摘 要：煤礦采空區(qū)是高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重大地質(zhì)隱患，針對(duì)緩傾斜、埋藏淺、煤層薄且含水的煤層采空區(qū)，以高密度電法、EH4與地震映像法相結(jié)合的勘察思路，可以達(dá)到相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充的作用，提高物探成果的解釋精度。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū)；高密度電法；EH4法；地震映像法

中圖分類號(hào)：P631.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）27-0214-02

融水至河池高速公路K56+800～K57+500段穿過(guò)某煤礦開(kāi)采區(qū)，該區(qū)經(jīng)國(guó)營(yíng)煤礦及小煤窯的開(kāi)采，造成地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采空區(qū)分布縱多且充滿地下水，給高速公路建設(shè)帶來(lái)重大地質(zhì)隱患。為查明路基下采空區(qū)的具體分布范圍，采用了高密度電法、EH4法深測(cè)及地震映像等物探方法進(jìn)行綜合勘察，取得了較好的效果。

1 工程概況

采空區(qū)出露地層主要為第四系的雜色粘土、亞粘土、砂土；中石炭統(tǒng)大埔組的白云巖；下石炭統(tǒng)大塘階羅城段的白云質(zhì)灰?guī)r，寺門段的含煤巖組及黃金段的厚層狀灰?guī)r組成。其中寺門段的含煤巖組上部為頁(yè)巖和硅質(zhì)巖；下部為灰黑色頁(yè)巖和含黃鐵礦頁(yè)巖；中部煤層分為五層煤，煤層中夾頁(yè)巖、含黃鐵礦頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖的硅質(zhì)巖等；煤層厚度11.90～26.60m。

2 物性參數(shù)

第四系粘土層電阻率一般在20～100？贅·m，灰?guī)r電阻率一般在50～2000？贅·m，頁(yè)巖電阻率一般在100～800？贅·m。第四系粘土層縱波速度一般在40～800m/s，灰?guī)r縱波速度一般在3000～5000m/s，頁(yè)巖縱波速度一般在2500～4000m/s。

第四系粘土層、灰?guī)r與頁(yè)巖之間在電阻率以及縱波速度等方面均存在較明顯的物性差異。用反映電性差異的電阻率法以及反映彈性波速度差異的地震勘探，具有較好的地球物理前提。

3 工作布置

在高速公路設(shè)計(jì)路線范圍內(nèi)，以公里數(shù)增大為方向，以中線為基準(zhǔn)，分別在中線、中線右20m、中線左20m和中線左40m分別布設(shè)4條高密度電法、地震映像法測(cè)量線及EH4測(cè)深點(diǎn)；垂直于公路路線方向布置5條高密度電法橫測(cè)線，如圖1所示。

4 成果解釋

4.1 電阻率正演模型

根據(jù)本區(qū)地質(zhì)水文特征設(shè)計(jì)了一電阻率模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)正演模擬，如圖2所示。圖中第一層為粘土層，電阻率為500？贅·m；深色區(qū)域表示為灰?guī)r，電阻率為1000？贅·m；中間白色區(qū)域表示為頁(yè)巖，其中采空區(qū)內(nèi)充水，電阻率為50？贅·m；電極間距10m，電極數(shù)60個(gè)。

圖3為對(duì)高密度正演模擬數(shù)據(jù)反演得到的電阻率剖面圖，從圖中可以看出電阻率較高的灰?guī)r層其形態(tài)與模型一致，在小里程方向厚度較大，大里程方向厚度較小。在高阻層下部出現(xiàn)較為明顯的低阻層，但低阻層的厚度相對(duì)較大。從模型的模擬結(jié)果可知，如果地層中存在一近水平的低阻層時(shí)，其低阻層下的高阻部分較難分辨。分析其原因主要是低阻層電流的“趨膚效應(yīng)”所導(dǎo)致，電流總是更多地沿低阻層流動(dòng)而難以流向更深部的高阻層，以至于在電阻率反演圖中下部的高阻部分難以分辨。

4.2 高密度阻率反演成果

通過(guò)對(duì)K56+800～K57+500段中線采集的高密度數(shù)據(jù)反演得到如圖4所示的高密度電法電阻率等值線圖。

從電阻率等值線上分布圖中可以看出有如下特征：電阻率大致分為三層，上部電阻率值較小，一般在50～100？贅·m，推斷為表層的第四系粘土層；中部電阻率較高，一般在500～2000？贅·m，推斷為灰?guī)r；下部電阻率也較低，一般為50～500？贅·m，推斷為頁(yè)巖層、煤層或飽含水的采空區(qū)，其右下部的低阻區(qū)域邊界與左上部的高阻區(qū)域邊界傾角約10°左右，這與下石炭統(tǒng)大塘階寺門段頁(yè)巖層傾角正好相似。結(jié)合上述正演模擬結(jié)果可得出結(jié)論：對(duì)于地下巖土介質(zhì)，當(dāng)高阻體中存在低阻層（巖體裂隙發(fā)育且富含水）時(shí)，低阻層下部的高阻地層難以分辨。這一結(jié)論給解釋本區(qū)煤礦采空區(qū)高密度電法資料提供了一個(gè)思路：即高阻灰?guī)r下部如果存在低阻層，則此低阻層為頁(yè)巖層、煤層或者是飽含水的采空區(qū)。從圖4可見(jiàn)：在ZK57+300～ZK57+500段電阻率等值線從上到下依次增大，上部在40～50m深度內(nèi)電阻率值50～100？贅·m，結(jié)合鉆孔資料推斷這一層為下石炭統(tǒng)大塘階寺門段頁(yè)巖（煤矸石）；下部電阻率值100～800？贅·m，推斷為灰?guī)r。因此，從高密度電法資料可以確定含煤頁(yè)巖層的位置，但很難分辨采空區(qū)和煤柱。

4.3 EH4法成果解釋

EH4數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反演后得到如圖5所示的電阻率分布圖，圖中可見(jiàn)部分區(qū)域電阻率出現(xiàn)低阻凹陷特征，分析推斷是由于地下煤層被開(kāi)采后其采空區(qū)域充滿水所致。在K56+800～K56+860段電阻率整體較高，為400～2000？贅·m，推斷煤層未被開(kāi)采；K56+860～K57+240段電阻率值相對(duì)較低，為50～300？贅·m，且有凹陷狀特征，推斷此范圍內(nèi)存在采空區(qū)；K57+240～K57+370段電阻率值相對(duì)較高，為200～500？贅·m，推斷此范圍內(nèi)煤層未被大規(guī)模開(kāi)采；K57+360～K57+500段電阻率值在50～200？贅·m，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷為較厚的頁(yè)巖層導(dǎo)致的電阻率相對(duì)較低，由于該段區(qū)域煤層埋深較淺（5～20m），EH4對(duì)如此淺的煤層不敏感。同樣，EH4電法資料上也難以分辨采空區(qū)和煤柱。

4.4 地震映像法成果解釋

地震映像法數(shù)據(jù)通過(guò)濾波、道均衡等方法處理后得到如圖6所示的時(shí)間剖面圖，圖中可見(jiàn)同相軸連續(xù)性局部較好，但出現(xiàn)的波組較多。通過(guò)結(jié)合地質(zhì)資料分析，下石炭統(tǒng)大塘階寺門段頁(yè)巖是由煤層、含黃鐵礦頁(yè)巖、頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)巖混合組成，其中煤層有5層。由于該巖層較復(fù)雜，而地震波在不同層位均產(chǎn)生反射，從而使得波組較多。地震映像法資料的解釋思路為：同相軸連續(xù)性較好，表明地層較穩(wěn)定與連續(xù)，推斷為煤層未被開(kāi)采；同相軸連續(xù)性較差，或具“眼球型”特征，震相變得模糊、零亂，能量衰減變?nèi)?，或可?jiàn)地震波的續(xù)至振蕩現(xiàn)象，可推斷存在煤層采空區(qū)。

4.5 綜合解釋成果及鉆孔驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)三種物探方法所獲得的電阻率等值線圖和地震映像時(shí)間剖面圖進(jìn)行分析解釋，推斷該區(qū)采空區(qū)分布如圖1所示。

為驗(yàn)證解釋成果，在K57+377中線、K57+270中線左30m和K57+140中線處三個(gè)位置布設(shè)3個(gè)鉆孔（圖1）。

鉆孔ZK1（K57+377中線）處在高密度電法剖面上在20m深度有一低阻層，但橫向無(wú)法分別。時(shí)間剖面圖中有較為明顯的弧形反射波特征，因此推斷此處存在采空區(qū)。鉆孔在18.0～19.0m處無(wú)巖心，頂?shù)装寰鶠槠扑榈捻?yè)巖，為煤層賦存部位，推測(cè)為采空區(qū)。

鉆孔ZK2（K57+270中線左30m）在K57+270中線和左40m處在EH4電阻率等值線圖中呈低阻凹陷特征，特別是在左40m測(cè)線上特征較為明顯，且在左40m測(cè)線的地震映像剖面中反射波有明顯的弧型特征，高密度電阻率圖上部電阻率較高，下部較低。推斷此處存在采空區(qū)。鉆孔驗(yàn)證在深度為44.8～50.0m無(wú)巖心，為煤層采空區(qū)。

鉆孔ZK3（K57+140中線）處高密度電法上部電阻率較高，下部較低；在EH4電阻率等值線圖中呈低阻凹陷特征，在地震映像剖面中反射波有明顯波組延續(xù)特征，推斷存在有采空區(qū)。在該處鉆孔巖心中未見(jiàn)明顯的開(kāi)采跡象，但其煤系地層段巖心破碎且出現(xiàn)較大涌水。因此可以判定在煤炭開(kāi)采過(guò)程中保留有一定的煤柱，由于煤柱的規(guī)模較小，應(yīng)用地面物探方法探測(cè)時(shí)由于分辨率較低，無(wú)法準(zhǔn)確的探測(cè)出煤柱的分布。

從鉆孔驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，ZK1和ZK2鉆孔中都發(fā)現(xiàn)了較為明顯的采空區(qū)特征，鉆探驗(yàn)證結(jié)果和物探解釋結(jié)果較為相符。ZK3雖未揭示到明顯的采空區(qū)跡象，但從鉆探結(jié)果來(lái)看在煤層開(kāi)采時(shí)保留了一定的安全煤柱且充填了水，在電阻率等值圖中呈現(xiàn)低阻層?？傮w來(lái)看鉆孔揭示的結(jié)果與物探解釋結(jié)果基本吻合，這也進(jìn)一步驗(yàn)證的物探結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

（1）由于本區(qū)地下水位高，高密度電法、EH4法可以確定含煤頁(yè)巖層的位置，但很難分辨出采空區(qū)和殘留煤柱。

（2）地震映像法能根據(jù)地震波在不同層位產(chǎn)生的反射波、繞射波特征，分析同相軸是否連續(xù)來(lái)判斷層位是否穩(wěn)定與連續(xù)，是否存在采空區(qū)。

（3）在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，應(yīng)用多種物探方法的探測(cè)優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充的作用，提高了物探成果的解釋精度。

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收稿日期：2018-8-14

作者簡(jiǎn)介：應(yīng)西榮（1968-），男，高級(jí)工程師，本科，主要從事地質(zhì)找礦等工作。