葉一飛，王光宇，吳亞榮，楊喜平，張博龍

(1.陜西榆林能源集團郭家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.陜西銀河煤業(yè)開發(fā)有限公司，陜西 榆林 719000；3.陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719099)

0 引言

地球物理勘探方法(或稱應用地球物理，簡稱“物探”)是以巖礦石等介質的物理性質差異為物質基礎，利用物理學原理，通過觀測和研究地球物理場的空間和時間分布規(guī)律以實現(xiàn)基礎地質研究、環(huán)境工程勘察和地質找礦等目的的一門應用科學。在地球物理勘探中，廣泛應用于各種巖礦石等介質的物理性質或物性參數(shù)。其中電法勘探是以地殼中巖礦石間的電性差異為基礎，通過觀測和研究天然電磁場和人工電磁場的空間與時間分布規(guī)律進行地質勘探、找礦等的一種物探方法[1]。電法勘探利用的參數(shù)較多，它應用范圍較廣，主要用于探查區(qū)域與深部地質構造、尋找油氣田、尋找金屬與非金屬礦產，解決水文地質和工程地質中的有關問題，以及工程建設中的路基、橋基和環(huán)境勘查中的一些問題[2]。微動勘探是指對天然場源微動信號進行數(shù)據(jù)處理提取Rayleigh波頻散信息，通過反演該信息獲得地下介質橫波速度結構，分析地質體與周圍介質的波速差異，從而查明或解決有關工程地質問題的一種物探技術，是一種環(huán)保、抗干擾能力強、探測深度大、適用范圍廣的新型物探技術[3]。

采用瞬變電磁、激電中梯和微動勘探綜合手段探查某煤礦采空區(qū)，由于試驗采空區(qū)和第1次探測采空區(qū)特性基本一致，導致第1次誤判，通過對物探手段組合和工作方法的改進，最終探查到采空區(qū)，為在類似條件下開展煤礦采空區(qū)的探測提供了借鑒。

1 勘探區(qū)概況

勘探區(qū)屬鄂爾多斯盆地沙漠區(qū)與黃土高原區(qū)接壤過渡地帶，自然地貌主要為河谷階地區(qū)和黃土梁峁區(qū)。根據(jù)資料在陰影部分可能存在采空區(qū)。通過對陰影部分地形地貌和人居環(huán)境的調查及分析后，選取A、B、C、D這4個區(qū)域開展物探工作，如圖1所示。

圖1 推測采空區(qū)(陰影部分)及4個物探工作區(qū)域

2 地質特征

2.1 勘探區(qū)地層

表1 含煤地層及上覆巖層特性

2.2 勘探區(qū)地球物理特性

根據(jù)已有的測井資料分析，本區(qū)各地層電阻率差異不大，大都在50～400 Ω·m之間，煤層電阻率較高，一般在400～1 000 Ω·m之間，最高可達1 800 Ω·m。但本區(qū)無論是地層或煤層，都比較穩(wěn)定，煤層可能會形成層狀的高電阻率異常，未開采區(qū)一般不會形成局部電阻率異常。當?shù)叵旅簩泳植勘婚_采后，在煤層內形成一定規(guī)模的空間，此時的采空區(qū)為空洞。從電性上分析，其電阻率表現(xiàn)為高阻反映，一般要比正常巖層的電阻率高3～5倍，有的可達10倍以上。但隨著時間的推移，其周圍的應力平穩(wěn)狀態(tài)遭受破壞，產生局部的應力集中，采空區(qū)頂板在上覆巖層壓力的作用下，會發(fā)生變形、斷裂、位移、冒落，形成冒落帶，這樣上覆巖層就會在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，地下水就會侵入，同時地表水也有可能沿裂縫向采空區(qū)內滲漏，此時采空區(qū)的電阻率會隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)為低電阻率異常反映，這時采空區(qū)電阻率的大小取決于其富水、充水狀況。這是瞬變電磁工作的物性基礎。

煤層極化率較高，采空后極化率降低，這是開展激發(fā)極化法工作的物性基礎；采空后形成的采空區(qū)、斷裂破碎帶和冒落帶會使巖石密度降低，形成低速異常，這是微動探測的物性基礎。

3 工作參數(shù)的試驗

3.1 瞬變電磁

開展物探工作前，在已知采空區(qū)地表進行瞬變電磁、激電中梯和微動探測的技術試驗。試驗主要采用瞬變電磁進行勘探，然后視激電中梯和微動探測手段對瞬變電磁異常進行驗證，再確定物探手段的組合方法，試驗的目的主要是確定進行瞬變電磁勘探時采用的發(fā)射框大小，采樣頻率和發(fā)射電流等參數(shù)[4]。

在已知采空區(qū)的試驗情況如下：用300 m×600 m和200 m×200 m發(fā)射框進行試驗，對比后發(fā)現(xiàn)200 m×200 m發(fā)射框受邊框影響明顯，異常形態(tài)復雜，對采空區(qū)范圍反映欠佳(左半部分紅色為已知采空區(qū))，如圖2所示；用16 Hz和8 Hz采樣頻率進行試驗，對比后發(fā)現(xiàn)8 Hz采樣頻率結果異常較為凌亂，不能準確地反映已知采空區(qū)范圍(左半部分紅色為已知采空區(qū))，如圖3所示；用10 A和20 A這2種不同發(fā)射電流進行試驗，對比后發(fā)現(xiàn)二者異常范圍幾乎一致，如圖4所示，說明瞬變電磁工作采用10 A或20 A的發(fā)射電流均可。

圖2 300 m×600 m和200 m×200 m發(fā)射框試驗對比

圖3 16 Hz和 8 Hz采樣頻率試驗對比

圖4 10 A和20 A 2種發(fā)射電流試驗對比

經分析對比，為保證采集數(shù)據(jù)質量，最終確定瞬變電磁的工作參數(shù)為：采用20 A發(fā)射電流，300 m×600 m發(fā)射框和16 Hz采樣頻率。

3.2 激電中梯

在相同的已知采空區(qū)，對激電中梯方法進行技術試驗，供電極距AB為900 m，測量極距MN取40 m，在未采段顯示高極化率，采空區(qū)顯示低極化率異常，視充電率對采空區(qū)反映良好，結果如圖5所示。激電中梯在未采段顯示高極化率，采空區(qū)顯示低極化率異常，電阻率異常不明顯，激電中梯可作為輔助手段對瞬變電磁異常進行驗證。根據(jù)試驗確定工作時供電極距AB選擇900～1 000 m，在A、B極間1/3地段觀測，MN距應適合關系式MN≥(1/50～1/30)AB，接收測量極距選40 m，供電脈沖寬度選2 s，點距20 m。

圖5 激電中梯試驗結果

3.3 微動測量試驗

采用三重圓臺陣，根據(jù)探測深度要求(約220 m)，確定三重圓臺陣半徑分別為r(12.5 m)、2r(25 m)、4r(50 m)，圓心處布設1臺數(shù)據(jù)采集器，圓周上布設3臺數(shù)據(jù)采集器，每個采集站連接一個2 Hz寬頻帶檢波器，共10個采集器，如圖6所示。根據(jù)試驗，確定每點采集時長大于50 min，采用4G數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)質量。

圖6 微動測量數(shù)據(jù)采集器布置

通過微動測量試驗并與瞬變電磁試驗進行對比，在已知采空區(qū)視電阻率顯示為高阻特征，對應微動測量為低速異常，未采段顯示為高速異常，界線明顯。2種方法在試驗區(qū)對應良好，可以為瞬變電磁佐證。

4 物探工作

4.1 測點布設

瞬變電磁的基本網度為20 m×20 m，測點為實地放樣標定，參考站接入陜西地理信息局提供的陜西CORS播發(fā)的數(shù)據(jù)作為參考站數(shù)據(jù)，布設采用實時動態(tài)(RTK)作業(yè)方式進行施測。為加快工作進展，采用2臺RTK進行定點施測作業(yè)，定點施測作業(yè)前，2臺RTK相互用已知控制點進行校驗，滿足本次設計及規(guī)范要求(水平精度：±10 mm+10-6；垂直精度：±20 mm+10-6)。具體做法是將各測點理論坐標輸入儀器，然后用RTK實時動態(tài)坐標放樣，依次放樣出各個測點實地位置，在實地打樁定點，各樁均捆綁測旗作為標記，方便在野外目視不佳的環(huán)境中快速找到測點，并且在測旗上注記測點點線號，方便記錄。

4.2 第1次物探工作

利用試驗確定的工作參數(shù)，在A、B、C區(qū)開展物探工作，其中A區(qū)地表環(huán)境復雜，測區(qū)地貌地物有壕溝，生長有灌木、雜草等，距離小河不遠，地表局部有受雨季影響形成的潮濕洼地，還有地形起伏較大的干燥沙漠區(qū)域，因此A區(qū)屬于物探環(huán)境最為復雜的區(qū)域。根據(jù)A區(qū)瞬變電磁煤層所在深度的視電阻率異常切片圖來看，區(qū)別非常明顯(紅色為高阻區(qū))，如圖7所示。B區(qū)的探測范圍較小，從斷面圖特征來看(圖8)，煤層深度電阻率值較為平穩(wěn)，沒有局部低阻異常出現(xiàn)，煤層深度視電阻率切片圖顯示視電阻率值范圍在53～56 Ω·m之間，等值線寬緩，推斷B區(qū)越界開采的可能性不大，推測沒有充水采空區(qū)存在；隨后對A區(qū)開展分析，推測A區(qū)的相對高阻區(qū)域可能是受到地表潮濕洼地的影響，因此未在A、B兩區(qū)實施鉆探驗證。

圖7 A區(qū)煤層深度瞬變電磁切片

圖8 B區(qū)煤層深度瞬變電磁切片

在C區(qū)實施瞬變電磁物探后，發(fā)現(xiàn)在1060線到1100線，1080點到1260點范圍內出現(xiàn)高阻異常，與已知采空區(qū)試驗獲得的采空區(qū)特征相似。經討論后，決定在C區(qū)高阻區(qū)進行鉆探驗證。根據(jù)調查收集的資料分析研究，鉆探驗證設計施工了3個鉆孔(ZK1、ZK2、ZK3)，鉆孔位置采用實時動態(tài)(RTK)方式進行施測，經鉆探驗證C區(qū)的高阻區(qū)，其并非采空區(qū)，如圖9所示。

圖9 C區(qū)高阻區(qū)及驗證鉆孔位置

4.3 分析第1次物探結果

由于第1次物探出現(xiàn)誤判的情況，分析原因主要有2個：①試驗的已知采空區(qū)為綜采工藝，坍塌、冒落帶范圍較大，并且是剛形成不久的采空區(qū)，且井下采空區(qū)沒有進行人為儲水的情況，采空區(qū)涌水為自流狀態(tài)，所以充水特征不明顯，采空區(qū)顯示為高阻。而推測采空區(qū)并非綜采工藝，坍塌、冒落帶范圍較小，且形成時間較長，充水特征與已知采空區(qū)不同，因此需探查的采空區(qū)與已知采空區(qū)所反映的物理特性不盡相同，可能會造成誤判；②由于C區(qū)測區(qū)較小，未能涵蓋實際的采空區(qū)，對性質相似的采空區(qū)異常特征缺少實際資料，且受到測區(qū)厚沙層的影響，按已知采空區(qū)異常試驗取得的物理特征進行推斷，可能會造成誤判。

4.4 第2次物探工作

基于上述情況，在C、D兩區(qū)開展補充物探工作即第2次物探，為重新認識采空區(qū)可能性提供依據(jù)，緊挨C區(qū)向南部延伸為D區(qū)范圍，在D測區(qū)采取了3種物探手段，分別是瞬變電磁、激電中梯和微動監(jiān)測，物探工作參數(shù)與第1次物探工作參數(shù)保持一致。瞬變電磁顯示C區(qū)視電阻率在48 Ω·m以上，為高阻區(qū)，D區(qū)視電阻率大都在46 Ω·m以下，為低阻，且梯度帶特征明顯，進一步說明D區(qū)為可能存在采空區(qū)的可靠性。激電中梯在試驗采空區(qū)以視充電率小于15‰為采空區(qū)特征，充電率異常對采空區(qū)的反映較為明顯，視電阻率規(guī)律性不強，以此為依據(jù)，同樣在D區(qū)把視充電率小于15‰推測為采空區(qū)。由于地形起伏變化較大的地方對激電中梯測量結果的影響較大，D區(qū)南部由于溝壑縱橫，地形高差較大，圖面顯示規(guī)律性不強，但可作為瞬變電磁的輔助手段確定采空區(qū)大致范圍，如圖10所示。

圖10 C、D區(qū)煤層深度瞬變電磁切片

根據(jù)微動測量結果，用已知采空區(qū)試驗取得的參數(shù)，把低于1 000 m/s的橫波低速區(qū)推斷為采空區(qū)的反映，并且橫波速度小于1 400 m/s與瞬變電磁低阻范圍基本吻合，推測為疑似采空區(qū)。在實際應用中，微動測量雖然有分辨率高、受環(huán)境噪聲影響小、易于實施等優(yōu)勢，但也受地表介質及地形影響，對采空區(qū)邊界的反映也存在不確定性，適合作為采空區(qū)探測的輔助手段，對瞬變電磁推斷的采空區(qū)進行佐證。對3種物探手段及組合方法探測分析后，確定結合瞬變電磁和微動測量的成果將推斷采空區(qū)分為Ⅰ級-可靠、Ⅱ級-較可靠、Ⅲ級-疑似3個等級。其中橫波速度小于1 000 m/s與瞬變電磁視電阻率值低于43 Ω·m范圍吻合段，推測為Ⅰ級采空區(qū)，性質可靠；瞬變電磁視電阻率值低于43 Ω·m，橫波速度小于1 400 m/s，推測采空的可能性較大，推測為Ⅱ級采空區(qū)，較為可靠；視電阻率在43～48 Ω·m之間，但是沒有低阻異常中心，范圍較小，不排除有采空的可能，由于沒有微動探測佐證，推測為Ⅲ級采空區(qū)，如圖11所示。

圖11 C、D區(qū)三級采空區(qū)推斷范圍

4.5 第2次鉆探驗證結果

為驗證改進物探組合方法探測采空區(qū)，考慮便于鉆探施工，在Ⅱ級采空區(qū)設計2個驗證鉆孔ZK4和ZK5，進行第2次鉆探驗證，根據(jù)鉆探過程中沖洗液漏失、掉鉆等情況，判斷是否探測到采空區(qū)[7，9]，鉆探過程及驗證結果見表2。

表2 驗證鉆孔特征及結果

經過2個鉆孔的鉆探驗證，確定了Ⅱ級-較可靠為采空區(qū)。

5 結論

(1)相同的物探工作參數(shù)下采空區(qū)顯示物理特征不一樣，根據(jù)分析這和采空區(qū)的充水特征有直接關系，為類似情況下開展物探工作提供寶貴經驗。

(2)根據(jù)物探結果將推斷采空區(qū)分為Ⅰ級-可靠、Ⅱ級-較可靠、Ⅲ級-疑似這3個等級，并經鉆探驗證Ⅱ級-較可靠存在采空區(qū)，說明Ⅰ級-可靠存在采空區(qū)是可以定性的。

(3)微動測量在采空區(qū)部位顯示中低速異常區(qū)(橫波速度1 400 m/s以下)，與瞬變電磁相對低阻范圍基本吻合，可作為本區(qū)采空區(qū)探測的配套手段；激電中梯由于地形的原因，異常范圍邊界欠清晰，僅可以作為輔助手段，因此在類似條件下采空區(qū)最佳探測方法為瞬變電磁+微動測量。