应用技术 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 业科技与发展 Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ２０１０年第ｌ６期（总第２８６期） ＮＯ．１６，２０１０（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ ＮＯ．２８６） 物探方法在深部煤层采空区勘察中的应用 乇风华，舍玉环，刘小龙 （华北有Ｇ＿ｖ－￣勘察院，河北石家庄０５００２１） 【摘要】文章以河北中关铁矿的帷幕工程为例，分析了物探方法的工程应用前提、应用效果，为深部采空区或其 他地质工程勘查提供了方法借鉴。 【关键词ｌ采空区；直流电测深；三极梯度测深；瞬变电磁；综合解释 【中图分类号】Ｐ６３１ 【文献标识码】Ａ 【文章编号１１６７４—０６８８（２０１０）１６—００６２—０３ Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｏｂ Ａｒｅａ ｏｆ ＤｅｅＤ Ｃｏａｌ Ｂｅｄ ＷＡＮＧ Ｆｅｎｇ—ｈｕａ，ＳＨＥ Ｙｕ—ｈｕａｎ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｌｏｎｇ （Ｎｏａｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｌｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００２１ ｊ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｚｈｏｎｇｇｕａｎｇ ｉｒｏｎ ｏｒｅ ｉｎ Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ．ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａ— ｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏｂ ａｒｅａ ｏｆ ｄｅｅｐ ｃｏａｌ ｂｅｄ ｏｒ ｏｔｈｅｒ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｇｏｈ ａｒｅａ；ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｎｄｉｎｇ；ｔｒｉｐｏｌａｒ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｓｏｕｎｄｉｎｇ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｅｒｐｒｅ— ｔａｔ；ｏｎ １背景 随着国民经济的飞速发展，地质灾害的治理越来越引起人 们的重视。地质灾害的发生，严重影响了人们正常的生产和生 活秩序，具有较大的危害性。引起地质灾害的原因是多方面 的，例如坡体的滑落滑塌，煤矿采空区的陷落，：Ｔ：程地基的裂 缝、破碎带、溶洞等。各种地质灾害的调查促使地球物理工作 者把运用综合物探技术探测、研究各种地质灾害问题作为一项 重要的任务列入自己的Ｔ作范围。 深在１００～２００ｍ，静水位在２００ｍ以下。 工程区内地质构造简单，地层近于水平层状构造。地层有 第四系、新生界第三系、中生界三迭系、二迭系和上古生界石 炭系、奥陶系、下古生界寒武系、中上元古界和太古界。出露 的部分为第四系覆盖层，平原区厚度数百米，山区发育厚度不 大，岩性为黄土和黏上砾石。中部丘陵地带发育有多种成因的 黄土层、大面积的黏土砾石层和现代河床砂砾石层，厚度变化 较大，一般３０—１００ ｍ，最厚可达２６４ ｍ；二迭系（Ｐ）厚 ９８０—１ ０３６ ｍ。下统（Ｐ１）为泥质灰岩、粉砂岩，中夹煤层； 上统（Ｐ２）为砂页岩互层；石炭系（Ｃ）缺失下统，厚１２６～ ２００ ｎｌ；中统本溪组（ｃ２）为铝上页岩、砂岩及泥岩，厚１ｌ～ 在邯钢集团拟建中关铁矿，华北有色 程勘察院采用帷幕 注浆堵水方案治理矿山地下水。在矿区东南部设计帷幕线附 近，有几处煤矿曾进行了１１年的开采，当前缺乏采空区的具 体位置和规模的资料。由于采空区对帷幕注浆［程施１二有重大 的影响，囚此在该区段采用电阻率测深和瞬变电磁法等物探方 法勘察采空区的位置和规模。 本次物探任务由广西地球物理学会协作完成。电测深采用 ５５ Ｉｎ；上统太原组（ｃ３）为砂页岩，中夹数层薄层石灰岩和 可采煤，厚ｌ１５—１４５ Ｉｌｌ；奥陶系（０）厚５１３—９０７ ｍ。下统 （Ｏ１）主要为白云质灰岩和白云岩，厚６５～２６８ ｍ；中统 （０２）主要为厚层状灰岩、花斑状灰岩、角砾状灰岩及白云质 灰岩等，厚３９～４４８ ｍ，区域上分为三组八段；寒武系（∈） 全厚约２８３～６２７ ｍ。下统（ １）为紫色页岩夹砂岩，厚５０～ １１４ ｍ；中统（∈２）主要为鲕状灰岩，厚１９２～３１４ ｎｌ；上统 （ ３）．为竹叶状灰岩及泥质条带状灰岩，厚４１～１９９ ｍ。 梯度电测深剖面方法。该方法为桂林丁学院葛为中教授提出的 快捷、高效电测深剖面新方法，在采空区勘察中首次应用就发 挥了有效作用。 ２工程区概况和地质特征 丁程区交通方便，地形起伏不大，为中低山丘陵地形，测 ３ 采空区地球物理特征及物探方法的选择 ３．１ 采空区地球物理特征 采空区塌陷后由于上部地层稳定性遭到破坏，致使岩层破 区覆盖层厚度在０～１００ ｍ，采空区位于石炭二迭煤层中，埋 【作者简介】王风华（１９６４一）．男，河北井陉人，本科学历，华北有色工程勘察院地矿公司总工，高级工程师，主要从事物探找矿方面的研究工作。 ６２ 碎和出现大量的空隙和裂隙，形成采空区“冒落带、裂隙带、 弯曲变形带”，采空区与非采空区呈现电阻率的差异。采空区 的空隙和松散充填，其电阻率为高阻特征，若采空区内和巷道 充水，电阻率形成低阻特征。由于本测区的采空区埋深在 １００～２００ｍ，而静水位在２００ｉｒｌ以下，采空区内和巷道一般不 会充水或积水，其电阻率一般不形成低阻特征。因此，本测区 的采空区综合反映为电阻率偏高的特征，可以根据这种高阻电 性异常反映来划分采空区。 ３．２采空区检测物探方法 该工程区最终采用直流电阻率测深为主、瞬变电磁法为辅 的综合电法来勘查采空区。 （１）直流电测深是通过接地电极供电和测电位，在同一测 点逐次增大供电电极距，使勘测深度逐渐加大，让检测人员观 察到该点由浅至深的视电阻率的变化。在剖面上观测一系列测 点就可了解地下电性纵横方向的分布。 （２）瞬变电磁法，即时问域脉冲瞬变场电磁测深法，它利 用不接地发射回线向地下发送脉冲式一次电磁场，在阶跃脉冲 间歇，由接收线圈观测良导地质体因脉冲电磁场感应的地下涡 流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而解决有关的地质 问题体在沉积岩地层内确定地层空间状态可以得出较好的地质 效果。 测区地形起伏不大，工业游散电场干扰不强；地面第四纪 耕植土较厚，电极的接地条件较好，为地球物理电法勘查提供 了便利。目标体采空区的电阻率高于石炭二迭煤层电阻率，呈 现高电阻率电性，与围岩存在明显的电阻率差异，满足开展电 阻率等方法的地球物理条件。 ３．３仪器设备以及野外数据采集 直流电测深仪器采用由广西地球物理学会监制、广西Ｌｓ 电测实验室研制的ＤＲＳ—Ａ型电阻率仪和ＲＧＳ一１１型多道通电 阻勘探仪。瞬变电磁法仪器采用重庆奔腾数控技术研究所生产 的ｗＴＥＭ一１瞬变电磁系统。 鉴于目标体体积不大，选择较密的基本测网２０ ｍ×２０ Ｉｎ： 大部分测区的点距为２０ ｍ，线距为２０ ｍ，在离设计帷幕线较 远处的点距为２０ ｍ、线距为４０ ｍ。按测线方向，分成３个测 区，每段测线上有９～１８个测深点。 直流电测深采用三极装置，测深供电电极距适当加密，鉴 于采空区所在地层的埋深大于８０ ｍ而小于２００ ｍ，供电极距 ＡＯ选择６０ｍ、８０１１３－、１００ｍ…４００ｍ左右，测深测量极距ＭＮ 为４０ ｍ，点距为２０ ｍ。对于重要测线采用双向三极测深方式。 三极测深野外数据采集采用梯度测深剖面法，在测深点距 小（如２０ ｍ），极距较大情况可共用供电点，连续测几个测深 点的点位。图１中Ａ 、Ａ：、 …为供电点，０ 、０２、０，…为记 录点，即ＭＮ极的中点。当供电电极为Ａ 时，只测量０ 点的 电位，此时０ 的供电极距为Ｒ ；当Ａ：供电时，可以测量０ 和０２ ２点电位，此时的供电极距分别为Ｒ 和Ｒ ；当 供电 ６３ 时，可以测量０ 、０ 、０ 的电位，此时的供电极距分别为Ｒ 、 Ｒ。和Ｒ 。以此类推，直到０ 的最大极距满足探测深度要求为 止。根据实际情况，可以记录点的数量可以适当增加。最多情 况一个Ａ测９个测深点，即一串９点式快捷观测。 图１梯度测深剖面法工作示意图 实测仪器显示△ｖ／Ｉ数据。△Ｖ为ＭＮ间电位差，Ｉ为通 过Ａ极与无穷远极送入地下的供电电流强度。采集此数据后， 根据该采集点Ａ、Ｍ、Ｎ点位，计算装置系数Ｋ值，并计算出 该采集点的视电阻率值。 瞬变电磁法施工装置采用中心回线法，工作频率采用１ Ｈｚ， ５ ｍ×５ ｍ正方形发射线框，匝数为２０匝，５ ｍ×５ ｍ接收线框， 匝数为３匝，叠加次数，１５０次。 ４物探检测成果与资料综合解释 资料解释推断应充分发挥各物探方法及综合解释的优势， 是集各方法所长，各自提出推断的单一物性的地质模型和结 构模型，以便充分利用各种地球物理场信息，为综合解释打 好基础。 ４．１ 直流电阻率测深资料解释 直流电阻率测深资料解释过程中，注意电阻率测深剖面视 电阻率异常有的是采空区高电阻率的反映，也有可能是地下灰 岩界面突起或者地形起伏干扰异常。数据处理过程中去掉异常 的突变点，进行解释，推断采空区分布、埋深，圈定采空区范 围。 ２、图３为５线和２６线电阻率测深剖面拟断面图。 由以上典型实测视电阻率剖面图可以看出，５线有２处出 现局部高阻异常，分别为６０～１００号点之间和２２０号点左右。 根据已知资料，６０ １２０号点的视电阻率异常是南采空区引起 的，采空区的顶部埋深约为１２５ ｍ。从图３中看出，异常形态 向大号点方向（南方向）倾斜，这可能是由于采空区的走向为 从５线的６０号点到４线的１００号点引起的，而不是采空区向 下倾斜引起的。２６线有２处高阻异常，分别为：２０～１６０号点 异常，该处异常推断为灰岩面突起引起的，灰岩面的深度约为 １３０ ｍ：２４０号点异常，该异常推断为土洞引起的，异常体埋 深约为９０ｍ。 ４．２瞬变电磁资料的解释 根据实测计算出的电阻值平面及断面图、电导断面图，分析 图４中，粗线条是帷幕注浆工程布置的帷幕线，在帷幕线 上主要是５、ｌ７和２６这３条测线，圈起的部分是推断的采空 区的分布范围。帷幕线上５线推断采空区２个；１７线推断采 空区３个；２６线推断采空区１个，其西部地下灰岩突起。 测区采空区异常推断从图４中可以看出，该测区内采空区 较多，将其分为４个区：Ｉ区的异常主要分布在东测区的中部 和西部以及东南测区的大号点大部分，该区采空区的深度在 １２５～１５０ ｍ之间；ＩＩ区的异常主要分布在东南测区的小号点 大部分和南测区的东部，该测区的埋深在１２０～１６０ ｍ之间； ＩＩＩ区异常主要分布在南测区的６Ｏ号点和１８０号点，埋深在 １００～１２０ｍ之间；Ｉｖ区主要分布在东南测区的１０线１００～ １８０号点之间，该测区为浅部异常，可能是深部采空区塌陷至 第四纪地层较浅部位的异常反映。根据物探异常，推测南测区 ２２０ ２ＯＯ １８０ Ｌ ６０ｌ ４０１ ２０１ ００ ８０ ６０ ４０ ２０ 点 点号 的中偏西部，灰岩突起由东向西逐渐变浅，灰岩深度从１３０ ｍ 图２ ５线视电阻率拟断面图 图３ ２６线视电阻率拟断面图 变至１１０ ｍ。 和圈出不同的电阻与电导的分区及局部异常，并按工区中电性 通过钻探已对５线等高阻异常揭示验证。６０—１２０号点的 特点，推断出地质一电性模型，划分出电性所圈出的采空区 视电阻率异常是由采空区引起的，采空区的顶部埋深约为 边界、塌落范围。由于瞬变电磁测量中，用不同频道可突出不 】２５ｍ 同深度的电信息，因此可得到采空区平面分布图，在断面上换 ６结论与建议 算出了“视深度”。视深度值可概略地表示深度状况，它具有 相对Ｉ生，受综合因素的影响大。 通过本次采空区的物探检测成果，检测人员认为直流电法 结合电测深资料可以知道，瞬变电磁探测不含水的采空区 检测深部采空区是可行的，尤其是梯度电测深剖面法快速野外 效果不理想，在含水或者低阻采空区的检测效果比较好，本次 数据采集方法，对提高野外工作效率是十分有效的，可以推广 瞬变电磁法为辅助方法，仅起到与电阻率测深作比较的作用。 到以后的类似工程勘察应用中。 建议再增加其他物探方法，如地震勘探法等，以提高深部 ５采空区推断 采空区探测中的应用效果。囝 在资料分析的基础上，检测人员推断得出了采空区的分布 范围，如图４所示。 参 考 文献 比例尺Ｑ §０ ［１］傅良魁．应用地球物理教程［Ｍ］．北京：地震出版社，１９９１． 一 ・ 『２］王兴泰．工程与环境物探新方法新技术［Ｍ］．北京：地质出版 ｍ 社，１９９６． ／ 一 ～Ｉ ｈ＝ｌ ｒ印『 ［３］葛为中，吕玉增，丁云河．直流电法梯度测深剖面的研究及应用 ＇ 、＼一／ ｆ 、 ！ ［Ｍ］．北京：中国大地出版社，２００８． 、 ２２／ ｌ２０～ｉ ｉ ［４］于国明，李静，韩．综合物探方法在深部煤层采空区检测中 。一的应用研究［｝］．陕西地质，２００３，２１（２）． … Ｊ ０～ｌ２ｏ ｍ 、 Ｃｔ￣ｑ－２Ｏ～ ／ ／ ｌ＋ ＇上 １ ｌ＼ 一 Ｖ ｌ臣 一ｌ ‘ ［５］王俊茹，张吉恒，许柏青．瞬变电磁法在高速公路采空区勘测中 ３０ Ｌ 广一一，Ｉ Ｉ、、 ｛的应用［＿Ｊ］．物探与化探，２００９，３１（４）． ［６］高平语．瞬变电磁法探测煤矿采空积水＿Ｊ］．山西大同大学学报：自 图４中关采空区物探异常推断成果平面图 然科学版，２００８（４）：３５ ３６，４２． ［责任编辑：蒙薇］ ６４
