瞬变电磁法在彬州市某煤矿采空区勘查中的应用.pdf

務❺他的 第 38 卷第 1期 GEOLOGY OF SHAANXI 2020年 6 月 文章编号10016996 （2020） 01009108 瞬变电磁法在彬州市 某煤矿采空区勘查中的应用 王疆涛1,舒明辉彳，李秉强彳，王满仓爲 （1-中煤科工集团西安研究院有限公司工程地质研究所，西安710077； 2.西安力石矿产勘察科技开发 有限公司，西安710075； 3.陕西地矿物化探队，西安710043； 4.陕西省矿产地质调査中心，西安710068 ） 摘 要采用地面瞬变电磁法对拟建搬迁安置小区是否存在煤矿采空区进行勘查， 运用未充水采空区、充水采空区分别在视电阻率断面图上呈现相对高阻、低阻异常 的地球物理标志，结合地面地质灾害调查成果，较为准确的确定了彬州市某煤矿采 空区具体位置，并推断塌陷过渡带范围。 关键词瞬变电磁法；视电阻率；采空区；地质灾害防治；彬州市 中图分类号P6111/P631. 325 文献标识码B 1引言 采空区是引起地质灾害的重要因素之一，不仅对煤矿的开采、人民生命财产安全和工程 建设造成极大的安全隐患，而且严重地制约着经济社会的可持续发展。采空区探测是地质勘 查的重要任务查明采空区埋深、规模和空间分布特征是评价和防治地质灾害的关键。 地面瞬变电磁法以成本低、体积效应小、分辨率高、与探测目标体耦合性好等显著特 点，被认为是探测采空区的最佳物探方法之一⑵。 以彬州市某矿区为例，根据未充水采空区、充水采空区分别在视电阻率断面图上呈现相 对高阻、低阻异常的地球物理标志，结合地面地质灾害调查成果，推断采空区、塌陷过渡带 位置和范围，为拟建搬迁安置小区工程建设和地质灾害治理提供了科学依据。 2勘查区概况 2.1自然人文地理特征 勘查区（拟建搬迁安置小区，下同）位于彬州市城区西0. 5 k n i处，行政区划属于彬州 市大佛寺古镇管委会。该区域属于彬州彬西新城规划区（图1）,拟建搬迁安置小区位于中 收稿日期20200309 作者简介王疆涛，男，30岁，助理工程师，主要从事区域地质调査及工程地质勘察。 市场项目大佛寺古镇管委会莲花池采空搬迁安置小区地质勘査报告 92陕西地质第38卷 心，其周边有与之配套的学校、商业区及休 闲娱乐区等，未来将是一个人口密集分布区。 从矿权分布范围来看，西部属于下沟矿区，中 东部属于火石咀矿区。 勘查区西南部为沟、壑、梁、嫄黄土侵蚀 地貌，东北部为泾河现代河谷地貌。拟建搬迁 安置小区呈北西向展布，长度约1.6 k m,宽 约180 m〜540 m,面积0. 7 k m2 ；主体夹持 于西南部老312国道与东北部新312国道之间 的泾河古河道或一级阶地之中，地势平缓，地 面标高在840 m〜846 m之间，相对高差较 小。 2.2地质特征 依据前人资料⑶，勘查区地质特征简要总 结如下。 2. 2. 1 地层 勘查区属华北地层区鄂尔多斯盆地分区， 三三]黄土地貌区 | |河谷地貌区 ”时|千狮大桥广场|②|居住小区 ③|现代新民居 |④|小学 |⑤|建材市场 |⑥|花果山景区 ⑦|西游文化展示区|⑧|仿唐商业街 |込|搬迁安置小区范围「、、、」矿权界线 图1彬州市彬西新城规划 Fi g・ 1 A n ew to wn plan n i n g o f Bi n zho u ci ty 区域上出露地层由老到新依次为三叠系中统铜川组（Tzt）,侏罗系富县组（Ji f）、延安组 Chy）、直罗组（hz）、安定组（J2a）和白垩系宜君组（K】y）、洛河组（KJ）、华池组 （K]h）及第四系（Q）,总体为一套碎屑岩夹泥岩建造。其中延安组（J2y）为含煤地层，其 厚度40.4 m〜84 m,岩性为灰白色中粗粒砂岩、细粉砂岩与灰色、黑灰色泥岩互层，夹炭 质泥岩及煤层。 2.2.2煤层 延安组自上而下分为上、中、下三个含煤段，共8层煤。下部为富含铝土质泥岩、砂质 泥岩及铝土质粉砂岩，厚度为2 m〜3 m,最厚达14.5 m；中部为主采4煤层；上部为灰 色、深灰色泥岩。 4煤层为可采主煤层，煤厚9. 70 m〜18. 50 m,平均14.1 m,为巨厚煤层，分布稳 定、结构简单，可采面积11.3415 k m2；含煤系数46.9〜90, 般为60〜70；煤层大 致呈东西走向，向北倾斜，倾角0〜18,埋深267.10 m〜592. 3 m,煤层底板标高445 m 690 mo 2. 2. 3 构造 勘查区位于大佛寺向斜东部之南翼，呈向北一北西倾斜的单斜构造，地层和煤层倾角一 般为4〜9。，局部有微弱的波状起伏，属于构造简单型。 2.3地质灾害特征 彬州市地处黄陇侏罗纪煤田，境内已探明煤炭储量32・4亿吨。其中城关镇、炭店镇、 太峪镇、义门镇、小章镇、大佛寺古镇等地煤炭资源丰富，为开采煤炭资源最多的地区，形 成大量采空区。 拟建搬迁安置小区西北方向约200〜400 m处有3处煤矿采空区，西南方向160〜400 m 第1期王疆涛等瞬变电磁法在彬州市某煤矿采空区勘査中的应用93 处有4处采空区（图4）,规模较大，诱发了地面沉降、地裂缝、滑坡、泥石流等地质灾害， 破坏了人类赖以生存的生态环境，对煤矿开采、人民生命财产和工程建设危害性极大。 3采空区地质变形和地球物理特征 3.1采空区地质变形特征 煤层被开采后，在地下形成规模不等的采空区，破坏了原应力平衡系统，围岩出现失 稳，发生一系列的变形、断裂、位移和冒落等现象，在采空区上方形成了 “三带”垮落带 （冒落带）、断裂带、弯曲带⑷，应力重新达到平衡系统。 如果采空区较深，规模较小，且煤层较薄，上覆岩石坚硬，则“三带”出露不完整，规 模较小，对地面破坏程度较小；反之，则“三带”出露比较完整，规模较大，对地面破坏程 度较大。特别是当采空区尚未充填密实时，则形成地面沉降、地裂缝或地面塌陷等地质灾 害。 3.2采空区地球物理特征 煤层被采空以后，形成一定规模的充气（充水）空间，造成采空区与围岩电性差异较 大。当裂隙带或断裂带含地下水时，将会改变原来的物理特性，视电阻率急剧下降，表现为 相对低阻特征。煤层被采空后，在煤层顶、底板之间形成了采空区，破坏了原来岩石的完整 性和连续性，致使采空区电阻率值明显高于周边完整岩石的电阻率值，表现为局部高阻特 征；当采空区被水充填后，视电阻率急剧下降，表现为相对低阻特征。同时，围岩裂隙中因 有地表水或地下水充填，向采空区渗漏，致使围岩视电阻率发生明显变化，并与采空区电性 形成较大的差异，据此可确定采空区的边界范围。 一般情况下，视电阻率值由高到低依次为未充水采空区、煤层、砂岩、泥岩、含水断 裂带或裂隙岩层、充水采空区。 4工作参数及解释依据 4.1 工作参数 本次瞬变电磁测量采用加拿大凤凰公司研发的V8电法工作站，发射设备为T4 A、 RXU-TMR,接收设备为V8-6R,野外采用大定源回线装置。发送线框边长600 m,发射 频率5Hz,关断延时0. 79 ms,总供电时间3 mi n ,采用最大供电电流6. 6 Ao 根据拟建搬迁安置小区及其周边实际情况，本次地面瞬变电磁测量的测线方向为40, 测网40X10 （20） m,面积0. 7 k m2 o在拟建搬迁安置小区内点距10 m,其外点距20 m, 共布设测线43条，线号自北向南依次从1线至43线，点号自西南至东北方向由小到大编号 （图4）。同时，以拟建搬迁安置小区为重点地段，向外扩至4 k m2,开展地面塌陷、地裂缝 等地质灾害调查，为物探资料解释提供地质依据。 4.2解释依据 4. 2. 1地质依据 94陕西地质第38卷 勘查区内没有已知钻探资料，西北约300 m处有一花1井，标高等参数与勘查区接近， 可参考使用。花1井井口标高837.14 m,主采煤层底板标高511.14 m,煤层厚度10. 7 m, 推算煤层底板埋深在326 m左右，埋深326〜316 m左右，是4煤层的层位，为关键层位。 此外，地面塌陷、地裂缝调查成果也是物探资料解释的重要依据。 4. 2.2物探依据 根据本次勘查实际情况，结合以往同类项目勘查成果则，依据采空区充水情况与电 性特征，将采空区分为未充水高阻采空区、充水低阻采空区和采空塌陷区，以电阻率异常特 征作为标志，确定采空区和采空塌陷区位置和范围。 1 未充水高阻采空区 采空区内无充填或未完全密实充填其它介质包括水，一般表现为较明显的高阻特征。 2 充水采空区 采空区内充填地下水，一般表现为较明显的低阻特征。 3 采空塌陷区。 采空区煤层顶板在自重及上覆岩层作用下产生变形、破碎、冒落，电阻率等值线发生局 部凹下的相对低阻变化带或电阻率介于未充水采空区和充水采空区之间的特征。 4.3典型剖面解释 结合研究区地质资料，选取研究区典型测线9线、38线为例，对剖面所反映的地下 采空区特征进行解释。9线视电阻率异常显示原始煤层特征，38线视电阻率异常显示充水采 空区和充水断裂破碎带特征。同时，14线和38线西南方向小号点均穿过已知采空区， 便于资料解释与推断的对比分析。 4.3.1 9线剖面解释 该测线地形平坦，地形影响不大。由图2可知，电性层垂向分层明显，纵向电性特征相 似。结合地质资料可推断划分为7个电性层埋深约23 m以为第四系松散沉积粘土层；约 25 m〜80 m为白垩系花池组、洛河组上段；约80 m〜190 m为白垩系洛河中下段；约190 m〜210 m为白垩系宜君组；约210 m〜290 m为侏罗系安定组、直罗组；约290 m390 m 为侏罗系延安组含煤地层；约390 m以下为侏罗系富县组、三叠系地层。 该测线电性特征与邻线基本一致，与目标体延安组煤系地层相对高阻峰值中心对应深度 在325 m左右，相对高阻异常带圈闭，中心明显，连续性好，推断为4煤层层位。煤系地 层视电阻率值介于40-90 n m之间，纵向上相对比较稳定，未见畸变异常出现。同时， 地面地质灾害调查显示，该测线及邻线附近地表未见地裂缝、地面沉降等现象。由此可见， 煤层处于原始状态，没有受到人为破坏，地下没有采空区。 4. 3.2 38线剖面解释 由图3可知，大致亦可划分7个电性层，目标体延安组煤系地层大约埋深350 m左右。 0〜8点对应的视电阻率小于10 fl - m,显示充水低阻采空区异常特征，其中0〜6点间与已 知采空区对应，68点间为推断采空区。810点范围的垂向上出现一个宽约十几米的相对 低阻带，是一条倾向西南、倾角较陡，且已充水的断裂破碎带，向上切穿至近地表，其位置 正好处于皿号已知采空区东北边界之外20 m左右。12〜68点之间，视电阻率呈相对高阻异 常，没有畸变异常线出现，且连续性较好，相对稳定，应是4煤层的原始状态，地下没有 第1期王疆涛等瞬变电磁法在彬州市某煤矿采空区勘查中的应用95 深度（m） 点号鹿离 白垩系华池组及洛河组上层粗砾岩 卞易黍姿艇殂写直麥笛环诳欝 白垩系洛河组屮卜层细一粗砂岩 S 君侖「砾“一_ 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 80 82 84 86 点号鹿离 图2 9线TEM视电阻率等值线断面与地质解释断面图 pi g. 2 A cro ss secti o n an d geo lo gi cal i n terpretati o n o f TEM apparen t resi sti v i ty i so li n e o n 9-li n e 采空区。 地面地质灾害调查成果显示，该处地表可见规模不等的地裂缝，应是4煤层被采空之 后形成的已充水采空区。 4.4平面解释与推断 花1井等资料显示煤层底板埋深约325 m左右，在综合研究勘查区地质资料和以往瞬变 电磁测量探测采空区成功经验的基础上，依据典型剖面解释成果和地面地质灾害调查成果， 在勘查区圈定推断采空区3处、塌陷过渡带1处（图4）,为拟建搬迁安置小区工程建设和 地质灾害治理提供了科学依据。 I号采空区位于西北角，分布于1〜6线大号点附近，呈不规则扇形，靠近已知采空 区,面积约0. 019 k m2 o I［号采空区位于西南部，分布于11〜30线小号点附近，呈北北西向带状展布，部分 与已知采空区位置吻合，面积约0.11 k m20 皿号采空区位于南部，分布于36〜41线小号点附近，呈不规则矩形展布，部分与已 知采空区位置吻合，面积约0.015 k m20 上述3个采空区均位于拟建搬迁安置小区之外。 一般情况下，在中等硬度基岩区，采空区塌陷形成的断裂带（裂隙带）对地表影响范围 以60〜64度左右口口向上、向外扩展。勘查区煤层底板埋深约320 m〜340 m,理论计算地 表影响范围可达200 m〜220 m左右,据此在3个采空区之外与拟建搬迁安置小区西南边缘 推算地表可能塌陷过渡带一处，影响安置小区的范围是0・16 k m2o 正是由于这个原因，在勘查区西南和北部已知采空区和推断的采空区上方及推断的塌陷 96陕西地质第38卷 图3 38线TEM视电阻率等值线断面与地质解释断面图 Fi g・ 3 A cro ss secti o n an d geo lo gi cal i n terpretati o n o f TEM apparen t resi sti v i ty i so li n e o n 38-li n e 过渡带地表多处可见地裂缝或地面沉降等地质灾害。目前，拟建搬迁安置小区内尚未发现地 裂缝等地质灾害，一方面可能是搬迁安置小区内因受人类活动如种植蔬菜等的影响，导 致一些断裂或地裂缝可能被覆盖；另一方面由于搬迁安置小区附近的已知采空区基本上是 2003年以前形成，年代久远，地层已趋于稳定，一般情况下危害不大。但是，如果在该区 域开展大型工程项目建设，则可能诱发地质灾害。 5结论 1 根据地面瞬变电磁视电阻率拟断面图在目标煤层深度上的相对高、低电阻率异常变 化可以对煤矿采空区的含水、塌陷情况作出评价；在平面图上根据异常两侧的等值线突变拐 点可以对采空区、断层破碎带边界作出较为准确的判断。 2 地面瞬变电磁法是探测煤矿采空区的一种简便、经济、快速、高效的方法，通过勘 查可以为工程建设和地质灾害治理提供重要依据。 3 勘查区位于城镇附近较强干扰电磁环境中，增加叠加次数是获得高质量数据的有效 方法。 第1期王疆涛等瞬变电磁法在彬州市某煤矿采空区勘查中的应用97 图 卜刚瞬变电磁测量点号测号|o丨视电阻率等妙 ||拟建搬迁安置小区 卢、\|瞬变电磁勘査区 例|匸|已知采空区范围 推断采空区范围编号推断塌陷过渡带界线地表地裂缝 图4埋深325 m切片视电阻率等值线平面图推断解释图 Fi g. 4 A co n to u r plan o f apparen t resi sti v i ty o f a sli ce at 325 m i n deep dedu cti o n an d i n terpretati o n [参考文献] [1] 杨建军，吴汉宁，冯兵.煤矿采空区探测效果研究J] 煤田地质与勘探，2006, 34 1. 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Xi an 710000 ； 3・ Shaan xi Geo phy si cal an d Geo chemi cal Pro specti n g Team Co・,Ltd. Xi an 710043 ； 4. Shaan xi Cen ter o f Geo lo gi cal Su rv ey , Xi an , Shaan xi 710068 Abstract Appli cati o n o f gro u n d tran si en t electro magn eti c metho d to a pro po sed relo cati o n an d resettlemen t area i s ado pted fo r check i n g whether go av es o f co al mi n e exi st u n der gro u n d. Co mbi n ed wi th the resu lts o f gro u n d geo lo gi cal hazard su rv ey accu rate determi n a ti o n o f the mi n ed-o u t area o f co al mi n es an d dedu cti o n o f the ran ge o f co llapsed tran si ti o n zo n es i n Bi n zho u Ci ty hav e been made by u si n g relati v ely hi gh an d/o r lo w resi stan ce abn o r mal presen t o n apparen t resi sti v i ty pro fi les by n o water-fi lled an d water-fi lled go av es as the geo phy si cal i n di cato rs・ Key words tran si en t electro magn eti c metho d； apparen t resi sti v i ty； go af； geo lo gi cal hazard prev en ti o n； Bi n zho u Ci ty