微重力探测在200 m以浅采空区的应用

刘红达 宋建华 林增民 王如喜 李积涛 李超

收稿日期：20240109；修订日期：20240228；编辑：王敏

基金项目：山东省第一地质矿产勘查院青年科技创新基金项目“微重力测量在地下采空区探测中的应用效果研究（QN202010）”和山东省2018年度省级地质勘查项目“山东省1∶5万苗山、颜庄幅区域矿产地质调查（鲁勘字〔2018〕38号）”联合资助

作者简介：刘红达（1989—），男，河北定州人，工程师，主要从事地球物理勘探工作；Email：liuda52100@163.com  *通讯作者：宋建华（1979—），男，宁夏海原人，正高级工程师，主要从事地球物理勘探工作；Email：40789697@qq.com

摘要：济南市钢城区拟建设一个市民文体综合活动中心，建设用地处于原黄庄煤矿所在地，采煤历史悠久，开采资料记录不详实，需要进行采空区探测。建设场地处于城区，人文电磁干扰较严重。根据密度差异原理提出使用微重力探测技术，本文建立了研究区的采空区模型，正演计算了地面重力异常响应。将实测数据进行了垂向一阶导数、趋势面分析法处理，并与瞬变电磁测量结果进行对比分析，综合推断了采空区范围。经钻孔验证存在空洞，说明微重力法在200 m以浅的采空区探测是可行的。

关键词：微重力;采空区;瞬变电磁法

中图分类号：P694    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.008

引文格式：刘红达，宋建华，林增民，等.微重力探测在200 m以浅采空区的应用——以黄庄煤矿为例［J］.山东国土资源，2024，40（5）：5258.LIU Hongda，SONG Jianhua，LIN Zengmin， et al. Application of Microgravity Detection in Shallow Goaf below 200 Meters——Taking Huangzhuang Coal Mine as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：5258.

0  引言

我国矿产资源丰富，多年来无规划地开采形成了大量的采空区［1］。由于一些地方对采空区疏于管理，采空区塌陷的事故频发，不仅危害到人民正常的生活和生产活动，而且严重地影响到当地经济的可持续发展和社会稳定［2］，给矿山的开采及其他的工程建设带来了灾难或经济损失［3］，因此探测采空区成了物探工作者的一个重要任务。

由于采空区形成年代、埋藏深度、空间结构、围岩条件、冒落、充填和积水情况存在较大差异，这使得不同采空区的物性反映也呈现出很大的差别，因而基于物性差异进行探测的各种物探手段对不同采空区探测的适宜性和效果也会存在一定的差别。目前国内外对于采空区的探测技术手段较多，主流的探测采空区的方法主要有高密度电阻率法、瞬变电磁法、浅层地震法及微重力、微动等方法［48］。各探测手段具有一定的效果但是也具有局限性。如高密度电阻率法探测深度浅（100m以浅），受接地条件限制，在硬化场地施工困难；瞬变电磁法对于充水低阻采空区反映灵敏，但是受人文电磁信号干扰严重且浅层存在探测盲区；浅层地震法分层能力虽强，但是采空区埋深和形态无法精确判定且抗干扰能力不强；微动作为最近几年兴起的天然微弱震动探测方法，在地下采空区探测中有着一定的抗干扰优势，但是天然场信号弱易造成频散曲线发散，且在拾取频散曲线过程中人为干预的因素较多。针对不同的采空区的实际情况，研究适合其具体条件的有效物探探测技术手段，并辅以必要的钻探工程进行验证是目前国内解决此类问题的主要技术途径。

微重力测量是在重力测量学基础上发展起来的分支技术，微重力测量是指测量的精度和测量探查的对象引起的重力效应以微伽级的数值来衡量的，采空区在地表的重力响应是微伽级的。我国的科技工作者应用微重力法探测采空区取得了一定的研究成果，王延涛等利用微重力法成功探查了某煤矿采空边界［9］，刘平利等总结出微重力探测老旧防空洞是有效的［10］，贾豫葛等建立了几种采空区模型，模拟并分析了全张量微重力异常响应，为微重力异常探测提供依据［11］，孟庆旺利用微重力低异常特征圈定了3处岩溶洞穴［12］，汤伏全等利用微重力异常的一次差分曲线的峰值来判断采空区边界［1］，刘净余通过数值分析探讨了探测精度±5×108m/s2的微重力探测技术探查采空区分布的可行性［13］。

本文以济南市钢城区黄庄煤矿采空区探测项目为例，重点介绍了微重力探测技术的实际应用，与瞬变电磁法探测结果进行了对比分析，经验证在钻探过程中出现了跳钻、漏水等现象，判断存在空洞，均位于推断的采空区范围内，取得了良好的效果。

1  地质及地球物理特征

1.1  地质概况

区域地层由老到新分布寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、第四系，地层整体倾向NE，倾角19°～24°［14］。奥陶系为马家沟群八陡组石灰岩段，煤系地层包括月门沟群太原组和山西组，太原组岩性主要为粉砂岩、中、细砂岩、黏土质砂岩、页岩夹多层灰岩及煤层。山西组岩性主要为灰—深灰色砂岩、砂质页岩、泥岩、粉砂质泥岩夹煤层及煤线。第四系为沂河组粉细砂、粉质黏土等（图1）。

区域性大断裂铜冶店孙祖断裂位于研究区东侧，宽度数十米至近百米，总体走向320°～340°，断裂以西倾为主，倾角60°～85°，断裂东盘为上升盘，西盘为下降盘，断裂性质早期为右行张扭，形成时代为燕山晚期，到喜山早期，该断裂继续活动，表现为左行压扭性。区内发育一组NW向近直立的次级断裂，断距在80m左右［15］。

岩浆岩受铜冶店孙祖断裂控制，断裂东侧分布大面积的新太古代晚期花岗岩。在铁铜沟一带，分布有中生代铁铜沟杂岩体，岩体分5次侵入，包括闪长岩、辉长岩、闪长玢岩等，岩体呈岩株、岩床或岩脉产出，为一套基性—中性—酸性岩类组合，沿岩体接触带形成有小型矽卡岩型铁矿体。岩体出露面积6.5km2，研究区内没有岩体出露［16］。

研究区揭露的煤层有7煤、8煤、9煤、91煤、13煤、14煤、15煤、17煤、18煤、19煤、191煤、192煤、20煤、201煤及202煤，共15层煤。其中主要开采煤层为18煤、19煤，煤层走向NW，倾向NE。南部开采煤层顶板埋深80～200m，煤厚1.0～1.6m。北部开采煤层顶板埋深120～170m，煤厚约0.9～1.55m。研究区水文条件优越，野外勘查阶段测得松散岩类孔隙水的稳定水位埋深2.6～4.3m，平均3.06m［17］。

黄庄煤矿的开采活动由20世纪80年代至1994年关停，之后未再进行开采活动，塌陷现状基本稳定。地表表现为建于2000年前的部分房屋出现了裂缝，而建于2000年以后的房屋，没有再出现裂缝。地表遗留部分为原黄庄煤矿开采时的井口及巷道口。这种环境条件下便于开展微重力工作。

1.2  地球物理特征

1.2.1  物性特征

砂、泥、页岩平均密度2.50kg/m3，花岗岩平均密度2.56kg/m3，闪长玢岩平均密度2.66kg/m3，灰岩平均密度2.70kg/m3，闪长岩平均密度2.82kg/m3。当煤矿采空区形成后，上覆岩层可能发生变形破坏，地下水沿着裂隙向采空区中汇集，冒落带中物质变得松散，致使采空区与正常地层之间形成了明显的密度差异。煤系地层平均密度2.50kg/m3，而煤矿采空区形成以后，采空区的密度在空洞和充满水之间变化为0～1.0kg/m3，其密度相对围岩低。在正常的地层中产生了相对质量亏损，形成重力低异常。因此在研究区利用微重力测量圈定采空区具备良好的地球物理前提。

不同岩层具有不同的导电性，一般情况下，黏土、泥岩、砂岩、煤层、灰岩其电阻率值依次增高，煤系地层有层状分布特点，在致密完整的情况下，岩层横向上导电性相对均一。如在顺地层水平方向上局部地段出现不积水时，则该区域导电性变差，表现为相对高阻异常；当采空区以充水空洞形式存在时或采空区周围出现破碎或裂隙含水时，由于水体良好的导电性，使该地段电阻率明显低于围岩，表现为相对低阻异常。通过对比水平方向上岩层视电阻率值差异与变化情况，结合其他资料分析判断采空区异常（表1）。

1.2.2  重力异常特征

铁铜沟重力高异常位于钢城区东部铁铜沟一带，面积约8km2，异常整体呈NNW向长轴状展布，异常中心位于铁铜沟。研究区处于铁铜沟重力异常高南缘，表现为西北高、东南低的梯度带特征。

铁铜沟一带零星出露闪长玢岩、砂、泥、页岩等，异常区西侧、南侧围岩为灰岩，东侧围岩主要为花岗岩和闪长玢岩。砂、泥、页岩及花岗岩密度较低，不能引起重力高异常，灰岩和闪长玢岩密度相当，为相对中等密度，异常区南侧围岩灰岩的密度为中等密度，由此推断铁铜沟重力高异常主要为地下隐伏闪长、辉长岩体引起（图2）。

2  微重力可行性分析

采用计算规则采空区模型引起的地表重力响应，模拟场源与场的分布规律。以采空区中心在地表的垂直投影作为地表坐标系原点，沿采空区长轴方向为x轴，沿采空区短轴方向为y轴，垂直向下为z轴（图3）。

采空区长、宽、高分别a，b，c，埋深为h，则地表获得采空区引力位公式为［18］：

式中：G为万有引力常数；Ω为积分体积；ρ为场源密度；（x，y，z）为观测点的坐标；（ξ，η，ζ）为采空区场源点的坐标。

规则采空区引起的重力异常就是U（x，y，z）在z轴的导数，即

根据搜集到的采空区资料，以最深200m的采空区设计模型，以采空区积水为例，计算采空区地表重力异常响应，取剩余密度1.5kg/m3，长a=800m，宽b=200m，高c=1.5m，顶板埋深h=200m。

由模拟结果分析（图4），重力异常表现为以采空区模型体为中心的负异常圈闭，在模型体外围会形成大于模型体边界的低异常圈闭。沿x轴、y轴方向分别截取异常剖面，x轴方向剖面在模型边界处值为0.014×105m/s2，y轴方向剖面在模型边界处值为0.021×105m/s2，而在模型体正上方的异常皆大于0.025×105m/s2，分析认为，只要观测的重力异常精度不低于±0.014×105m/s2，便可分辨出200m以浅的采空区异常体的边界。

3  野外工作方法与资料处理

微重力测网布置按照测线垂直异常体的原则，测线方位56°，测网40m×20m。研究区东南有汶河经过，河上无法进行数据采集，故没有布置测线。研究区西北存在厂区，无法进入，故沿厂区周边采用点距20m观测。微重力测量结果主要用于识别采空区的分布范围，为了了解异常纵向特征，在微重力测量结果的基础上，布置了一条瞬变电磁剖面，采用中心回线装置，发射电流700 A，供电次数8次，关断延时25μs，供电脉宽4ms（图5）。

微重力数据采集应用美国零长弹簧（ZLS）公司产Burris重力仪，Burris重力仪是对LR，G、D、S型陆地重力仪的继承和重大改进，基于微处理器自动读数，将装有UltraGrav软件的手簿与重力仪通过蓝牙连接［19］，有效防止野外人为读数误差。本次使用的设备于2022年8月25日在北京高崖口国家级格值标定场利用双程往返观测法进行了格值系数标定。野外数据采集前进行了静态试验，利用线性回归法计算出平均零点位移率，投入使用的重力仪满足静态零点位移曲线呈线性，与拟合直线最大偏差为0.003×105m/s2/h。开工前及收工后进行了动态试验，所投入生产的重力仪在动态试验时间段范围内与拟合直线的最大偏差为0.007×105m/s2。

野外观测起闭于基点，在基点上进行“基－辅－基”观测，在基点读数3次，基点上前后两次读数之差均小于0.005×105m/s2。基点闭合时间严格按动态试验确定的闭合时间控制。野外数据采集采用单程观测法，每个测点读数两次，两次读数差值不大于0.005×105m/s2。保证了数据的稳定性。

由于微重力法要求的数据精度高，本次工作数据处理除进行了固体潮改正、零点漂移改正、纬度改正、布格改正外，还进行了仪器高改正、地形改正。半径0～10m范围采用锥形公式计算，半径10～20m范围采用扇形公式计算。本次重力测量工作实测精度达到±0.013×105m/s2，满足采空区边界的识别能力（图6）。

布格重力异常数据中包含了目标体的异常及周围除目标体之外的地层、构造、岩浆岩等的叠加异常数据，地下采空区会在一定的范围内引起重力低异常，为了达到异常分离的目的，应用了垂向一阶导数、趋势面分析两种处理方法进行对比分析。重力数据的垂向一阶导数代表了重力数据垂向的变化率，一阶导数处理会将局部的相对重力低异常显示出来，即突出浅层目标体，达到解释地下空洞的目的。趋势面分析是用一个适当的数学曲面去拟合研究观测值的变化趋势，用实际观测值将受区域性因素影响反映观测趋势的值减去，得到反映局部因素和随机因素控制的剩余值，即剩余异常［20］。

4  资料解释

布格重力异常总体呈现西北高东南低的特征，推测这是由于地下的岩体向上侵入地层引起的。在研究区西半部分存在NW向密集梯度带的特征，推测这是断裂构造引起的。在研究区中间等值线由低值向高值一侧弯曲，推测这是地下低密度目标体引起的。

垂向一阶导数和趋势面分析法处理后的结果都显示出大面积的低重力异常且测区中部异常值最低，但是异常形态不一致，垂向一阶导数压制了背景场，但是它的高通滤波特性使得它容易受到高频噪声的干扰，所以垂向一阶导数圈定的异常较为零散。趋势面分析法处理后的结果显示在研究区西北部出现了低重力异常，结合工作布置可知，工厂区域没有进行数据采集，推断这个异常为数据处理时软件插值造成的。

瞬变电磁剖面结果显示（图7），在深度90～260m、距离250～475m区间形成了低阻凹陷区域，结合煤层开采深度，推测这是煤层采空后，采空区内充水导致电阻率降低。而浅部的低阻凹陷反映的是采空区部分塌陷，导致了采空区上部地层垮塌，形成了上宽下窄的漏斗状特征。在距离625～700m，形成了低阻凹陷区域，结合现场情况判断，该区域在马路边，存在地下管线及地上供电线路等影响，推测为电磁干扰引起。对比发现，瞬变电磁法推测的异常区域与微重力法圈定的异常区域基本吻合。

钻探验证结果显示，利用重力异常推断圈定的采空区范围与钻探结果吻合，尤其是利用趋势面分析法圈定的异常范围更加准确。分析认为，研究区具有面积小，地形简单，地层构造分布清楚等特点，这有利于利用趋势面分析法圈定异常。

5  结论

（1）微重力法相对瞬变电磁法，不受地表接地影响和人文电磁干扰，可以先利用微重力法识别异常范围，再用瞬变电磁法判定异常埋深特征，提高解译结果准确率。

（2）应用先进的重力设备，控制好野外数据采集质量，微重力法在200m深度的采空区探测是可行的。

（3）垂向一阶导数与趋势面分析法均可以用于异常识别，垂向一阶导数异常较为零散，趋势面分析法容易造成边界虚假异常，结合地表情况判断以后，趋势面分析法圈定的异常范围更加适用于研究区。总之，物探异常解释推断需要结合实际地质情况综合分析判断。

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Application of Microgravity Detection in Shallow Goaf below 200 Meters——Taking Huangzhuang Coal Mine as an Example

LIU Hongda1，2，3，SONG Jianhua1，LIN Zengmin1，WANG Ruxi1，2，LI Jitao1，LI Chao1

（1.No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Ji'nan 250014，China; 2.Shandong Engineering Research Center for Exploration and Development Technology of Rich Iron Deposit，Shandong Ji'nan 250014，China; 3.China University of Geosciences（Wuhan），Hubei Wuhan 430074，China）

Abstract：Gangcheng district of Ji'nan city is planning to build a citizen cultural and sport comprehensive center. The construction site is located in the former Huangzhuang coal deposit， which has a long history of coal mining. The mining data record is not detailed， so it is necessary to detect the mined-out area. The construction site is located in the urban area， which suffers serious human electromagnetic interference. Based on the principle of density property difference， microgravity detection technology has been proposed. In this paper， the mined-out model of the study area has been established and the associated ground gravity anomaly response has been calculated. The measured data has been processed by vertical first derivative and trend surface analysis. Compared with the transient electromagnetic results， the mined-out area range can be comprehensively detected. It is proved by drilling that there are holes in the mined-out area that the micro-gravity method is feasible at the depth of 200m.

Key words：Microgravity; goaf; transient electromagnetic method