营城煤矿采空区及塌陷区的地球物理特征初探

1 营城煤矿采空区及塌陷区的地球物理特征初探 刘菁华 朱士 翁爱华 王者江 王晓丽 （吉林大学地球探测科学与技术学院 吉林 长春 130026） 摘 要:煤矿采空区的探查在安全生产及经济建设中是一项非常重要的工作。采用地球物理 方法进行探查采空区(塌陷区)的地球物理特征具有一定的优势。本文讨论了在营城煤矿未知 采空区及塌陷区运用多种地球物理方法测量的结果，得到该煤矿采空区及塌陷区的地球物理 特征，从而为营城矿煤采空区及塌陷区的探查与判断提供参考。 关健词：采空区，塌陷区，地球物理特征，地球物理方法，营城煤矿 Primary study on geophysical characteristics of exhausted area and sinking area in Yingcheng coal mine area LIU Jinghua ZHU Si WENG Aihua WANG Zhejang WANG Xiaoli (Geoexploration College, Jilin University, Changchun, China, 130026) Abstract: It is very important to detect exhausted area of coal mine for safety production and economic development. The use of geophysical method has a certain predominance to explore geophysical characteristics of exhausted area (sinking area). This paper discussed the measuring results of a few geophysical methods to obtain its geophysical characteristic in the unknown exhausted area and sinking area of Yingcheng coal mine district. This conclusion provided a useful reference for exhausted area and sinking area of Yingchen coal exploration and estimation. Key word: exhausted area, sinking area, geophysical characteristic, geophysical method, Yingcheng coal mine 1 前言 在煤层埋藏较浅的矿区，由于小煤窑的随意乱采，存在许多不明采空区，这些采空区的 存在对煤矿安全生产构成极大威胁，并对地面建筑，地面 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 结构物的稳定造成危害。因此， 对小煤窑巷道掘进采煤所遗空区的准确勘查，了解和掌握采空区的地质构造、岩层特征、采 矿条件，查清采空区赋存深度、大小、状态以及覆岩与煤层的结构特征和物理、力学性质是 人们普遍关心的问题。 煤矿地下采空区，破坏了地基原有的应力平衡，由此引发了采空区塌陷和持力层破坏等 工程地质问题。一般情况下，采空区的塌陷在垂直方向上可分为三带[1][2] (见图 1 )。 冒落带：煤层采空上部岩层出现坍落。 裂隙带：坍落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到 较大的剪应力，因而岩体出现大量裂隙，岩石的整体性受到破坏。 弯曲带：裂隙带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而不再破裂。 如果采空区较深、煤层较薄，且上覆岩层坚硬，则坍塌的可能性较小，即使坍塌下沉， 作者简介:刘菁华（1963 年－），女，江西南昌人，副教授，博士研究生，主要从事核地球物理、工程与 环境地球物理的教学和科研工作，Tel: 0431-7697096, E-mail: Jinghua@jlu.edu.cn. http://www.paper.edu.cn 2 对地面的影响也较小；反之，则对地面影响较大，尤其是当采空区尚未充填密实，如果建造 高层建筑将诱发地基继续沉陷。 通过地球物理方法，查明采空区的位置、范围、深度，对于地下及地面的安全，同时 对于治理起着指导作用。 第四第松散沉积物 弯曲带 裂隙带 冒落带 采空区煤层 煤层 地面 图 1 煤层采空区塌陷垂直“三带”示意图 Fig.1 sketch map of sinking vertial “three zone” in the exhausted area of coal 2 营城煤矿未知采空区及塌陷区勘探 2.1 营城煤矿现状 九台营城煤矿位于松辽盆地内，成煤地层为下白垩统营城子组，煤层与酸性火山熔岩、 火山碎屑岩等互层产出。主要岩性为砂岩，页岩，砂页岩。 由于营城煤矿经过上百年的开采，地下情况相当复杂，根据已有资料，以及地面塌陷的 痕迹，实地现场踏勘可以看到许多采煤洞，多充水。为了了解该区 60 米以上地下采空区的 情况，选择了高密度电阻率法，放射性土壤氡气方法，地质雷达技术，瞬变电磁法测量，对 营城北区的采空区及塌陷区的地球物理特征进行勘探，以此来圈定该区采空区的位置，范围， 埋深以及分布走向。 2.2 采用的地球物理方法野外工作条件 通过对营城煤矿采空区地球物理特征的了解，选择两条相交剖面进行了高密度电阻率 法，地质雷达法，瞬变电磁法，放射性氡气测量，测线布设如图 2 所示，测线编号为 L0， LI。L0 为北西方向，LI 为北东方向。 92350 92400 92450 92500 92550 92600 92650 92700 92750 93050 93100 93150 93200 93250 93300 93350 93400 93450 L0 LI 图 2 测线布置图 Fig.2 Survey line laying map http://www.paper.edu.cn 3 高密度电阻率法采用重庆地质仪器厂生产的 DUK-2 高密度电阻率仪，野外测量采用每 次 60 根电极，电极距 5 米，温纳排列装置。 测氡法使用了上海仪器厂的 FD-3017RaA 测氡仪，测量点距为 20m，取样深度为 80cm， 取气体积为 1.5L，测量条件为 2 分钟高压，2 分钟测量。 瞬变电磁测量所用仪器是从美国进口的 GDP32II 多功能电测仪，采用共点回线方式， 装置参数为：发射回线 50m×50m。工作频率 16Hz，发射电流 6~8.3A。接收线圈 10 匝，面 积 1m2。测量点距：25m。 探地雷达采用美国 GSSI 公司生产的 SIR—2 型地质雷达，根据工作的性质，采用 4 米 8 规格的分离式低频天线，采样长度 1000ns，并使用了 32 次叠加以进一步提高测量结果的稳 定性[3]，收发天线距 1 米，扫描间隔 2 米。 2.3 剖面分析 2.3.1 L0 剖面分析 对 L0 剖面进行的高密度电阻率法，测氡法，瞬变电磁法，探地雷达法测量，结果见综 合图(图 3)。从图中高密度电阻率断面图可看出，从地表至地下 60m 的深度上，电阻率值的 变化为几Ω·m 至 200Ω·m，表层 5-15m 为一层低阻层，电阻率为 20-50Ω·m 不等，15m 以下，电阻率从西至东电阻率值高低相间变化，表层低阻与地下低阻有的相连，有的不相连。 表层高阻为盖层，多为碎屑岩，地下低阻为采空区充水后的反映[4,5]，当发生塌陷时，地表 的火山碎屑岩与采空相连，形成低阻反映，所以可以判断塌陷区的范围，地下高阻为残留煤 柱。 0 100 200 300 400 0 40 80 120 160 200 NRn/(Bq/m3) d/m (a) 50 100 150 200 250 300 350 400 -60 -40 -20 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 160 220 H/m d/m ρ/(Ω⋅m) (b) -100 -50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 -100 -50 0 -100 -50 0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 (c) H/m d/m ρ/(Ω⋅m) http://www.paper.edu.cn 4 图 3 L0 剖面综合对照图 Fig.3 Synthetical comparing map of L0 profile a——氡浓度剖面图；b——高密度电阻率反演断面图； c——瞬变电磁反演电阻率断面图；d——地质雷达断面图 a-Rn concentration profile; b-high density resistivity inversion section; c-TEM inversion resistivity section ; d-GRP section 氡浓度剖面曲线的反映为前 250m 氡浓度较高，250 至 350m 为低氡浓度，350 至 450m 为中高氡异常，分别反映了采空区，残留煤柱，塌陷区。其原因[6,7]是在采区空，断隙发育， 且采空区的存在，更有利于氡的聚集，所以在采空区上方覆盖层中可测到较高氡浓度，出现 氡异常；而在塌陷区，由于地表覆盖层下塌与下覆地层的相连，形成较发育的裂隙，所以氡 向地表的迁移通畅，但此时氡气保存条件差，所以形成氡异常不高；而在残留煤柱处，由于 煤层的孔隙及裂隙不发育，上覆地层的应力破坏较小，地层裂隙不发育，所以不利氡的运移， 因此在地表覆盖层中形成低氡浓度。 瞬变电磁电阻率反演断面图与高密度电阻率反演断面图具有较好的一致性，表现为低阻 与高阻相间变化的特征，反映了采空区与煤柱体及塌陷区横向变化，断面上的高阻明显地反 映了残留煤柱的存在，与氡浓度剖面的低氡浓度异常较好的对应，同时反映采空区的低阻位 置与氡浓度的高氡浓度位置也有较好的对应关系。 探地雷达图象反映在 180m 处存在一空区，推测埋深大约在 27 到 30m。与上面推测的 采空区位置相吻合。 2.3.2 LI 剖面分析 从图 4 LI 综合剖面图中氡浓度测量剖面可以看出，曲线分为三段，第一段从 0-270m， 氡浓度曲线表现为锯齿状，浓度值在 50-200Bq/m3 之间，为中等氡浓度；第二段从 270-360m 之间，曲线表现较平缓，浓度值为 40 Bq/m3，为低氡浓度；第三段从 360-630m 之间，曲线 变化较剧烈，氡浓度值高，在 100-250 Bq/m3 之间。这三段分别反映了塌陷区，煤柱体及采 空区，解释的原因同 L0 剖面。 从高密度电阻率断面图可以看出，断面可分为三段，第一段 0-200m，30m 以上为较高 电阻率，电阻率为 45-85Ω·m，30m 以下为较低电阻率，电阻率为 5-45Ω·m；第二段 200-330m，出现两相间的高阻体反映，电阻率在 125-145Ω·m 之间，两者以低阻相隔，60m 以下为低阻反映；第三段 330-600m，为低阻反映，从地面到地下 70m 都为低阻，电阻率为 15-25Ω·m 左右。这三段分别可解释为塌陷区，残留煤柱，采空区，原因为由于塌陷，使 地面的地层下塌，填充采空区，使塌陷区形成下部充水，上覆盖层相联的情况，所以电阻率 断面上就形成下部低阻，上部较高电阻率；对于残留煤柱，为高阻反映；对于采空区，由于 充水，所以为低阻反映[4]。 瞬变电磁电阻率断面图与高密度电阻率断面图相一致，200-370m 处为煤柱，其形态更 http://www.paper.edu.cn 5 好反映了煤柱体的存在。370-600m 为低阻反映，为采空区的位置及范围。 以上三种方法对于采空区，塌陷区及残留煤柱位置，范围的判断是一致的。 0 100 200 300 400 500 600 0 50 100 150 200 250 NRn/(Bq/m3) d/m (a) 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 -60 -40 -20 -60 -40 -20 5 15 25 45 65 85 105 115 125 135 145 (b) d/m H/m ρ/(Ω⋅m) 200 250 300 350 400 450 500 550 600 -100 -50 0 -100 -50 0 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 -100 -50 0 (c) H/m d/m ρ/(Ω⋅m) 图 4 LI 剖面综合对照图 Fig.4 Synthetical comparing map of LI profile a——氡浓度剖面图；b——高密度电阻率反演断面图；c——瞬变电磁反演电阻率断面图 a-Rn concentration profile; b-high density resistivity inversion section; c-TEM inversion resistivity section 3 结论 通过以上分析，对于营城煤矿采空区、塌陷区的地球物理特征可归为以下几点： 1) 采空区的电阻率为低阻，氡浓度为高正异常。 2) 塌陷区的电阻率为上部为高阻，下部为低阻；氡浓度曲线为锯齿状，波动较大，浓 度值为中等，50-100Bq/m3 。 3) 残留煤柱电阻率为高阻，氡浓度为低值。 由于地质资料的缺乏，所以解释推断没有已知资料作为验证，但综合地球物理勘探方法 可以互相佑证，综合判断，使解释与推断更趋合理。 在野外数据测量过程中得到了徐波等研究生及 2001 级本科生的帮助，在此表示感谢！ 参考文献(References) [1] 韩许恒，郁春霞. 氡射气探测在采空区勘察中的应用[J]. 工程勘察，1996，(5)：63-72。 HAN Xuheng and YU Chunxia. 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