徐林 楊生文 樂俊波 戴曉明 潘遠(yuǎn)

摘要：廢棄老礦井由于采掘資料缺失，采空區(qū)范圍不明，給當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害成因分析帶來一定的困難，高密度電阻率法在探測(cè)采空區(qū)有明顯的效果，能夠較好的固定采空區(qū)范圍。本文采用高密度電阻率法采空區(qū)模型進(jìn)行反演計(jì)算成像分析，實(shí)測(cè)并圈定廢棄老窯采空區(qū)范圍，并圈定了采空區(qū)地表移動(dòng)與變形范圍和抽排地下水影響范圍，分析了山上地面開裂和塌陷成因、村民房屋開裂成因，表明了高密度電阻率法在地質(zhì)災(zāi)害勘查中具有良好效果。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法;反演;采空區(qū);地質(zhì)災(zāi)害勘查

煤礦一般多層開采，采空區(qū)呈上下疊加，給探測(cè)采空區(qū)帶來一定困難。采空區(qū)造成地表移動(dòng)和變形，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)帶來安全隱患。高密度電阻率法以地下巖土體的電阻率差異特征為為研究前提條件，是研究在人工建立的穩(wěn)定地電場(chǎng)中地下介質(zhì)電流分布規(guī)律的一種主動(dòng)源電法勘探方法，能根據(jù)采空區(qū)的充填與圍巖電性差異探測(cè)出采空區(qū)的發(fā)育范圍，為地質(zhì)災(zāi)害的成因分析提供必要的根據(jù)。

1.礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀調(diào)查

LH煤礦由th煤礦和sba煤礦整合而成，含煤地層二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，準(zhǔn)采標(biāo)高為1575m-1160m。th煤礦1995年建井，2009年關(guān)閉，無法下井實(shí)測(cè)，開采M28和M31號(hào)煤層。sba煤礦1995年建井，2007年關(guān)閉，現(xiàn)無法下井實(shí)測(cè)，開采M26、M28、M31號(hào)煤層。LH煤礦于2016年關(guān)閉，現(xiàn)無法下井實(shí)測(cè)，LH煤礦負(fù)責(zé)人拒絕提供所需地災(zāi)評(píng)估所需的采面布置，采掘煤層，每循環(huán)消耗的最大炸藥量，排水量、涌水量等地質(zhì)災(zāi)害成因分析論證的必要資料。

礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害有地裂縫2條和地表塌陷1處。2條地裂縫為2015年8月形成，為連續(xù)土層裂縫，地裂縫（DLl）位于2號(hào)房屋南西側(cè)約185m處，呈直線型，走向90。，裂寬約lcm-80cm，長(zhǎng)約8.Om，可見深度0.lOm-0.50m，向200。方位下沉約20cm;地裂縫（DL2）位于DLI地裂縫的南側(cè)，裂縫呈弧線型，裂縫走向105。方位，現(xiàn)未見裂縫寬度，長(zhǎng)約25m，向215。方位下沉約45cm。地面塌陷（TXl）：位于3號(hào)房屋的西側(cè)50m，該塌陷直徑約8.Om，深約1.2m，呈橢圓形，為第四系松散層塌陷，塌陷形成時(shí)間2011年，現(xiàn)已基本穩(wěn)定。區(qū)內(nèi)有80戶民房受損，部分民房及院壩開裂下沉，裂隙寬度Imm-35mm，裂隙長(zhǎng)度Om-6m，初次開裂時(shí)間從2006年-2016年不等。

根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)際情況，決定采用高密度電阻率法探測(cè)LH煤礦的采空區(qū)范圍。

2.高密度電阻率法理論模型實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)LH煤礦多層煤采掘的歷史，用Res2dmod軟件設(shè)計(jì)個(gè)大小一致的兩組采空區(qū)模型組合，設(shè)測(cè)線長(zhǎng)度lOOOm，電極極距l(xiāng)Om，采用溫納裝置測(cè)量（見圖1）。I號(hào)模型組合由水平板狀高阻體和低阻體疊加組成，在測(cè)線上點(diǎn)號(hào)為240m-360m，上部高阻體中心埋深45m，長(zhǎng)120m，厚lOm，下部低阻異常體中心埋深85m，長(zhǎng)120m，厚lOm。Ⅱ號(hào)模型組合在測(cè)線上點(diǎn)號(hào)為640m-760m，上部低阻體中心埋深45m，長(zhǎng)120m，厚lOm，下部高阻異常體中心埋深85m，長(zhǎng)80m，厚lOm。高阻體電阻率值5000Ω·m，模擬未充填或半充填采空區(qū);低阻體電阻率值200Ω·m，模擬充水或泥采空區(qū);圍巖電阻率值2000Ω·m，模擬煤系地層。根據(jù)Res2dmod進(jìn)行有限差分正演，導(dǎo)出正演數(shù)據(jù)，在Res2dinv進(jìn)行反演。

圖2中可以清楚的看到四個(gè)板狀異常體橫向上與理論模型范圍基本一致;縱向上淺部高阻體與理論模型相似，低阻體范圍偏大，深部低阻體縱向上整體下延大于理論模型范圍，深部高阻體縱向范圍偏大;四個(gè)異常體電阻率值與理論電阻率值有偏差?？梢姼呙芏入娮杪史ㄔ跈M向上能比較清晰的反映采空區(qū)范圍的大小，在縱向上分辨率稍差，深部分辨率小于淺部，但通過高密度電阻率法探測(cè)多層煤采空區(qū)是可行的。

3.資料處理分析

3.1工區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)及鄰近區(qū)域出露地層有：二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P3β）玄武巖，厚度大于115m;二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P31）粉砂巖、菱鐵質(zhì)粉砂巖夾粘土巖、煤質(zhì)頁(yè)巖及煤層，厚度約135m;二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組（P3C）灰?guī)r，厚度大于40m;三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）粉砂巖，厚度大于200m;第四系（Q）殘坡積層，厚O-1Om。

礦區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)明顯斷層，為向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層總體傾向南西，傾角10°-17°。

3.2高密度電阻率法1號(hào)剖面分析

如圖3，1號(hào)測(cè)線布置在測(cè)區(qū)南部，40m-lOOm點(diǎn)號(hào)為已知LH煤礦M6號(hào)巷道附近，250m-350m在已知LH煤礦M8號(hào)煤采空區(qū)附近，480m-540m為已知sba煤礦M28號(hào)煤采空區(qū)，570m-620m為已知sba煤礦M31號(hào)煤采空區(qū)附近。

如圖4，該剖面淺部電性分布不均勻，第四系電阻率值小于100Ω.m，部分松散且干燥區(qū)域電阻率值大于400Ω.m。深部電性分布不均勻，主要由采掘煤層形成的采空區(qū)及裂隙引起，在煤層附近共圈定了9個(gè)團(tuán)塊狀采空區(qū)異常，I號(hào)采空區(qū)橫向?qū)捰谑占Y料采空區(qū)，縱向發(fā)育范圍包含了M8號(hào)煤;Ⅱ號(hào)采空區(qū)推斷為采掘M26、M28號(hào)煤引起，無已知資料;Ⅲ、Ⅳ號(hào)采空區(qū)為已知LH煤礦采空區(qū)附近;V號(hào)采空區(qū)在M6露頭附近，調(diào)查為老窯采掘引起;Ⅵ號(hào)采空區(qū)推斷為采掘M26、M28引起，無已知資料;Ⅶ采空區(qū)推斷為采掘M26號(hào)煤引起，無已知資料;Ⅷ號(hào)采空區(qū)為采掘M28號(hào)煤引起，發(fā)育在已知sba煤礦M28號(hào)煤采空區(qū)附近;Ⅸ號(hào)采空區(qū)為采掘M31號(hào)煤引起，發(fā)育在已知sba煤礦M31號(hào)煤采空區(qū)附近。

通過物探實(shí)測(cè)資料與收集到采空區(qū)范圍資料進(jìn)行對(duì)比，在收集到資料的采空區(qū)范圍，物探測(cè)量結(jié)果基本與之吻合，由此判定物探測(cè)量結(jié)果可靠性好。但物探物探實(shí)測(cè)采空區(qū)范圍比收集到資料的范圍大，采空區(qū)個(gè)數(shù)更多，其原因?yàn)榈V山開采歷史悠久，資料遺失，收集到采空區(qū)資料不全面。

通過物探實(shí)測(cè)資料與模型試驗(yàn)資料對(duì)比，由于受地表不均一性影響較大，實(shí)測(cè)地表資料電性更為復(fù)雜;實(shí)測(cè)異常空間形態(tài)呈團(tuán)塊狀而非板狀體，其與受采空區(qū)的垮塌引起圍巖發(fā)育裂隙有關(guān);因煤層起伏實(shí)測(cè)部分采空區(qū)異常中心位置所畫煤層位置處。

3.3 D-D 剖面地質(zhì)災(zāi)害范圍圈定

（1）采空區(qū)范圍圈定

由于礦方不配合，資料未能收集齊全。采空區(qū)范圍的確定以政府和納雍縣國(guó)土局收集而來的資料和物探電法勘探成果資料綜合確定。①收集到的采空區(qū)范圍為已知采空區(qū)范圍;②已知采空區(qū)范圍外，采用物探探測(cè)的采空區(qū)。同一煤層物探采空區(qū)與收集到采空區(qū)重疊或相鄰，則將相鄰采空區(qū)合并為同一采空區(qū)。

（2）采空區(qū)地表移動(dòng)與變形參數(shù)選擇

根據(jù)收集資料，該區(qū)覆巖為中硬類型，煤層傾角10°～17°，平均傾角為14°。參照“壓煤開采規(guī)程”附表5-3和5-4，選取松散層移動(dòng)角φ=45°，走向邊界角δ0=55°，上山邊界角γ0=55°，下山邊界角為β0=δ0-0.65α=55°-0.65×14°=46°;開采第一層煤為初次采動(dòng)外，第二層煤為重復(fù)采動(dòng)：邊界角減小2°-7°，區(qū)內(nèi)取5°。則走向邊界角δ0=50°，上山邊界角γ0=50°，下山邊界角β0=41°。

（3）安全深度確認(rèn)

根據(jù)公式：H8=M.K

其中：H8-煤層綜合作用厚度計(jì)算的頂板安全厚度（m）;M-煤層平均厚度（m）（m1=1.80m、m2= 1.50m、m3=1.50m、m4=1.60m）。

煤層間距：n2=2l.Om、n3=19.Om，n4=45.Om;

經(jīng)計(jì)算得M6、M8、M28、M31煤層綜合采動(dòng)頂板安全深度為708.Om。

通過對(duì)開采煤層的安全深度的計(jì)算，LH煤礦開采M6、M8、M28、M31煤層，開采標(biāo)高為1320m，綜合采動(dòng)頂板安全深度為492.Om，礦區(qū)村民民房平均地表標(biāo)高為1580.OOm，垂高為260.OOm，小于煤層的安全深度。

（4）排地下水降落漏斗影響半徑

礦區(qū)內(nèi)地下水總體向東側(cè)流向陽(yáng)長(zhǎng)河徑流。受采礦、構(gòu)造裂隙影響，自然狀態(tài)受到不同程度破壞，地下水在可溶巖和非可溶巖分布區(qū)發(fā)生水力聯(lián)系。據(jù)調(diào)查和收集資料LH煤礦距民房最近的M6煤層最低開采標(biāo)高為1433.2m，靜水位標(biāo)高以1550m為準(zhǔn)，地下水降升高度S=116.8m，含水層厚度H=315.OOm，滲透系數(shù)采用K=O.OOlm/d，經(jīng)計(jì)算LH煤礦抽排地下水降落漏斗影響半徑R-13l.llm。

根據(jù)上述原則，在D-D'剖面上圈定了煤礦采掘范圍，煤礦采掘地表移動(dòng)影響范圍，輸排水地下水降落漏斗影響范圍，如圖5。

4.地質(zhì)災(zāi)害成因綜合分析

4.1 山上地面開裂和塌陷成因分析調(diào)查區(qū)內(nèi)主要的地質(zhì)災(zāi)害為地裂縫和地面塌陷，地裂縫及塌陷均在采空區(qū)地表影響范圍和抽排地下水影響范圍之內(nèi)。

地裂縫DLl-DL2位于LH煤礦礦界內(nèi)的南側(cè)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M地層之上，由于LH煤礦的開采，損壞了巖層的完整性和穩(wěn)定性造成地面開裂從而使地裂縫DLl-DL2向下坡方向滑移。

地面塌陷位于LH煤礦礦界內(nèi)的中部，地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M之上，由于淺部煤層開采形成采空區(qū)，煤層頂板失穩(wěn)下陷，引起表層松散層形成塌陷坑。

4.2村民房屋開裂成因分析

80戶受損民房在LH煤礦采空區(qū)地表影響范圍和抽排地下水影響范圍內(nèi)。地形坡度10°-30°，民房向下為10°～45°地形坡度，民房基礎(chǔ)多置于土層之中，并且基礎(chǔ)砌置不當(dāng)、結(jié)構(gòu)較差。民房變形主要以下沉和擠壓性開裂為主，裂縫開裂方向基本與LH煤礦開采的巷道平行。房屋開裂時(shí)間是在2007年至今，而LH煤礦開采時(shí)間是2004年-2014年。

綜上，由于受LH煤礦的開采，導(dǎo)致松散層向下坡方向蠕動(dòng)，是造成區(qū)內(nèi)民房開裂受損的誘因。

5.結(jié)論

通過對(duì)高密度電阻率法在重疊采空區(qū)中的正演模擬和在地災(zāi)成因探測(cè)采空區(qū)中的應(yīng)用，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

（1）高密度電阻率法在橫向上能比較清晰的反映采空區(qū)范圍的大小，在縱向上分辨率稍差，深部分辨率小于淺部，但通過高密度電阻率法探測(cè)多層煤采空區(qū)是可行的。

（2）由于受地表不均一性影響較大，高密度電阻率法實(shí)測(cè)地表資料電性更為復(fù)雜，實(shí)測(cè)采空區(qū)異?？臻g形態(tài)呈團(tuán)塊狀而非板狀體，其與受采空區(qū)的垮塌引起圍巖發(fā)育裂隙有關(guān)。

（3）在地質(zhì)災(zāi)害成因分析論證中，采空區(qū)范圍往往是劃定地災(zāi)范圍的依據(jù)，在收集資料不全或有疑問的情況下，高密度電阻率法圈定的采空區(qū)范圍是可作為必要的參考依據(jù)。

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