综合物探方法在山西省长治市煤矿采空区勘查中的应用.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.051综合物探方法在山西省长治市煤矿采空区勘查中的应用（山西省第三地质工程勘察院有限公司，山西 晋中 030600）摘要 为查明振兴小镇旅游发展长远规划用地范围内的煤矿采空区分布情况，采用瞬变电磁法和高密度电法对研究区进行了勘查。结果表明：研究区采空区主要分布在 3 号煤层层位内，埋深为 50耀220 m；存在采空区的部位视电阻率等值线发生扭曲且视电阻率呈相对低阻率，识别性较好；根据综合物探勘查结果，在研究区识别出采空区 3 处，与收集到的开采资料吻合度较好，说明解译成果是可靠的。关键词 煤矿采空区；综合物探方法；瞬变电磁；高密度电法中图分类号P631文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0160蛳 030引言矿产资源的开发与利用是社会经济发展的基础，对国民经济建设意义重大。但是，随着采矿活动与环境保护问题的日益尖锐，如何有效地提高开采矿山保护效果是亟待解决的问题咱员暂。山西省长治市是我国主要的采煤区，为该区域的经济发展提供了能源基础，为社会的煤炭需求提供了保障。采矿活动的持续进行，形成了较多的采空区，虽然进行了良好的矿山恢复治理工作，但是对周边的土地资源利用程度稍显不足咱圆暂。因此，为确保振兴小镇旅游规划及建设顺利推进，采用瞬变电磁法和高密度电法对规划区内的采空区进行勘查，为进一步优化开发设计提供依据。1研究区地质及主要煤层概况研究区位于吕梁-太行断块的南东沁水块坳南部之晋获褶断带东侧，区域构造较发育，构造迹线与地层走向一致，均呈北北东向咱猿暂。研究区出露地层较简单，由老至新依次为：中奥陶统峰峰组泥质灰岩，为煤层的底板；中石炭统本溪组泥岩，是“山西式铁矿”的主要赋存层位；上石炭统太原组含煤建造，是区域主要的含煤地层；下二叠统山西组含煤建造，是区域主要的含煤地层，如 3 号煤层是该层位中的主要可采煤层；下二叠统石盒子组砂质泥岩；上二叠统上石盒子组细砂岩等。研究区主要出露的含煤地层为下二叠统山西组 3 号煤层和上石炭统太原组 9 号、15 号煤层，各可采煤层特征如表 1 所示。表 1研究区主要可采煤层特征含煤地层煤层编号煤层厚度/m煤层间距/m煤层结构煤层稳定程度可采情况最小 最大平均最小 最大平均矸石层数/层类别山西组34.505.104.811简单稳定全区可采太原组90.501.200.810简单不稳定局部可采152.705.654.1003简单稳定全区可采顶底板岩性顶板底板砂质泥岩泥岩砂岩泥岩泥岩、灰岩泥岩71.6594.8975.3534.7237.9035.60（1）3 号煤层。是研究区最为主要的可采煤层，俗称“香煤”。该煤层的底板为泥岩，顶板为砂质泥岩；煤层厚度较大，厚度稳定，一般厚度为 4.55.1 m，平均厚 4.81 m，厚度大、全区发育、全区可采之稳定煤层，属于厚煤层。此外，该煤层普遍含 1 层碳质泥岩夹矸，夹矸厚 0.300.40 m，结构简单。（2）9 号煤层。该层位于上石炭统太原组中部，俗称“半香煤”。顶板为砂岩，底板为泥岩。上距 3 号煤层 75.35 m，煤层厚 0.501.20 m，平均厚 0.81 m，结构简单，属全区发育、局部可采煤层。（3）15 号煤层。位于上石炭统太原组下部，俗称“臭煤”。顶板为灰岩、泥岩，底板为泥岩。上距 9信息技术能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41602023 年 8 月Aug.,2023号煤层 35.6 m；煤层厚 2.705.65 m，平均厚 4.10 m，为厚煤层，结构简单，属全区发育、全区可采之稳定煤层。另外，含 03 层碳质泥岩夹矸，夹矸厚 0.200.55 m。2研究区采空区分布概况根据对研究区现场调查以及资料收集整理分析，在勘查区内存在原窑口 6 处，现阶段均处于关闭状态。资料显示：勘查区北部的核准开采煤层为3 号煤层，15 号煤层为配采煤层。山西长治县雄山煤炭有限公司对 3 号煤层正在开采，15 号煤层处于建设阶段（尚未开采）；勘查区中部区域属于山西长治联盛西掌煤业有限公司，核准开采 3 号和 15号煤层，已形成 3 个工作面和 1 个正在开采的工作面，勘查区南东侧为山西长治县振兴煤业有限公司的开采范围，核准开采煤层为 15 号煤层，但由于开采区域位于勘查区南侧，故在勘查区内不存在采空区。综上所有，本次综合物探方法主要核查 3 号煤层间的采空区。3地球物理特征为准确有效地查明研究区深部采空区的分布范围，根据研究区已有钻孔测井资料，确定了研究区各个地质体的视电阻率变化范围，如表 2 所示。表 2研究区岩、煤层的地球物理特征从表 2 可以看出：煤层与岩层有明显的视电阻率差异。研究区地层物性差异明显，煤系地层的平均电阻率值比非煤系地层的电阻率值高，构成一个电性层，为瞬变电磁法和高密度法勘探提供了充分的物性条件。一般情况下，当煤系地层完整时，岩层视电阻率呈现数值中等、均匀而连续的特征。当其间煤层遭受采空时，由于矿层的缺失，组成与周边岩石差异较大的物理电性特征咱源暂，其等效电性将发生 2 种情况的变化：其一为仅采空而未冒落、塌陷和充水。该情况下，采空区呈现高阻异常特征；其二为采空后发生冒落、塌陷和充水的情形。由于顶板冒落、塌陷后产生的大量裂隙被低阻物质充填，随低阻充填物含量的增加，同样使岩层视电阻率在水平和垂直方向上变得不均匀，采空区呈现低阻异常特征咱5暂。本区使用瞬变电磁法和高密度电法（利用采空区的电阻率异常特征）判断采空区的分布规模等是具备地球物理前提条件的，方法有效可行。4物探成果解译4.1瞬变电磁法成果研究区物探解译采空区分布情况如图 1 所示。图 1 研究区物探解译采空区分布情况根据在采空区布设的 S21、S24 和 S32 瞬变电磁测深剖面，其特征如下：（1）S21 线 TEM 拟视电阻率反演断面图。根据野外调查，S21 线测点 400420 附近存在 1 条较长地裂缝，收集资料显示测点 320420、460600 分别为 2004 年采空区和 2002 年以前采空区，煤层埋深约 110 m。3 号煤位置的视电阻率等值线发生扭曲且呈闭合状相对低阻反映，阻值一般小于 30 m，异常特征十分明显。（2）S24 线 TEM 拟视电阻率反演断面图。根据野外调查，位于 S24 线测点 280360 和 880920 位置地表存在较大地裂缝，相对应地下煤层被采空破坏。视电阻率值在 3 号煤层附近发生了明显的扭曲，总体上呈一椭圆状的低阻闭合曲线。闭合曲线的空间展布形态与煤层采空区的展布形态一致，说明异常特征明显且具有较高的识别性。（3）S32 线 TEM 拟视电阻率反演断面图。根据野外调查，位于 S32 线测点 20360 位置地表存在孟凡兴综合物探方法在山西省长治市煤矿采空区勘查中的应用岩性视电阻率视电阻率变化范围/（m）煤层高100360灰岩最高大于 400砂岩较高40200泥岩较低2090粉砂质泥岩-介于砂岩及泥岩之间第四系松散层较低1050物探工作范围测线及编号采空区及编号测点及编号NS32S24CK2CK3CK3S21S21CK11612023 年 8 月Aug.,2023较大的裂缝，相对应地下煤层被采空破坏。视电阻率值在 3 号煤层附近发生了明显地扭曲，总体上呈一椭圆状的低阻闭合曲线。闭合曲线的空间展布形态与煤层采空区的展布形态一致，可能受构造背斜影响，异常向上偏移，特征较明显。4.2高密度电法拟视电阻率反演断面图根据踏勘和现场了解，研究区 G1 线发现大量沉陷地裂缝，测点 60360 位于 3304、3303、3302 工作面采空区上。同时在 3 号煤层位置的视电阻率曲线发生扭曲，呈相对低阻闭合线圈状位置，二者在空间上具有良好的吻合关系。但是，总体上低阻闭合曲线位于 3 号煤层采空区的上方，可能因采空裂隙发育且坍塌，致使其异常位置出现在 3 号煤层等高线稍微偏上位置。4.33 号煤层顺层切片特征为更进一步研究 3 号煤层采空区在深部的分布特征，对 3 号煤层沿着顺层方向进行了切片处理。由于浅表层视电阻率及地形起伏的影响，视电阻率顺层切片并不与相应深度的地层严格地呈对应关系，只能近似反映该层段的电性特征。通过研究区 3 号煤层顺层切片观测结果显示，研究区西、北部的视电阻率普遍偏低，等值线较混乱，推断 3号煤层基本被采空破坏。此外，通过采空区的异常特征分析，当煤层遭受采空、塌陷等结构破坏，瞬变电磁法和高密度电法视电阻率反演断面图上相应部位出现相对低阻异常，等值线表现为在水平方向上数值降低或升高、急剧转折的情形。非采空区上，测点下方相应部位的电阻率呈现相对中阻特征，等值线平缓。4.4取得的成果结合各测线拟视电阻率等值线断面图等，在研究区初步识别出采空区 3 处，编号为 CK1、CK2、CK3，如图 1 所示。采空区大体分布在勘查区的西部、西北部，总面积约 703 400 m2。其中，CK1 位于勘查区北部，面积较大约 674 100 m2，可靠程度较高；CK2 位于勘查区西部，面积较小约 5 000 m2，可靠程度较高；CK3 位于勘查区西南部，面积较大约24 300 m2。研究区综合物探解译采空区分布特征如表 3 所示。5结论综上所述，本次调查的目标煤层为 3 号煤层，该煤层埋深 50220 m，平均厚度 4.8 m，煤层结构简单，属于全区可采煤层。根据瞬变电磁法和高密度电法测量成果可知，3 号煤层被采空破坏，在 3 号煤层位置附近，视电阻率等值线发生扭曲且视电阻率呈相对低阻率；若 3 号煤层未被破坏，则在 3 号煤层位置附近视电阻率等值线呈较为平缓或近似平行展布。说明本次所选用的物探方法是合理的，解译的成果是可靠的。参考文献1王强，田野，刘欢，等.综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用 J.物探与化探，2022，46（2）：531-536.2张健桥，尹维民，张兴洲.综合物探方法在厚覆盖煤矿采空区探测中的应用 J.地质论评，2021，67（增刊 1）：51-53.3罗霄，许智海，李正胜，等.多参数综合物探方法在煤矿采空区勘探中的应用研究 J.煤炭工程，2020，52（2）：32-37.4任广智，王健.物探技术在崔木煤矿小煤窑采空区积水探测中应用 J.能源技术与管理，2021，46（6）：92-93.5尹红杰.综合物探技术在山西某煤矿采空区探测中的应用研究 D.石家庄：河北地质大学，2016.作者简介孟凡兴（1988-），男，物探与遥感工程师，毕业于河北地质大学（石家庄经济学院）勘查技术与工程专业，长期从事物探与遥感与工作。收稿日期：2022-10-25表 3研究区综合物探解译采空区分布特征采空异常编号异常特征描述备注CK1在 3 号煤层埋深附近，瞬变电磁法和高密度电法视电阻率等值线发生扭曲呈闭合线圈状的相对低阻反映资料显示异常范围内存在 2 个小窑口，编号为 3、4。异常范围内北部存在已知采空区；异常范围内西部和南部存在 3301、3302、3303、3304、3305、3306 已开采的工作面；异常范围内中东部存在已知采空区CK2在 3 号煤层埋深附近，瞬变电磁法视电阻率等值线发生扭曲呈闭合线圈状的相对低阻反映资料显示异常范围内存在已知采空区CK3在 3 号煤层埋深附近，瞬变电磁法视电阻率等值线发生扭曲呈闭合线圈状的相对低阻反映资料显示异常范围内存在已知采空区能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4162