徐然，張英梅，王繼芳，謝麗麗，韓宗瑞，唐洪敏

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì))，山東 兗州，272000；)

新建濟(jì)南至棗莊鐵路棗莊段經(jīng)過陶棗煤田采空區(qū)，線路前期可行性研究方案給出四條方案。本文基于擬建鐵路沿線有關(guān)的地質(zhì)、物探、遙感及開采資料做綜合分析研究，采用實(shí)地調(diào)查、物探、鉆探結(jié)合的方法對(duì)采空區(qū)分布范圍和各方案線路穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，對(duì)線路分段比選，提出合理化建議[1-3]。

1 地質(zhì)概況及采空區(qū)分布

陶棗煤田工區(qū)為黃淮沖積平原的一部分，地勢(shì)平坦。大地構(gòu)造位置屬于華北板塊，魯西隆起區(qū)，魯中隆起之尼山-平邑?cái)嗦?，尼山凸起。工區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積、坡洪積和崩坡積粉質(zhì)黏土，下伏石炭系太原組(C1t)砂巖、頁巖、頁巖夾煤層，石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)泥巖夾砂巖，奧陶系灰?guī)r，二疊系石盒子組(P3s)砂巖、頁巖夾煤層等?；?guī)r構(gòu)成煤層頂板，砂巖、頁巖構(gòu)成其底板。構(gòu)造主要為單斜構(gòu)造和斷裂，局部發(fā)育寬緩的小褶曲?？傮w為單斜盆地。地層總體走向40°～50°，傾向北西，傾角12°～26°。侵入巖主要為燕山中期巖床及巖墻輝綠巖，多分布于西部煤系地層中。石炭系至二疊系含煤巖系總厚630m?？刹擅簩幼陨隙轮饕獮樯轿鹘M第2層煤及太原組第14、16、17、18層煤，其中第2層煤厚達(dá)6m～8m，在朱子埠-黃貝礦區(qū)尖滅，在郭里集、田屯、寨子等礦區(qū)均被侵蝕，為歷史上主要開采煤層，現(xiàn)已基本采完；其余煤層分布不均，平均厚度分別為1.0m、0.7m、0.5m、0.8m。

陶棗煤田民國(guó)時(shí)期即已大量開采，大陶莊村-陶莊鎮(zhèn)-莊頭村-朱子埠-市中區(qū)-南安城村一帶，目前形成了大面積的采空區(qū)，僅有安陽煤礦開采。擬建線路南部比選方案中新老城區(qū)設(shè)站方案距離陶棗煤田西部新星煤礦、南石煤礦及興仁煤礦采空區(qū)較近，市中區(qū)南側(cè)設(shè)站方案距離南石煤礦、興仁煤礦及其擴(kuò)大區(qū)采空區(qū)較近，市中區(qū)西側(cè)設(shè)站方案穿過甘霖煤礦、黃貝煤礦及朱子埠煤礦采空區(qū)；市中區(qū)東側(cè)設(shè)站方案穿過棗莊煤礦、田屯煤礦采空區(qū)。

2 勘查技術(shù)方法的選擇

2.1 勘查技術(shù)方法

陶棗煤田采空區(qū)內(nèi)礦山閉坑多年，開采資料較少。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用單一的物探方法準(zhǔn)確探測(cè)采空塌陷規(guī)模、形狀﹑埋深等空間分布特征存在較大難度，綜合運(yùn)用多種物探方法探測(cè)采空塌陷是一種準(zhǔn)確有效的工作方式[4-8]，考慮到采空區(qū)資料及實(shí)際塌陷情況，采用音頻大地電磁法(簡(jiǎn)稱AMT法)、等值反磁通瞬變電磁法(簡(jiǎn)稱TEM法)，配合少量工程鉆探進(jìn)行復(fù)核和驗(yàn)證，最終獲得準(zhǔn)確的勘查成果，是非常經(jīng)濟(jì)有效的方法[9-15]。

2.1 儀器及觀測(cè)系統(tǒng)

(1)AMT使用美國(guó)EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合制造的EH4型儀器，觀測(cè)頻率12.6Hz～100000Hz。兩個(gè)電極組成一對(duì)電偶極子MN(20m)，其中，與測(cè)線同向的MN測(cè)量電位差并計(jì)算電場(chǎng)水平分量Ex；垂直測(cè)線的MN測(cè)量電位差并計(jì)算Ey。Hx磁探頭和Hy磁探頭相互垂直。電極布極方式主要為“+”字形。

(2)TEM使用湖南五維地質(zhì)科技有限公司研發(fā)的TTEM-18型儀器，通過測(cè)定二次場(chǎng)感應(yīng)電壓參數(shù)計(jì)算視電阻率。在資料采集中，采用收發(fā)一體等值反磁通天線定點(diǎn)測(cè)量方式，天線直徑0.6m，發(fā)射等效邊長(zhǎng)50m×50m，接收等效面積200m2。考慮到探測(cè)深度和工區(qū)地下電阻率等因素，選擇發(fā)送基頻2.5Hz，其中，儀器關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)度約80us、每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣點(diǎn)數(shù)400或800個(gè)(即每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄時(shí)間長(zhǎng)度10ms)、最大發(fā)送電流10A、發(fā)送電壓12V。

3 物探

3.1 地球物理特征

工區(qū)各類巖土反演電阻率值見表1。據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和地球物理反演結(jié)果分析，周圍巖土與煤窯采空區(qū)或煤層存在一定電性差異，具備開展AMT和TEM法的地球物理勘探前提條件。

表1 工區(qū)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 測(cè)線布置

大致順方案線路方向布置物探測(cè)線2條(WT-3、WT1)；大致垂直各方案線路布置物探測(cè)線13條(WT-4～9、WT2～8)。物探測(cè)線布置情況見圖1、表2。

圖1 勘查工程布置圖

表2 物探測(cè)線布置情況一覽表

3.3 成果解譯

主要考慮各測(cè)線反演電阻率斷面圖中背景值、低阻異常形態(tài)、低阻異常值及其梯度值等因素，對(duì)地層界線、斷層及煤窯采空區(qū)判釋；根據(jù)反演電阻率斷面圖中異常形態(tài)和梯度高值位置準(zhǔn)定量確定異常邊界。解釋原則：以煤層開采標(biāo)高等資料為約束條件，把反演電阻率斷面圖中低阻異常解釋為疑似采空異常；結(jié)合地質(zhì)資料，把向下貫通延伸的條帶狀低阻異?；螂娮杪侍荻雀咧祹Ы忉尀閿鄬印８鳒y(cè)線代表性區(qū)段反演電阻率斷面見表3、圖2～圖5。

圖2 新老城區(qū)設(shè)站方案WT-5測(cè)線視電阻率反演斷面圖

圖3 市中區(qū)西側(cè)設(shè)站方案WT-6測(cè)線視電阻率反演斷面圖

圖4 市中區(qū)東側(cè)設(shè)站方案WT-8測(cè)線視電阻率反演斷面圖

圖5 市中區(qū)南側(cè)設(shè)站方案WT2測(cè)線視電阻率反演斷面圖

表3 物探測(cè)線成果解譯和鉆探驗(yàn)證情況一覽表

4 鉆探驗(yàn)證

據(jù)物探解譯成果，針對(duì)性實(shí)施了2995.40m/51孔，基本位于比選方案中軸線及兩側(cè)，對(duì)推斷采空區(qū)范圍系統(tǒng)控制，且與物探解譯成果基本吻合。

(1)新老城區(qū)設(shè)站方案：布置5個(gè)鉆孔均有一段砂巖或頁巖巖心厡巖結(jié)構(gòu)完全被破壞，巖心全風(fēng)化。全風(fēng)化層自西向東逐漸加深，厚度逐漸加大。明顯為采空區(qū)沉陷后引起的巖石結(jié)構(gòu)破壞，個(gè)別鉆孔見溶蝕破碎帶，與物探資料基本對(duì)應(yīng)，根據(jù)物探勘查和鉆孔驗(yàn)證，該方案從新星煤礦西側(cè)小煤窯采空區(qū)通過。新星煤礦及陶莊鎮(zhèn)西煤礦西側(cè)以往分布有大量小煤窯，開采時(shí)間久遠(yuǎn)，多為私采亂采，規(guī)模較小，開采深度20m～60m不等，物探亦揭示埋深20m～80m以內(nèi)普遍分布有采空區(qū)或采空塌陷區(qū)低阻帶。該處采空區(qū)地表房屋有開裂現(xiàn)象，地面有塌陷現(xiàn)象，塌陷時(shí)間約10年。對(duì)線路方案有一定影響。

(2)市中區(qū)西側(cè)設(shè)站方案：布置6個(gè)鉆孔均有2m～5m巖心厡巖結(jié)構(gòu)完全破壞，巖心全風(fēng)化；并有較厚的強(qiáng)風(fēng)化巖心，碎裂嚴(yán)重。明顯為采空區(qū)沉陷的結(jié)果，破壞了原始的地層結(jié)構(gòu)。每個(gè)鉆孔基本上均發(fā)現(xiàn)多條溶蝕破碎帶，厚度1m～3m。朱子埠煤礦和甘霖煤礦多次開采，個(gè)體私營(yíng)小煤窯眾多，開采混亂，采空區(qū)深淺不一?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，朱子埠村房屋開裂嚴(yán)重，多處房屋成危房，附近農(nóng)田夏季多積水，農(nóng)作物多減產(chǎn)、絕產(chǎn)。1999年朱子埠煤礦終采，2016年甘霖煤礦終采。采空區(qū)面積大，物探亦揭示本區(qū)200m以下普遍分布有采空區(qū)或采空塌陷區(qū)低阻帶，另據(jù)鉆孔揭露，采空區(qū)仍然存在不穩(wěn)定因素。因此該方案存在嚴(yán)重的安全隱患，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

(3)市中區(qū)東側(cè)設(shè)站方案：鉆孔資料與物探資料吻合較好。該區(qū)可采煤層較多，通過鉆探沿?cái)M建線路上部(70m)巖石結(jié)構(gòu)基本被破壞，明顯是采空區(qū)沉陷的結(jié)果，破壞了原始的地層結(jié)構(gòu)。根據(jù)鉆孔巖心，灰?guī)r層多處發(fā)現(xiàn)溶蝕破碎帶和溶洞，溶洞為充填和半充填。1996年棗莊煤礦終采，開采2、14、16、17、18煤層，采深330m ～406m；1996年田屯煤礦終采，采深350m～416m。開采煤層4層，采厚較大，閉坑后又經(jīng)多次私采亂挖。采空區(qū)總體基本停止沉陷，但據(jù)鉆孔資料仍存在不穩(wěn)定因素。物探資料推測(cè)區(qū)內(nèi)存在采空區(qū)異常，且?guī)r溶發(fā)育，有較大的無充填空洞，因此該方案風(fēng)險(xiǎn)較大。

(4)市中區(qū)南側(cè)設(shè)站方案：鉆孔資料與物探資料吻合較好。施工鉆孔多數(shù)發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，在擬建線路及南西側(cè)采空區(qū)深度一般10m～15m，向擬建線路北東側(cè)采空區(qū)深度逐漸加深。該線路方案雖在南石和興仁煤礦已設(shè)采礦權(quán)之外，但淺層煤曾多次私采亂挖，線路行走于18煤層采空區(qū)之上。18煤層較薄，煤層厚度0.43m～0.72m，煤礦已閉坑10年，采空區(qū)已基本穩(wěn)定，該方案風(fēng)險(xiǎn)較小。

5 結(jié) 論

通過綜合地質(zhì)、物探、鉆探等手段對(duì)陶棗煤田采空區(qū)穩(wěn)定性調(diào)查評(píng)價(jià)，開展AMT和TEM法綜合地球物理勘探，獲得視電阻率反演斷面圖反映特征，解譯推斷出采空區(qū)分布范圍，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆探驗(yàn)證，解譯推斷的采空區(qū)范圍與鉆探所揭露的深度及厚度吻合較好，對(duì)新建濟(jì)南至棗莊鐵路選線工作具有指導(dǎo)意義。