泽州县下村周边煤矿采空区综合物探勘查

刘建国，靳月文，崔春香

（1.山西省泽州县国土资源局，山西 晋城 048000；2.中国冶金地质总局三局，山西 太原 030002）

泽州县下村周边煤矿采空区综合物探勘查

刘建国1，靳月文2，崔春香2

（1.山西省泽州县国土资源局，山西 晋城 048000；2.中国冶金地质总局三局，山西 太原 030002）

根据煤矿采空区地球物理特征，利用高密度电阻率法、瞬变电磁法、地震勘探、测氡法综合物探方法探测其位置和范围，取得了较为理想的勘查效果，指出了选择两种或两种以上的方法组合，可以实现优势互补，提高物探勘查的解释精度。

综合物探；煤矿；采空区

泽州县下村位于山西省晋城市西北26 km处，东经 112°43′53″～112°44′08″，北纬 35°38′29″～35°39′08″，该村自然经济以煤炭开采为主。2007年8月，下村西部和南部的部分居民房屋出现不同程度裂缝，房内地面开裂、下沉，墙皮剥落等现象。经过多次调查走访，初步确定上述现象与周边煤矿采煤活动有关。因此，通过了解本区地质构造、岩层特征、地下开采情况，运用合适的综合物探方法，查清采空区的深度、大小、分布状态，对于区内灾害形成的原因分析、责任判定，以及灾害预防和治理具有指导和现实意义。

1 地形地貌及采矿活动

1.1 地形地貌

本区地处沁水盆地南缘，太行山南段西侧，为黄土覆盖的侵蚀低山区。区内地貌特征以低山丘陵为主，沟谷发育，地势西高东低，长河地表水由北向南在下村东流过。下村村东部多数居民住宅坐落在长河堆积Ⅰ、Ⅱ级阶地台面之上；西部一部分居民住宅坐落在长河堆积Ⅱ级阶地后缘与黄土台地的接合部位，在地形上形成较明显的阶坎。现在村庄西部大部分耕地，由于煤矿的开采，地面陷落，形成新的微地貌，特征为沉降盆地。

1.2 采矿活动

泽州县下村西大多数居民住房建在大南庄煤矿的矿界内，村西的房屋建筑西邻岳兴煤矿，西北邻郊北煤矿，村西基本上位于煤矿的开采范围内。

泽州县下村镇大南庄煤矿井口位于下村西南方向，距下村居民点最近约650.0 m。该矿始建于1980年，1982年3月投产，生产规模15万t/a。采用竖斜混合开拓，单水平开采，开采范围位于井田中部，有井口3个，现开采3号煤层，平均厚度6.18 m。采煤方式为壁式上下分层炮采，单体液压支柱配金属铰接支护，经调查井上下对照资料，井田北部已于2003年采空；泽州县郊北煤矿为县国有煤矿，井口位于下村的西北方向，距村边居民点最近450.0m。始建于1998年，2000年投产，批准开采3号、9号、15号煤层，生产规模9万t/a，采用竖井开拓3号煤层，运输巷道采用木支护，轨道运输，采煤方法为长臂式一次性采全高，悬移支架，坑木支护；山西晋城岳兴煤业有限公司位于下村西北方向，为原岳南煤矿的接替井，现已停产。以上三矿在下村村西南、西侧和西北侧形成大面积的采空区，地表已出现大面积地面塌陷和地裂缝。

2 地质条件

2.1 地质构造

工作区内地质构造比较简单，总体呈走向NNE向的单斜构造。区内地层平缓，倾角3～6°，断层不发育。

2.2 含煤地层

根据野外地质调查，本区内地层出露较简单，大部分区域为第四系黄土层覆盖，村东侧主要出露第四系全新统和上更新统地层，村中部和村西部出露第四系上、中更新统地层，村西南在大南庄矿区区域出露二叠系下统山西组地层。根据地层出露情况及收集的勘探资料，含煤地层由老到新分述如下：石炭系上统太原组（C3t）：为本区主要含煤地层之一，与下伏本溪组成整合接触。岩性为灰色中、细粒砂岩、灰黑色粉砂岩、泥岩、砂质泥岩，7～8层青灰色石灰岩，夹8～10层煤层，在本区15号煤为可采煤层，厚度2.5～3.0m。该地层为一套属海陆交互沉积地层。地层厚度85.00 m。二叠系下统山西组（P1s）：在大南庄煤矿工业区以西的山丘出露该层，为本区主要含煤地层之一。岩性为灰白～灰色中、细粒砂岩、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成，含煤1～3层，其中3号煤层为主要可采煤层，煤层厚5.90～6.20m。地层厚65.00m。经本次钻探验证，下村西侧3号煤层顶板埋深53.90 m，煤层厚6.20m，地层倾向西，倾角为3.7°。

2.3 煤层顶板条件

1）伪顶：灰黑色泥岩，质软，厚0.10 m左右，多层结构，极不稳定，多随煤层开采而冒落。

2）直接顶：灰黑色泥岩、粉砂岩，以泥岩为主，质较坚硬，裂隙发育，厚度1.0～5.4 m，据周围地层勘探资料，岩石饱和抗压强度为9.80～14.57MPa，平均12.19MPa，为软弱岩石～中硬岩石，稳定程度较差。

3）老顶：灰白色中、细粒砂岩和粉砂岩，钙硅质胶结，厚度一般为8.00m。粉砂岩抗压强度27.00～41.80MPa，平均 32.20MPa，属中硬岩；中、细砂岩抗压强度32.60～41.20MPa，平均38MPa，饱和抗压强度 22.9～26.5 MPa，平均 24.5 MPa，属中硬岩，稳定程度中等。

3 物探工作方法

为查明区内3号煤层采空区分布状态，根据本区地质、地形、建筑分布等情况，采取了氡气测量、瞬变电磁法、高密度电法和浅层地震四种方法进行综合探查。

3.1 高密度电法

本测区地层地电特征较为简单，其大类可分为黄土、泥岩、砂岩、灰岩、煤层、采空区。根据测井资料，黄土的视电阻率小于30 Ω·m；泥岩的视电阻率为30～100 Ω·m；砂岩的视电阻率为80～200 Ω·m；灰岩的视电阻率为100～500 Ω·m；煤层的视电阻率为150～350Ω·m。采空区未充水时呈现高阻反映，但由于上部岩层塌落、岩层破碎导致上下岩层间水流贯通，在充水情况下表现为低阻反映。

本次工作采用WDJD-3型高密度电阻率系统现场采集数据，电极排列施贝，最小隔离系数1，最大隔离系数16，点距10m。

3.2 瞬变电磁法

本次勘查使用ATEM-II型瞬变电磁仪。根据试验结果，采用重复回线观测方式，20×20 m的线框，30 A以上的电流进行测量，发射频率12.5 Hz，点距10m，逐线逐点施工。资料整理利用吉林大学的软件对数据进行处理，步骤有：数据重排、滤波、处理文件生成、处理参数设置、电压抽道、生成视电阻率、畸异点剔除、平滑，最后在GRAF及SURFER中生成电压抽道和视电阻率断面图。

3.3 测氡法

采用活性炭法测量，仪器为TYHC-1活性炭氡气测量仪。静态条件下，干燥的活性碳对氡有极强的吸附能力，并在一定情况下保持正比关系。故把装有活性碳的取样器埋在土壤里，活性碳中丰富的孔隙便能强烈地吸附土壤中的氡。埋设7d时间后取出活性碳，测定其放射性。氡气测量在村外按剖面布设，点距10m。在村内居民区散点布设，在道路旁或未硬化的地面埋设收集杯，弥补了其它方法不能进村工作的不足。

3.4 浅层地震法

表1 地震波阻抗参数表

1）地震勘探法主要以介质的弹性差异为物理前提，当地下出现采空或其它异常体时，在地震时距剖面上将会出现同相轴紊乱、错动、“拱形体”等，同时能量减弱。当地层平稳时，地震时距剖面曲线同相轴比较连续稳定。根据收集到的资料，本区各岩层的波阻抗参数见表1，各岩层波阻抗差异为本次地震工作提供了地球物理前提。2）本次地震勘探法采用12次覆盖观测系统，采样间隔0.5 ms，48道接收，偏移距50m。数据处理采用重庆地质仪器厂的专用地震处理软件进行数据处理。

4 勘查结果分析

4.1 高密度电法

实测完成11条高密度电法剖面。在下村西南区内，圈出2处低视电阻率异常区，其埋深与3号煤层埋深相对应，深度在65～70m的范围，推测为煤层采空区引起上覆岩层塌落或裂隙加大，局部导致采空区充水或岩层裂隙水含量增高所致。在下村西北区，圈出2处低视电阻率异常区，深度约65.00 m左右，其埋深与3号煤层相对应。见图1。

4.2 瞬变电磁法

瞬变电磁电阻率反演断面图（见图2）与高密度电阻率反演断面图（见图1）吻合性较好，其勘探深度较高密度电法要大，反映了较深部的岩性特征。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（图3）的低氡浓度区段有较好的对应，其反映采空区的低阻异常与氡浓度的高氡浓度位置也有较好的对应关系。在靠近村庄时，由于高压线的存在，对部分剖面形成干扰，影响了勘查效果。

4.3 氡气测量法

在非采空区地段，由于煤层的孔隙及裂隙不发育，不利氡的运移，因此在地表覆盖层中形成低氡浓度；氡气值较低，均在1000以下，且变化较为平缓。在相同地表条件下，数据一般在某个数值上下波动。当进入采空区后，由于断隙发育，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；氡气值的峰值多在1000以上，甚至更高，而且相邻点数值变化剧烈，在剖面图上比较直观清楚，见图3。

4.4 浅层地震法

由于探查范围邻近村庄，地震勘探收到了限制。公路上频繁来往的重型车辆，也对地震勘探造成干扰。从11条地震勘探剖面看，效果不够理想，采空区异常识别较为困难。个别剖面在采空区上方出现同相轴紊乱，或原来连续稳定同相轴消失的现象，可作为判定采空区存在的依据。参见图4。

图1 16线高密度电法剖面图

图2 107线瞬变电剖面图

5 结论

通过四种物探方法在本区探查结果的综合分析，结合已知资料及实地地质调查结果，可以取得以下认识：由于3号煤层顶板岩石质软，裂隙发育，稳定程度较差，多随煤层开采而冒落，采空区被踏落物和水充填，因此高密度电阻率和瞬变电磁法在采空区上表现为低阻异常，二者异常吻合性较好，在剖面上异常的位置与3号煤层相对应；在采空区段氡浓度曲线为锯齿状，波动较大，浓度值基本在1000以上，区别于正常地段；残留煤柱电阻率表现为高阻，氡浓度则相对较低；浅层地震受地形、地面建筑、过往车辆等干扰，效果不明显，只在个别采空地段出现了同相轴不连续、紊乱的现象，大多地段异常不明显；瞬变电磁法比高密度电阻率法探查深度大，反映了较深部的岩性特征。但受到高压线等外部干扰较大，尤其是靠近村庄时干扰严重，在这些地段的测点不可利用；氡气测量基本不受外部干扰影响，而且可以布置在建筑区，弥补了其它方法无法在建筑区探查的不足，在测点布设时具有特殊的优势；应用多种地球物理勘探方法进行综合勘查，可以互相佐证，综合判断，使解释与推断结果更趋合理和准确。本次物探勘查结果说明，在该区域应用高密度电阻率法、瞬变电磁法和氡气测量对采空区进行综合勘查，可以取得较为明显的探查效果，为灾害的原因分析、判定和治理工作提供可靠的依据。

图3 107线氡气测量剖面图

图4 15线浅层地震剖面图

〔1〕山西省第三地质工程勘查院.山西省泽州县（含晋城城区）地质灾害调查与区划报告[R].2004.

〔2〕山西太行矿业工程技术有限公司.泽州县下村镇下村村西房屋裂缝与采煤地表变形关系勘查报告[R].2008.

〔3〕山西省地质矿产勘查开发局二一二地质队.泽州县下村镇大南庄煤矿2007年度矿山储量年报.泽州县郊北煤矿2007年度矿山储量年报[R].2008.

〔4〕（ISBN7-5020-1662/TD7-65）《煤行管字［2000］第81号》，建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].

Abstract:Based on the geophysics characteristics of mined-out areas,the study used integrated geophysical exploration methods（including high-density resistivity method,transient electromagnetic method,seismic exploration and radon measurement）to detect the location and range of the mined-out areas and achieved an ideal detection effect.The paper points out that the combination of two methods or more can achieve the optimum mutual complementation and improve the interpretation accuracy of geophysical exploration.

Keywords:comprehensive geographical exploration;mine;mined-out areas

编辑：刘新光

Comprehensive Geophysical Exploration in Mined-out Areas around Xiacun Village Zezhou County

LIU Jian-guo1,JIN Yue-wen2,CUI Chun-xiang2
（1.Zezhou municipal land and resources bureau,Jincheng Shanxi 048000,China 2.The 3rd branch of china metallurgy geological bureau,Taiyuan Shanxi 030002,China）

P624

A

1672-5050（2010）04-0051-04

2010-01-28

刘建国（1970—），男,山西泽州人，大学本科，工程师，从事矿山地质环境恢复治理和矿山资源管理工作。