综合地质勘查方法在陶枣煤田采空区勘查中的应用

徐然，张英梅，王继芳，谢丽丽，韩宗瑞，唐洪敏

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 兖州，272000；)

新建济南至枣庄铁路枣庄段经过陶枣煤田采空区，线路前期可行性研究方案给出四条方案。本文基于拟建铁路沿线有关的地质、物探、遥感及开采资料做综合分析研究，采用实地调查、物探、钻探结合的方法对采空区分布范围和各方案线路稳定性做出评价，对线路分段比选，提出合理化建议[1-3]。

1 地质概况及采空区分布

陶枣煤田工区为黄淮冲积平原的一部分，地势平坦。大地构造位置属于华北板块，鲁西隆起区，鲁中隆起之尼山-平邑断隆，尼山凸起。工区上覆第四系全新统坡残积、坡洪积和崩坡积粉质黏土，下伏石炭系太原组(C1t)砂岩、页岩、页岩夹煤层，石炭系中统本溪组(C2b)泥岩夹砂岩，奥陶系灰岩，二叠系石盒子组(P3s)砂岩、页岩夹煤层等。灰岩构成煤层顶板，砂岩、页岩构成其底板。构造主要为单斜构造和断裂，局部发育宽缓的小褶曲。总体为单斜盆地。地层总体走向40°～50°，倾向北西，倾角12°～26°。侵入岩主要为燕山中期岩床及岩墙辉绿岩，多分布于西部煤系地层中。石炭系至二叠系含煤岩系总厚630m。可采煤层自上而下主要为山西组第2层煤及太原组第14、16、17、18层煤，其中第2层煤厚达6m～8m，在朱子埠-黄贝矿区尖灭，在郭里集、田屯、寨子等矿区均被侵蚀，为历史上主要开采煤层，现已基本采完；其余煤层分布不均，平均厚度分别为1.0m、0.7m、0.5m、0.8m。

陶枣煤田民国时期即已大量开采，大陶庄村-陶庄镇-庄头村-朱子埠-市中区-南安城村一带，目前形成了大面积的采空区，仅有安阳煤矿开采。拟建线路南部比选方案中新老城区设站方案距离陶枣煤田西部新星煤矿、南石煤矿及兴仁煤矿采空区较近，市中区南侧设站方案距离南石煤矿、兴仁煤矿及其扩大区采空区较近，市中区西侧设站方案穿过甘霖煤矿、黄贝煤矿及朱子埠煤矿采空区；市中区东侧设站方案穿过枣庄煤矿、田屯煤矿采空区。

2 勘查技术方法的选择

2.1 勘查技术方法

陶枣煤田采空区内矿山闭坑多年，开采资料较少。根据以往经验，采用单一的物探方法准确探测采空塌陷规模、形状﹑埋深等空间分布特征存在较大难度，综合运用多种物探方法探测采空塌陷是一种准确有效的工作方式[4-8]，考虑到采空区资料及实际塌陷情况，采用音频大地电磁法(简称AMT法)、等值反磁通瞬变电磁法(简称TEM法)，配合少量工程钻探进行复核和验证，最终获得准确的勘查成果，是非常经济有效的方法[9-15]。

2.1 仪器及观测系统

(1)AMT使用美国EMI公司和Geometrics公司联合制造的EH4型仪器，观测频率12.6Hz～100000Hz。两个电极组成一对电偶极子MN(20m)，其中，与测线同向的MN测量电位差并计算电场水平分量Ex；垂直测线的MN测量电位差并计算Ey。Hx磁探头和Hy磁探头相互垂直。电极布极方式主要为“+”字形。

(2)TEM使用湖南五维地质科技有限公司研发的TTEM-18型仪器，通过测定二次场感应电压参数计算视电阻率。在资料采集中，采用收发一体等值反磁通天线定点测量方式，天线直径0.6m，发射等效边长50m×50m，接收等效面积200m2。考虑到探测深度和工区地下电阻率等因素，选择发送基频2.5Hz，其中，仪器关断时间长度约80us、每个测点采样点数400或800个(即每个测点记录时间长度10ms)、最大发送电流10A、发送电压12V。

3 物探

3.1 地球物理特征

工区各类岩土反演电阻率值见表1。据经验统计和地球物理反演结果分析，周围岩土与煤窑采空区或煤层存在一定电性差异，具备开展AMT和TEM法的地球物理勘探前提条件。

表1 工区物性参数统计表

3.2 测线布置

大致顺方案线路方向布置物探测线2条(WT-3、WT1)；大致垂直各方案线路布置物探测线13条(WT-4～9、WT2～8)。物探测线布置情况见图1、表2。

图1 勘查工程布置图

表2 物探测线布置情况一览表

3.3 成果解译

主要考虑各测线反演电阻率断面图中背景值、低阻异常形态、低阻异常值及其梯度值等因素，对地层界线、断层及煤窑采空区判释；根据反演电阻率断面图中异常形态和梯度高值位置准定量确定异常边界。解释原则：以煤层开采标高等资料为约束条件，把反演电阻率断面图中低阻异常解释为疑似采空异常；结合地质资料，把向下贯通延伸的条带状低阻异常或电阻率梯度高值带解释为断层。各测线代表性区段反演电阻率断面见表3、图2～图5。

图2 新老城区设站方案WT-5测线视电阻率反演断面图

图3 市中区西侧设站方案WT-6测线视电阻率反演断面图

图4 市中区东侧设站方案WT-8测线视电阻率反演断面图

图5 市中区南侧设站方案WT2测线视电阻率反演断面图

表3 物探测线成果解译和钻探验证情况一览表

4 钻探验证

据物探解译成果，针对性实施了2995.40m/51孔，基本位于比选方案中轴线及两侧，对推断采空区范围系统控制，且与物探解译成果基本吻合。

(1)新老城区设站方案：布置5个钻孔均有一段砂岩或页岩岩心厡岩结构完全被破坏，岩心全风化。全风化层自西向东逐渐加深，厚度逐渐加大。明显为采空区沉陷后引起的岩石结构破坏，个别钻孔见溶蚀破碎带，与物探资料基本对应，根据物探勘查和钻孔验证，该方案从新星煤矿西侧小煤窑采空区通过。新星煤矿及陶庄镇西煤矿西侧以往分布有大量小煤窑，开采时间久远，多为私采乱采，规模较小，开采深度20m～60m不等，物探亦揭示埋深20m～80m以内普遍分布有采空区或采空塌陷区低阻带。该处采空区地表房屋有开裂现象，地面有塌陷现象，塌陷时间约10年。对线路方案有一定影响。

(2)市中区西侧设站方案：布置6个钻孔均有2m～5m岩心厡岩结构完全破坏，岩心全风化；并有较厚的强风化岩心，碎裂严重。明显为采空区沉陷的结果，破坏了原始的地层结构。每个钻孔基本上均发现多条溶蚀破碎带，厚度1m～3m。朱子埠煤矿和甘霖煤矿多次开采，个体私营小煤窑众多，开采混乱，采空区深浅不一。现场调查，朱子埠村房屋开裂严重，多处房屋成危房，附近农田夏季多积水，农作物多减产、绝产。1999年朱子埠煤矿终采，2016年甘霖煤矿终采。采空区面积大，物探亦揭示本区200m以下普遍分布有采空区或采空塌陷区低阻带，另据钻孔揭露，采空区仍然存在不稳定因素。因此该方案存在严重的安全隐患，安全风险极大。

(3)市中区东侧设站方案：钻孔资料与物探资料吻合较好。该区可采煤层较多，通过钻探沿拟建线路上部(70m)岩石结构基本被破坏，明显是采空区沉陷的结果，破坏了原始的地层结构。根据钻孔岩心，灰岩层多处发现溶蚀破碎带和溶洞，溶洞为充填和半充填。1996年枣庄煤矿终采，开采2、14、16、17、18煤层，采深330m ～406m；1996年田屯煤矿终采，采深350m～416m。开采煤层4层，采厚较大，闭坑后又经多次私采乱挖。采空区总体基本停止沉陷，但据钻孔资料仍存在不稳定因素。物探资料推测区内存在采空区异常，且岩溶发育，有较大的无充填空洞，因此该方案风险较大。

(4)市中区南侧设站方案：钻孔资料与物探资料吻合较好。施工钻孔多数发现采空区，在拟建线路及南西侧采空区深度一般10m～15m，向拟建线路北东侧采空区深度逐渐加深。该线路方案虽在南石和兴仁煤矿已设采矿权之外，但浅层煤曾多次私采乱挖，线路行走于18煤层采空区之上。18煤层较薄，煤层厚度0.43m～0.72m，煤矿已闭坑10年，采空区已基本稳定，该方案风险较小。

5 结 论

通过综合地质、物探、钻探等手段对陶枣煤田采空区稳定性调查评价，开展AMT和TEM法综合地球物理勘探，获得视电阻率反演断面图反映特征，解译推断出采空区分布范围，经现场钻探验证，解译推断的采空区范围与钻探所揭露的深度及厚度吻合较好，对新建济南至枣庄铁路选线工作具有指导意义。