0   引言

随着城市建设进程的加速，土地资源越来越稀缺，采空区场地用于工程建设的情况时有发生，但采空区顶板崩落会引起地面沉降、裂缝和塌陷^[1]以及采空区存在的残余变形^[2]，诸多不良地质作用易导致建筑地基受损破坏。所以，采空区场地在工程建设之前应进行勘察工作，以查明采空区上覆岩层的稳定性，判定其作为工程场地的适宜性^[3]。煤矿采空区主要是人为采煤活动形成的，有的采空区埋藏深度大^[4]，虽然钻探成果可靠性强，能够准确地反映采空区的存在，但其成本高、耗时长，且不能全面地反映勘察区域的采空区分布状况^[5]，完全依靠钻探手段是不适宜的。国有大型煤矿采空区的资料齐全，可不进行物探，只进行采矿调查即可，而大多小煤窑的开采年代久远，且多为无序开采，资料缺乏，因而给建设场地的工程地质勘察带来了困难^[6]，小煤窑采空区应进行必要的物探工作，明确采空区范围、埋深、大小、上覆沉积物类型、断裂构造位置、岩层厚度等情况，物探方法选择时需要结合采空区的具体情况而定^[7]。隋宏岩^[8]等采用瞬变电磁法进行采空区判定，经钻孔验证效果较好。李家春^[9]和冉云^[10]通过工程实例说明了高密度电法在采空区勘察中的应用可行性和合理性。周学明^[11]和陈成申^[12]利用地震勘探方法探明了采空区的位置和特征。单种物探方法只能对探测目标体的某一方面属性做出解释，由于物探本身的多解性^{[13, 14]}，所做出的结论有很大的不确定性。大量研究成果^[15-20]表明，应采用综合物探技术查明采空区的分布，并通过钻探验证其可行性和合理性，综合物探技术已成为解决采空区工程地质勘察的首选技术。

济南市章丘区煤炭资源丰富，开采历史悠久，开发利用程度高，但规模较小，大部分为小型矿山，多有小型滥采煤矿采空区分布^[21-25]，对地质环境造成了一定程度的破坏，引发采空塌陷、伴生地裂缝地质灾害等，给当地居民造成了较大损失。本文结合工程实例，运用多种物探方法对煤矿采空区进行勘察，查明了建设场地采空区的分布情况，并利用钻探验证了物探结果的可靠性。

1   工区的地质和地球物理特征

1.1   工区地质概况

济南市章丘区属于鲁中山地和山前倾斜平原过渡地带，地势南高北低、东高西低。南部主要是太古界泰山群变质岩组成的低山丘陵地形；中部为古生界寒武、奥陶系灰岩组成的低山丘陵地形，地势陡峭，沟谷纵横，山区地形因受岩层产状的影响，单面山地形较多，一般南坡陡，北坡较缓；北部地势平缓，明水街道附近基本上已过渡为山前倾斜平原，其上发育有南北向冲沟。

工区位于章丘区的北部，属山前冲洪积平原地貌单元，地貌类型单一，地形起伏变化小，区内大部分地段较为平坦，总体呈现南高北低的特点（图1）。根据区域地质资料和前期钻探成果，按地质年代划分的工区地层岩性详见表1。

图  1  区域地质构造图

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表  1  地层简表

界	系	群	组	岩性描述
新生界	第四系			由冲积、坡积成因的砂、砾石、砂质黏土组成，厚度0～100 m。
	新近系	黄骅群	巴漏河组	上部为灰白色块状结晶灰岩、灰质泥岩，中部为灰白色含砾灰岩、疙瘩状泥灰岩，下部为黄色砾石层，厚度一般20～30 m。
中生界	三叠系	石千锋群	孙家沟组	以紫红色砂岩、粉砂岩为主，夹少量灰绿色、灰白色砂岩、粉砂岩。下部夹紫红色安山质岩屑凝灰岩及凝灰质砂岩，底部有一层20 m厚的紫红色砂砾岩、砾岩。厚度120～560 m。
古生界	二叠系	石盒子群	孝妇河组	上部以页岩为主，夹多层砂岩，岩石紫红色调较多；下部为黄色、灰色页岩，夹少量砂岩、粉砂岩。
			奎山组	底部主要为灰白色中粒砂岩、细砂岩，夹薄层粉砂岩及粘土岩，厚度60～150 m。
			万山组	岩性为灰绿色粘土岩、泥岩、细砂岩、粉砂岩。顶部为“A层”铝土，底部为“B层”铝土。厚35～210 m，产单齿、蕨类植物化石。
			黑山组	岩性为粉砂岩、细砂岩及杂色粘土岩，夹杂色泥岩，厚95～125 m，产大量蕨类植物化石。
	石炭系	月门沟群	山西组	以陆相砂岩、粘土岩、泥岩为主，含煤4～6层，厚90～140 m，平均130 m，产大量蕨类植物化石
	二叠系		太原组	以海陆交相为主，由泥岩、砂岩、石灰岩及煤层组成，含煤12～16层，石灰岩7层，厚约205 m，产腕足、蜓类、海百合茎等动物化石，产科达、鳞木等植物化石。
			本溪组	以杂色粘土岩、泥岩、铝土岩为主，厚约15 m，底部为“G层”铝土岩。

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1.2   工区地球物理特征

根据该区域获取的岩、矿石电性特征得知，区内第四系岩性主要为粘土、粉质粘土，部分地段地表有素填土及碎石，粘土、粉质粘土电阻率较低；第四系以下为二叠系，岩性主要为泥岩、砂岩，泥岩电阻率相对较低，砂岩电阻率相对较高；石炭系的砂泥岩、灰岩位于二叠系之下，砂岩电阻率较低，灰岩电阻率最高，是评估区内地层划分的明显标志。正常情况下，地层在完整无破碎时其横向上电性相对均一、差异较小，但随着同一地层破碎和积水程度的不同，电性曲线上其与围岩相比有明显的异常点和畸变点；当岩层因为采矿而造成采空，引起上覆地层塌陷时，电阻率就会迅速变化，不充水采空区的电阻率明显高于同岩层的电阻率；充水采空区的电阻率明显低于同一层位岩层的电阻率。工区具备开展地球物理勘探的前提条件，主要地层的电性参数见表2。

表  2  地层电性参数表

地质年代	地层名称	电阻率值/Ω·m
第四系（Q）	黄土、砂质粘土	10～40
二叠系（P）	砂岩	372
	泥岩	20
	煤层	340
石炭系（C）	石灰岩	370
	砂岩	160
奥陶系（O）	石灰岩	>960
断层破碎带	含、导水	30～50
	不含、导水	相对同地层高一个级次

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2   物探方法选择及工作参数

工区地质条件较复杂，采空区埋深较大，但地形条件相对简单，在充分调研和论证的基础上，优先采用综合物探技术，经分析该区地质资料及地球物理特征，采用瞬变电磁测深法和可控源音频大地电磁法进行探测。在施工过程中，辅助以地面调查工作，为地面物探的资料解释及成果分析提供可靠的地质资料。

2.1   瞬变电磁法

瞬变电磁法（简称：TEM法）是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该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，从而解决有关地质问题的时间域电磁法。瞬变电磁法的激励场源主要有2种，一种是载流线圈或回线，另一种是接地电极，使用较多的是回线场源^[26-27]。发射的电流脉冲波形主要有矩形波、三角波、半正弦波等，不同波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不相同。

本次瞬变电磁测深选用大回线装置，具有测深测量和横向分辨率高的优点，理论上其勘探深度受地层电性条件和最晚有用信号时间的影响，实际生产中发射电流波形和装置的形式对数据质量和勘探深度影响更大。使用的仪器为加拿大Geonics公司生产的PROTEM瞬变电磁仪，瞬变电磁工作使用300 m×300 m发射线框，发射基频25 Hz，发射电流15 A。

2.2   可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法（CSAMT）基本原理是以有限长接地电偶极子为场源，在距偶极中心一定距离处同时观测电、磁场参数的一种电磁测深方法。本次物探勘察采用赤道偶极装置进行标量测量，同时观测与场源平行的电场水平分量E_x和与场源正交的磁场水平分量H_y；然后利用电场振幅E_x和磁场振幅H_y计算视阻抗电阻率ρ_S；观测电场相位E_P和磁场H_P用以计算视阻抗相位φ，用视阻抗电阻率和视阻抗相位联合反演计算可控源反演电阻率参数；最后利用可控源勘探反演的电阻率进行地质推断解释。

测量仪器采用加拿大凤凰地球物理公司研制的V8多功能电法勘探系统。

3   物探成果解译

3.1   物探解译原则

物探解释时遵循以下原则：遵循从已知到未知、从点到面、从简单到复杂、从局部到全局的原则。综合研究评估区地质、岩性、水文及工程施工等因素，结合物探测量成果，以地电对比作为划分掩盖区地层的主要依据，当采空区存在时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。物探工作在资料解释时还应遵循以下原则：

1）相对异常原则：由于影响砂岩以及采空区电阻率高低的因素较多，如采空区不同年代、不同层位、塌陷、冒落程度、充填水情况等，其电性特征均可表现出相对高阻或低阻差异。在解释过程中应特别注意弱异常的特征和规律，根据实际情况和异常特征综合分析，确定勘探区的电磁异常响应特征及规律。

2）相关性原则：由于勘察工作是按一定的工作网度开展的，相邻剖面异常具有一定的相关性，利用其相关性可进行采空区分布特征推断。

3）采空区异常形状原则：采矿为人为活动，其采掘具有一定规律，采空区及巷道分布因此也有一定的规律，故异常特征及分布亦有一定的规律性。

4）地层电性参数可由已知点瞬变电磁测深曲线反演计算的平均值作为地层物性参数结果，同时要掌握全区地层物性参数的纵、横向变化规律。

5）充分研究目的层、目标物及相关地层的对应物性标志，并注意各标志的纵、横向联系。

6）在定性解释的基础上，分析各种地质特征在多参数图件上所表现出的响应，为进一步的电法资料解释建立基础。

3.2   物探成果

根据地质资料和场地因素情况，物探沿工区NS向及EW向按40 m×10 m测网完成瞬变电磁测深剖面23条，测深点766个，后根据瞬变电磁测深初步测定结果使用可控源音频大地电磁法进行验证对比，完成测深剖面16条，测点578个。选择有代表性的12^#和18^#剖面物探成果对比分析。

3.2.1   12^#剖面测试成果

12^#物探剖面位于工区北部，TM12瞬变电磁法剖面方位角为9°，长度210 m，测深点22个；CS12可控源音频大地电磁剖面和TM12位置重合，长度210 m，测深点22个。物探测试结果见图2。

图  2  12^#剖面物探测试结果对比图

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通过分析瞬变电磁法剖面TM12（图2a）和可控源音频大地电磁剖面CS12（图2b）可知，2个剖面整体视电阻率均从上到下呈“高-低-高”形态反映，剖面平距1560～1740 m、深度−60～−240 m范围内视电阻率等值线较其他区域呈明显的低阻异常，低阻异常由南往北越来越深，异常中心电阻率约10 Ω·m，符合采空区的电性特征，推断为4层煤的采空区及其三带异常的电性特征反映；剖面平距1630～1640 m范围内视电阻率等值线呈不连续断面倒“V”字形上凸，符合断裂构造的电性特征，推断为F17分支断裂的异常反映；剖面平距1690～1710 m范围内视电阻率等值线呈不连续断面，符合断裂构造的电性特征，推断为F15断裂的异常反映。

通过2种方法的对比分析可知，2种方法视电阻率变化趋势接近，采空区和断裂的电性特征明显，但二者异常反映略有不同，采空区区域视电阻率等值线常呈现明显的低阻异常，且区域上方有明显的弯曲带异常，而断裂破碎带区域视电阻率等值线常呈不连续断面。2种方法视电阻率总体范围变化不大，吻合较好，互相验证，说明采集资料可信度较高，对于略有出入的地方推测是由于地面磁场对瞬变电磁法视电阻率影响较敏感引起的。

3.2.2   18^#剖面测试成果

物探剖面位于工区中部，TM18瞬变电磁法剖面方位角为99°，长度470 m，测深点48个；CS18可控源音频大地电磁剖面和TM18位置重合，长度470 m，测深点48个。物探测试结果见图3。

图  3  18^#剖面物探测试结果对比图

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通过对瞬变电磁法剖面TM18（图3a）和可控源音频大地电磁剖面CS18（图3b）分析可知，2个剖面整体视电阻率均从上到下呈“高-低”形态反映。剖面平距1 000～1 470 m、深度−130～−250 m范围内视电阻率等值线较其他区域呈明显的低阻异常，异常中心电阻率约10 Ω·m，符合采空区的电性特征，推断为9层煤的采空区及其三带异常的电性特征反映。

通过2种方法的对比分析可知，2种方法视电阻率变化趋势接近，采空区异常反映略有不同，瞬变电磁法视电阻率等值线低阻异常相对较明显，表现为采空区呈现不连通状（图3a），但是视电阻率总体范围变化不大，吻合较好，互相验证，说明采集资料可信度较高，对于略有出入的地方推测可能是由于地面磁场对瞬变电磁法视电阻率影响较敏感引起的。

4   钻探验证

通过分析区域地质资料及物探结果可知，工区存在浅部采空区，为揭露和控制区内地层，揭示场区内低阻区的地质特征，查明采空区的分布情况，结合有关规范^[28]，在物探异常区布置钻探验证孔2个，ZK1位于18^#剖面线1 050 m处，ZK2位于12^#剖面线1 650 m处。根据钻探揭露情况，工区地层由新至老为第四纪、上二叠统上石盒子组、下二叠统下石盒子组、下二叠统山西组、上石炭统太原组、中石炭统本溪组、中奥陶马家沟组。岩性以泥岩和砂岩为主。各钻孔揭露情况如下：

1）ZK1钻孔：该孔钻探总进尺155.0 m，自上而下揭露了第四系土层、上石炭统太原组的砂质泥岩、砂岩。在150.0～151.0 m处揭露采空区，该层钻进过程中出现循环水不返水、进尺快、易埋钻现场，取出岩芯破碎、局部无岩芯，见少量煤碎块，结合资料分析，该钻孔揭露的采空区为9层煤采空区。岩芯见图4。

图  4  ZK1钻孔岩芯（146～155 m）

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2）ZK2钻孔：该孔钻探总进尺120.0 m，自上而下揭露了第四系土层、二叠统石盒子群万山组和上石炭统太原组的砂质泥岩、砂岩。在100.4～102.3 m揭露采空区，该层钻进过程中出现循环水不返水、进尺快、易埋钻现场，取出岩芯破碎、局部无岩芯，见少量煤碎块，结合资料分析，该钻孔揭露的采空区为4层煤采空区。岩芯见图5。

图  5  ZK2钻孔岩芯（96～105 m）

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根据钻探和物探结果对比分析（表3），钻孔揭露的煤层采空区与物探结果相吻合，验证了物探成果的有效性。

表  3  物探与钻探成果对照表

钻孔号	钻探揭露 采空埋深/m	瞬变电磁法 异常区/m	可控源音频大地 电磁法异常区/m
ZK1	150.0～151.0	130～220	130～220
ZK2	100.4～102.3	70～150	70～150

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5   结语

采用瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法，推测出了煤矿采空区的位置、深度和规模，基本查明了采空区的分布情况，通过对物探异常处进行钻孔验证，两者结果基本吻合，表明应用瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法对煤矿采空区进行勘察是行之有效的。由于瞬变电磁测深体积效应较大且有50～60 ｍ的盲区存在，可控源音频大地电磁法在市区范围内受周边电磁干扰较明显，且2种方法分辨率对部分不成规模采空区、竖井和防空洞等反映不明显，尤其是对浅部地层规模较小的的地质构造等尚待查明。