测的有效方法。薛国强等[4]针对地下洞体，分析了瞬变电磁法探测的有效性原理，并对某煤矿地下采空区进行瞬变电磁探测，结合钻孔验证，证明了瞬变电磁法探测采空区的可行性；蒋勤涛[5]为消除地形起伏对瞬变电磁法探测的影响，通过滤波消噪和时深转换处理，准确探测出了积水区的面积与积水体积；吴俊林等[6]使用瞬变电磁双回线装置对某煤矿采空区进行探测，得出重叠回线较大定源装置适合浅层勘探的结论；范涛等[7]采用钻孔瞬变电磁法探测了积水采空区的巷道形态；潘剑伟等[8]利用地面核磁共振法和高密度电阻率法在湖北某区域探测地下水，取得了良好效果。总体来说，由于物探成果的多解性，单一物探方法结果解译可靠度较低，综合物探技术可提供更可信的采空区探测结果[9-13]。

传统二维地质资料可视化程度低，制约了精细化矿区地下水污染治理技术的发展。范文遥等[14]研究得出基于GOCAD软件对矿区实行三维地质建模与可视化操作，更利于确定地表以下矿体的展布规律；雷赟等[15]利用EVS建模软件，基于钻孔和化学污染物数据建立了地下水三维模型，并将其成功应用于该地区污染物控制及地下水开采；靳德武等[16]以矿区某一工作面为例，构建了采场三维充水结构可视化模型，将其应用于底板突水综合监测预警工程实践中。利用EVS导出三维地质模型的各层面DEM(数字高程模型)，可以应用于GMS、Visual MODFLOW等软件中进行水文数值模拟，以获取地下水流场和以采空区为中心溶质质点向外迁移的运动轨迹[17-19]。总体而言，三维地质模型相对于传统二维模型其可视化程度大大提升，对实现水文地质条件和污染过程可视化具有重要意义。

以贵州省麻江县闭坑煤矿为研究对象，应用高密度电阻率法、瞬变电磁法、核磁共振法和充电法等多种物探方法进行采空区探测，并结合钻孔进行验证。综合地质调查成果、物探及钻探成果，建立包含采空区的三维地质模型。在此基础上，结合污染水出露空间特征，厘清闭坑矿区污染水的补—径—排体系，以期为矿区污染水精准治理提供技术支持。

1 工程地质背景及地球物理特征

研究区位于贵州省麻江县摆沙河流域内，摆沙河流域面积为65.94 km2。摆沙河流域历史上曾有6家煤矿企业，至2020年全部关闭停产。煤矿关停后，摆沙河流域关停煤矿逐渐产生酸性废水污染，摆沙河流域的摆沙煤矿区域内出现多处酸性废水涌水点，对摆沙河流域环境造成较为严重的污染。地表泉点分布图及污染现状如图1所示。

(a)矿区污染水出露点

研究区地处扬子准地台东南部，岩性主要为浅海相碳酸盐岩及碎屑岩，地形地貌为碳酸盐岩中低山溶蚀—侵蚀地貌。研究区内岩石主要为碳酸盐岩、少量碎屑岩和第四系土层。碳酸盐岩分布面积广，多属裸露及半裸露的基岩山区，地表岩溶洼地、落水洞、岩溶大泉等较为发育，地下局部发育溶洞、暗河。大气降水容易通过地表发育的通道渗入岩溶裂隙、管道暗河之中。岩石地层组由老至新主要有：奥陶系下统桐梓组(O1t)、红花园组(O1h)、大湾组(O1d)；泥盆系中下统蟒山组(D2m)、上统望城坡组(D2-3w)、尧梭组(D3y)；石炭系下统祥摆组(C1x)、上下统摆佐组(C1b)、上统黄龙组(C2h)；二叠系阳新统梁山组(P2l)、栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)及乐平统合山组(P3h)；第四系(Q)。其中，煤线位于石炭系下统祥摆组(C1x)。

根据现场的勘察情况和研究区物探测试结果，研究区内覆盖层主要有耕植土、黏土等第四系土层，分布的基岩主要为灰岩；研究区内的土层、基岩、含水采空区等地质体之间存在较大的电阻率差异。研究区内主要介质物性参数见表1。

表1 几种介质的物性参数

2 物探原理及工作方法

煤矿关闭后采空区及其上方破碎带的存在，导致地层电阻率不连续，为物探提供了良好的电性差异条件。对于无水采空区，通常表现为高阻异常；有水采空区则表现为低阻异常。为评价物探手段在采空区探测的有效性，提高物探成果解译可靠性，本次物探采用4种物探手段：高密度电阻率法、充电法、瞬变电磁法、核磁共振法。

2.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是通过地层电性差异来查明地下异常区。本次共布设了11条高密度电阻率法测线，电极距为5 m，采用温纳、斯伦贝谢尔2种勘探装置，累计测线长4 770 m。

2.2 充电法

本次探测工作采用电位梯度法，以探测地下水空间分布特征。本次充电法测量工作共在3个点位布设6条测线。

2.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM)的基本原理是电磁感应定律。电磁法勘探设备为YCS512大功率探水仪，其相关参数如表2所示。

表2 瞬变电磁法相关参数

本次共布设27条瞬变电磁测线，测点间距为1.5 m，累计测点2 159个，累计测线长度3 391 m。

2.4 核磁共振法

本次工作使用的是法国IRIS公司核磁共振系统，相关参数见表3。

表3 核磁共振系统相关参数

在工作区内共布设5个50 m×50 m方形线圈，装置类型为收发共圈装置。

3 物探反演结果分析

3.1 高密度电阻率法反演结果分析

高密度电阻率L9测线反演结果如图2所示。在测线中部YC-9标记范围内，埋深41.9～62.7 m出现明显的低阻异常。该异常对应的钻孔ZK05揭露：静止水位为2.9 m，采空区范围为48.8～51.2 m。表明L9测线能准确地反演出此处采空区的位置。

图2 高密度电阻率法L9测线反演结果

3.2 充电法探测结果分析

充电法部分探测结果如图3所示。

(a)充电法H1、H2、H3测线探测结果

由图3可以看出，正负电位梯度值的过渡位置指明了该处地下水排泄通道的位置。H1测线电位正负值过渡位置约在14 m处；H2测线电位正负值过渡位置约在16 m处，推测该位置为地下水流通道位置；H3测线约在14 m左右出现水流通道。

H1、H2、H3测线在走向上呈平行关系，且间隔距离很小。3条测线的水流通道基本在同一直线上，说明该涌水点的北侧存在与水源相通的水流通道。

3.3 瞬变电磁法探测结果分析

以瞬变电磁S25测线探测结果为例，如图4所示。

图4 瞬变电磁S25测线探测结果

由图4可知，YC-1异常区位于高程960～980 m，呈现突变为低阻的特征，瞬变电磁S25测线在走向上与高密度电阻率L9测线呈平行关系(L9测线反演结果见图2)，位于L9测线的中部位置。综合分析高密度电阻率法反演结果，发现高密度电阻率法L9测线在瞬变电磁法S25测线探测异常区YC-1对应位置，存在低阻异常区YC-6，高程为960～970 m，推测该低阻异常区为采空区。可见，瞬变电磁法和高密度电阻率法在采空区探测应用时具有较好的一致性。

3.4 地面核磁共振法结果分析

地面核磁共振P1测点探测结果如图5所示。

图5 核磁共振P1测点探测结果

由图5可以看出，表层2～5 m位置主要为第四系覆盖层，含水量较高，从反演T1时间看地表孔隙率较大，说明覆盖层较为松散；地下12～15 m深度含水率较大，约达到12.0%，孔隙率较大；临近钻孔ZK06揭露深度8.8～16.1 m的砂岩，孔隙率较大。推测48～60 m为厚度较大含水层，含水率约为8.5%；且从反演的T1时间来分析，该深度范围所对应的孔隙率也较大，推测为地下采空区影响区域。

4 综合解译

4.1 多种物探手段对比解译

针对矿区南部井口及污染水出水点区域，布置了高密度电阻率测线L4、L9、L10；瞬变电磁测线S22、S24、S25、S26、S27；充电法测线H6。针对矿区南部井口及污染水出水点，综合高密度电阻率法、瞬变电磁法、钻孔等多种手段，推测地下采空区分布如图6所示。

图6 物探综合解译图

综合物探结果分析，该区域存在大面积突变的低阻异常区，埋深为40～50 m，且邻近区域有大量的污染水出露，如污水点SW8。高密度电阻率法L10和L9测线及瞬变电磁S25测线的低阻异常范围均显示了下部的异常区，推测此处存在大面积连续采空区分布。在该处布置钻孔ZK12，揭露了埋深56～62 m区域为采空区，证实综合物探解译成果的有效性。

4.2 闭坑矿区三维地质模型构建

EVS地质建模软件主要通过在不同模块之间搭建模型运行，建模步骤如下：

1)通过提取航拍测绘的等高线得到地形点数据并生成地表模型。

2)将地表泉点和塌陷点的空间位置及流量、尺寸等信息标记在地表模型上。

3)通过钻孔数据插值生成三维地层实体。

4)将综合物探技术确定的采空区等地质要素构建在三维地质模型上。

实际上，该研究区域仅布置12个钻孔，且部分钻孔深度较浅，仅通过实际钻孔柱状图难以建立精准的三维地质模型。利用该研究区域1∶2 000水文地质调查成果，将地层、产状、采空区等信息综合地反映在重点控制地质剖面上，并在绘制的地质剖面图上布置虚拟钻孔以实现基于多源数据的地质模型构建，采用自然邻域插值法生成地层实体。

研究区三维地质模型多方位切片的模型如图7所示。

图7 矿区三维地质模型

由图7可以看出，该模型可实现重点位置，特别是采空区位置的清晰直观显示，可为地下水污染的治理提供重要支撑。

研究区南部补—径—排体系如图8所示。

(a)研究区南部补—径—排示意图

由图8(a)可知，绿色区域为通过物探和综合勘察资料得到的采空区。该区域的地层倾向为南东向。

结合图8(b)分析可知，当地表降雨入渗补给时，西侧出露地层为砂岩、泥岩等碎屑岩地层，地层本身入渗系数较低。地表水主要经采矿破碎带、采矿塌陷等通道下渗至采空区；采空区东侧为碳酸盐岩区域，岩溶较为发育，该区域的大气降雨和地下水通过岩溶优势通道补给采空区。西侧的地表水及东侧的地下水补给采空区，逐渐汇集，最终出露地表，如污水点SW1。

研究区北部补—径—排体系如图9所示。

(a)研究区北部补—径—排分析图

由图9可以看出，大气降雨经过山体多个塌陷点快速补给到采空区。因地层倾向为北东向，采空区南部为碎屑岩隔水层，在隔水层阻挡下，流经采空区的地下水只会沿倾向(北东)排泄，使大量污水点在北部沟谷出露，而南东向沟谷内泉点均没有受到污染。

5 讨论

5.1 采空区物探方法评述

研究区地形起伏较大，瞬变电磁法相对高密度电阻率法布设更为灵活。瞬变电磁法随着深度增加，磁场强度逐渐衰减，显示电阻率逐渐减小，但这种电阻率减小是渐变的；而充水采空区电阻率表现为突变，具有较明显特征。高密度电阻率法相对瞬变电磁法在纵向上分辨率较高，两种方法配合解译可为采空区的确定提供更可靠的结果。研究区域地形起伏较大，岩溶较发育，充电法的探测效果并不理想。地面核磁共振法可直接显示地下水的分布及含量，含水量的大小对充水采空区具有较好的指示效果。

5.2 物探技术方法体系对矿山水污染治理的支撑

国内外对酸性矿山废水(AMD)的治理方法可分为主动治理和被动治理[20-21]。主动治理方法存在诸多缺陷，如主动治理方法中的中和法，该方法处理过程时产生的大量污泥有害物质极易对环境造成二次污染，且其运行成本和管理成本较高[22]；被动治理技术是基于自然营力的原位治理技术，能减少对环境的扰动，实现精准治理，是极具前景的绿色治理技术，但其前提需查清地下水补—径—排过程及污染迁移过程。以贵州省麻江县闭坑煤矿为例，该矿区开采年代较早，可追溯到清朝时期，矿坑关闭后，大部分地质资料丢失，无法确定采空区范围及位置，通过开展物探+钻探综合探查，探测采空区位置，建立含采空区的三维地质模型，厘清矿区补—径—排过程，形成水文地质概念模型，为原位被动处理点位精准确定提供支持，实现矿山地下水污染精准防控。

6 结语

1)采空区与地层存在显著导电性差异，瞬变电磁法和高密度电阻率法对采空区均有较好响应。综合高密度电阻率法高分辨率和瞬变电磁法高灵活性优势，形成岩溶山区采空区可靠探测解译方法；通过地面核磁共振法，得到采空区核磁共振响应特征，证实地面核磁共振法可有效探测充水采空区；岩溶山区地形起伏大，充电法在沟谷区难以保证测试精度。

2)综合钻孔柱状图、实测地形图、剖面图、实测采空区范围和地质调查等多源地质数据，通过EVS地质建模软件建立了研究区三维地质模型。

3)通过三维地质模型分析了研究区北部和南部主要污染区域地下水补—径—排关系，分析了各区域主要地下水补给源、地下水运动路径及排泄关系，研究成果可为污染水治理措施(水量源头消减、过程阻断、关键通道封堵等原位被动处理措施)的精准设计提供技术支持。