煤矿经过地下开采工作后,会留下大面积空洞,形成采空区,其上覆岩层主要靠矿柱等支护设施维持应力平衡^[1],当某些矿柱实际强度低于设计承载能力或因长期处于地下水浸泡,在泥化、软化或受复采爆破震动等因素影响下,就会遭到破坏,进而改变采空区顶板的稳定平衡状态,此时会引起采空区上覆岩层发生形变,使形变区向周围蔓延,最终导致地面出现裂缝、沉降、塌陷等。

辽阳市下辖灯塔市铧子镇—西大窑一带就处于这种地质现状下^[2]。20世纪后期该矿区煤炭资源就已濒于枯竭,主要是私营矿企在残采区复采,以巷道采掘为主,向两边无规律开挖支巷道,多呈网格状,上下多层重叠交错,采宽范围较窄,高、宽一般为2~3 m,甚至更小,大多不支撑或临时支撑。由于开采深度较浅,地表变形剧烈,大多形成塌陷坑和地裂缝,给居民生命财产安全和生态环境造成极大的破坏^[3]。因此,准确地查明矿区内采空区的位置和深度,有助于为地质灾害的预防和治理提供可靠的依据。

目前,国内探测和评价采空区的主要物探方法一般包括电磁法、高密度电法、浅层地震法等,近年来也有部分同行探索了重力、微重力法在采空区调查的效果^[4⇓⇓-7]。但是小窑一般的开采方式为以掘代采,采空区面积较小,尤其在人文活动、电磁干扰、地形地质条件复杂的地区,很难准确勘查^[8]。本次研究区位于村庄及周围,存在诸多不利因素,综合考虑选择了重力法、高密度电法、浅层地震法等物探手段,并通过布设钻探进行了验证。

工作区茨山村北距铧子镇约3 km,南距西大窑镇约2 km,交通方便。区内地势东高西低,地貌类型东部为铧子岭剥蚀构造低丘,走向南北为单斜山,最高点海拔136 m,西部为剥蚀堆积山前倾斜平原,地势平坦,微向西倾斜,海拔标高约60~80 m,由坡洪积粉质黏土和亚黏土组成。区内出露的地层主要为古生界石炭系太原组,二叠系山西组、下石盒子组和新生界第四系。

岩性由老到新分别为:石炭系太原组(C₃t)岩性主要为砂岩、页岩、炭质页岩夹层。岩层产状为走向NE20°,倾角NW约275°。含煤9层,地层总厚87 m。二叠系山西组(P₁s)呈整合覆于石炭系太原组之上,岩性为石英砂岩、细粒石英砂岩,岩层总厚104 m,上部为含煤段,主要为灰黑色石英砂岩、黑色炭质页岩。据原灯塔市煤矿勘探资料,在区内该组岩层中含煤5~6层。下石盒子组(P₁x)整合覆于山西组地层之上,主要岩性为砂岩与页岩、粉砂岩互层,风化强烈破碎,区内厚度25 m左右。第四系大面积分布于勘查区的西部、东部山前平原。主要岩性为坡洪积粉质黏土和黏质砂土,粉质含量较高,含零星小砾石、碎石。据前人钻探揭露,东部山前厚6~11 m,西部厚20 m左右。

构造方面,工作区处于辽东山地与平原的结合部,区域构造体系属辽阳莲花状构造的次一级构造铧子沟向斜的西翼。岩层向西缓倾,地表因被松散层覆盖断裂构造不清。

煤层被开采后会形成“三带”,即冒落带、裂隙扩展带、弯曲变形带^[8]。当应力平衡被打破后,上覆岩层会向下发生错动形变,形成裂隙发育区域的裂隙扩展带。采空区的冒落带和裂隙带根据富水程度、垮塌程度等会形成多种不同的地球物理特征。

采空区上覆岩层发生变形破坏,裂隙带会有地下水沿裂隙、空洞渗漏汇集,冒落带会有松散物质填充,致使采空区岩土体密实程度、含水程度产生差异,形成不同的地球物理特性:基底为完整稳定基岩,岩体密实;采空区为松散堆积物,导水性强。原始地层物性发生改变,与围岩相比形成质量亏损^[6-7],满足重力勘探所需的密度差异。

煤层开采后形成的“三带”破坏了原始地层在横向上电阻率均匀分布的特性^[8],当裂隙带上的大量空洞和裂隙区域不充水时,相对围岩一般表现为高电阻率的特征,若地下水沿裂隙汇集并赋存,则采空区及其上覆松散裂隙带在地电断面上会呈现低阻特征。根据这种较大的电性差异进行电阻率法工作,符合存在明显电性差异的地球物理勘探前提。

含煤地层在开采前,煤层顶板的波速和密度与围岩之间具有较大的差异,能够形成一个良好的波阻抗界面,产生较为明显的反射波,可用于追踪识别煤层反射面,为地震勘探提供了良好的前提条件。当煤层开采后的采空区发生塌陷,原有的波阻抗界面会发生明显的畸变和破坏^[1],地震时间剖面表现为反射波同相轴的弯曲、中断或缺失。因此反射波组的紊乱或畸变,可以作为识别采空区的主要依据。

本次采空区工作部署思路为:由大比例尺重力测量确定采空区的边界范围,由高密度电阻率法及浅层地震反射波法对异常的深度、规模进行更细致的划分,由钻探对发现的异常进行验证。

在研究区内首次选用高精度重力测量法进行采空区探测,从茨山村、芦屯到东南侧山腰布置重力测线21条,线距50 m,点距10 m,走向NW。重力测量仪器采用加拿大Scintrex公司制造的CG-5全自动陆地重力仪,该重力仪测量过程中对读数自动进行漂移改正、倾斜改正、地震滤波、温度补偿等,仪器分辨率为1 μGal。根据收集资料显示,工作区3煤厚度为0.10~2.34 m,顶板埋深100 m左右,密度差约0.3~2 g/cm³,据此建立长方体模型,经正演计算得出其引起的重力异常在仪器测量的精度范围内。实际测量完成后由布格、地形、正常场改正值经过总精度公式^[6]计算后,得到本次工作布格重力异常总精度为0.008×10^-5 m/s²。

由布格重力异常(图2)可见,区内重力区域背景场形态总体表现为重力梯级带反映,布格重力异常特征表现为北西高南东低的分布特征,布格重力异常值范围为(-51~-48)×10^-5 m/s²。根据地质情况分析整体地层的产状向东倾。引起正值异常的原因可能为重力异常反映深部综合的信息,而浅部采空区引起的异常并未在整体异常图中产生明显的指示。

为能够从布格重力异常中凸显地下采空区所产生的异常,对布格重力异常进行了场分离处理来求取剩余重力异常。国内外学者已经提出趋势分析法、滤波法、窗口法、高次导数法、解析延拓法等诸多场分离方法,不同的方法处理效果略有差异,在实际应用中,需对比选取最适合的方法进行处理。经初步处理对比后,本文最终选择窗口滑动平均法进行处理,采用的小窗半径为100 m×100 m,大窗半径为300 m×300 m,求取的剩余重力异常结果如图3所示。经过处理后的剩余重力等值线图,异常形态发生改变,推断的低密度异常区位置与已发现的地表沉陷区相符,沉陷区皆出现在负异常带中,说明处理方法获得的结果是可信的。

根据工况条件,从村庄到山腰共布设了高密度电法剖面11条,点距12 m,其中NW向剖面8条,NE向剖面3条。仪器采用美国AGI公司制造的SuperSting R8高密度电法仪,80道分布式电缆和不锈钢电极。

图4为高密度电法L3线视电阻率反演断面,地表下13 m以内皆为低阻,视电阻率<20 Ω·m,推断为地表粉土、粉质黏土层。根据反演断面图显示,L3线存在3处低阻异常,在剩余重力异常图上为低密度体反映,符合采空区异常特征,推测为采空区引起。Ⅰ号异常区位于测线435~540 m、深度37~74 m之间,视电阻率值约为39~69 Ω·m左右;Ⅱ号异常位于测线645~765 m、深度32~97 m之间,视电阻率值约为32~105 Ω·m左右;Ⅲ号异常位于测线1 000~1 070 m、深度26~60 m之间,视电阻率值约为10~42 Ω·m左右,该异常未封闭,还有向下延伸的趋势。Ⅰ号异常区和Ⅱ号异常区上方都有较薄的高阻层覆盖,结合工作区的地层、物性及钻孔情况分析,推测为原岩性为泥岩、细砂岩及粉砂岩由于下部煤层采空,部分地层发生沉降,导致的电性反映不均匀。

为验证异常在L3线720 m处布置钻孔,钻孔施工中发生两次掉钻,约为2 m,进一步证实了采空区的存在。但高密度电法剖面图显示的低阻异常区深度范围比采空区要大,推测是由于采空区上方冒落带和裂隙带充水,因矿化度较高,其电阻率整体呈低阻反映。因此采空区深度应根据钻孔进一步校正。

在茨山村中部及东侧农田布设浅层地震剖面3条,其中NE向2条,NW向1条,测线主体部分基本与重力测量和高密度电法工区重合。浅层地震仪器采用美国GEOMETRICS公司制造的Strata Visor NZXP专业型高精度地震仪。使用落锤式震源,落锤自重50 kg,离地高度1 m,采用单边激发单边接收的6次覆盖观测系统,48道接收,偏移距0 m,道间距3 m,采样间隔500 μs,记录长度1 000 ms。

地震剖面中,同一反射界面的反射波组应具有强振幅特性和同相轴的连续性,而采空区内的反射波组会出现同相轴断裂、缺失或振幅明显减弱等异常特征^[9]。图5为NE向的DZ03线水平叠加时间剖面,对剖面反射波组进行追踪可得到60~100 ms和110~150 ms范围内的两组振幅较强且连续的反射波(T1、T2波组),再往下一定范围仍有几组反射波,但同相轴连续性较差。T1波组在测线215~290 m和380~470 m之间,T2波组在70~100 m、160~190 m、215~290 m和380~470 m之间分别出现同相轴错断、缺失或振幅减弱等情况,符合采空区异常特征,推断这几段空白区域为采空区引起异常(图5)。

钻孔JCZK2001揭露围岩岩性为粉砂岩、泥岩,煤层波速约为1 300~1 600 m/s,参照钻孔处的采空区两侧的T1、T2波组双程旅行时,估算采空区T1、T2埋深约为42 m和104 m。

为进一步验证以上推断的准确性,在分析收集煤矿资料和物探工作成果后,于重力测量1150线、高密度电法L3线和浅层地震DZ03线交叉位置,布置JCZK2001监测钻孔。在钻探施工过程中,钻进至39.0~40.6 m处突然严重漏水,孔口水位突然消失(浅层煤采空区),掉钻1.60 m;钻进至103.1~105.1 m深度突然严重漏水,孔口水位突然消失(深部煤采空区),掉钻2.00 m。围岩可见部分泥岩煤状光泽,其中47.50 m处和61.20 m处发现完整木块。钻孔验证结果与物探推断结果基本吻合。

1) 煤矿采空区具有多种地球物理异常特征,针对不同的地球物理特征,建议选择多种物探方法对采空区进行综合探测,来减少单一方法局限性带来的影响,提高异常解释的准确度。

2) 初步探索了煤矿采空区探测的地球物理方法组合。可首先利用大比例尺重力测量对采空区分布范围进行识别,利用高密度电法对采空区充水情况和大致深度范围进行判断,利用浅层地震对采空区位置、深度规模进行估算。

3) 物探方法解释出的采空区范围和深度,建议通过在异常位置布设钻孔进行验证。