Application of Integrated Geophysical Prospecting Method in Steep Seam Goaf: A Case Study of The Closed Coal Mine in Xishan Area, Urumqi
-
摘要:
城市边缘关闭煤矿遗留下的大量采空区严重威胁生产生活安全，查明采空区的分布情况是进行治理工作的前提和基础。笔者以乌鲁木齐市西山地区关闭煤矿急倾斜煤层采空区为研究对象，综合分析采空区及围岩地质特征、干扰背景，常用物探方法抗干扰性、适用性和局限性，优选高密度电法、微动勘探、等值反磁通瞬变电磁和重力4种方法进行综合物探勘查，在区内查明两条采空区带，向深部延伸50～450 m，均处于充水状态，经钻探验证结果可靠。总结了“低阻–低速”、“高阻–低速”、“低重–低速”等参数组合与采空区不同赋存状况的对应关系，说明笔者提出的方法技术组合可在类似采空区探测中发挥作用。
Abstract:A large number of goafs left behind by the closed coal mines at the edge of cities seriously threaten the safety of production and life. Finding out the distribution of goafs is the premise and basis for governance. This paper takes the goaf of steep coal seam in Xishan area of Urumqi as the research target, comprehensively analyzes the geological characteristics and interference background of the goaf and surrounding rock, the anti-interference, applicability and limitations of common geophysical methods, and selects four methods for integrated geophysical exploration: multi-electrode resistivity method, microtremor survey(MS), opposing coils transient electromagnetic(OCTE) and gravity exploration. Two goaf zones were found in the area, extending 50-450 m to the depth, both in a water filled state and proved reliable by drilling. The corresponding relationship between the parameter combinations of "low resistance low speed", "high resistance low speed", "low weight low speed" and different occurrence conditions of goaf is summarized. It shows that the method and technology combination proposed in this paper can play a role in similar goaf detection.
-
鄂尔多斯盆地东缘古生界致密砂岩气勘探不断突破，自下而上多层位成藏，资源潜力巨大，勘探前景好（郑萌等，2023；张瑶瑶等，2023）。早期勘探目的层主要集中于本溪组、太原组、山西组以及盒8段（王震亮等，2004; 杨华等，2004，2016;兰朝利等，2010；吴颖等，2024），自2021年以来，先后在神84井区以及米33井区石千峰组千5段探明优质天然气藏，获得显著的开发效果，其中米33井日产20.83×104 m3，神84井日产16.18×104 m3，表明千5段具良好的勘探前景。对比鄂尔多斯盆地东南缘以及苏里格等区域石千峰组鲜有成藏的现状，该发现唤起了区域范围内对石千峰组油气勘探的巨大愿景（肖玲等，2022；欧阳明华等，2023）。部分学者对盆地范围内石千峰组沉积环境（张翔等，2009）、沉积相（李君文等，2007；张翔等，2008）及成藏特征（王震亮等，2004；杨华等，2004；李振宏等，2005；闫小雄等，2005; 张清等，2005）已经开展大量的研究工作，但是关于石千峰组砂体发育规模以及储层特征方面的研究少有涉及，研究程度整体偏低。因而，笔者认为结合目前勘探突破，在沉积微相分析的基础上，结合多类型实验手段，总结石千峰组砂岩储层特征，为区域储层研究提供基础资料；同时，对石千峰组千5段开展系统性的砂体发育规模评价分析，可为区域范围开发井的部署提供重要线索。
1. 区域背景
神木气田构造上位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带以西的伊陕斜坡上，构造上表现为西倾单斜的特点（王震亮等, 2004; 闫小雄等, 2005; 杨华等, 2015；唐玮玮等，2022；牛艳伟等，2023）。石千峰组与下伏上石盒子组整合接触，与上覆下三叠统刘家沟组平行不整合接触，为干旱、炎热、氧化的淡水沉积环境（张翔等, 2008）。石千峰组由5个亚段构成，千5段位于底部，神木地区千5段地层厚度约为60～65 m，西南部最大埋深为
1180 m，北东部最浅，约为360 m。2. 沉积旋回与岩石组合特征
千5段纵向上由4个中期沉积旋回纵向叠置，对应两个亚段（千5上亚段与千5下亚段）4个小层，下部3个中期旋回可容纳空间持续增加，顶部旋回可容纳空间缓慢降低（图1），各旋回由底部厚层砂岩与顶部薄层泥岩组合而成。砂岩多呈浅肉粉色-粉褐色，为中厚层-厚层状中-粗粒砂岩或含砾粗砂岩，具丰富的交错层理、平行层理以及冲刷面构造。测井曲线形态以箱形、钟形为主，少量指形曲线，箱形与钟形曲线含量约为60%和36%。由于砂岩中泥质含量变化，箱形与钟形平滑程度不同，泥质含量相对较高的齿状箱形在千5上、下亚段中均占主导，平均厚度约10 m，个别区域厚层箱状砂体可达25 m。为高能河道频繁聚合冲刷而成，呈典型的辫状河道沉积特点。
![]()
图 1 神木气田区域位置图（据赵龙梅等，2023修改）与千5段综合柱状图Figure 1. Location map of Shenmu las field and comprehensive histogram of Qian5 section千5段泥岩颜色以自生氧化色为主，呈砖红或红褐色（图2），与区域石千峰组早期干旱氧化为主的沉积环境一致。表现为中厚层块状，粉砂质含量较高，未见生物扰动或植物叶片化石，为典型的洪泛平原泥质沉积。局部泥岩呈浅灰绿色或杂色混积，暗示千5段沉积期局部干湿气候快速交替，沉积环境动荡加深的水体变化特点。
![]()
图 2 神木地区石千峰组千5段砂岩与泥岩颜色发育特征发育3种类型岩石颜色组合：砖红色为主（a～c）、灰绿色为主（d～f）、混积色（g～i）；a. 砖红色粉砂质泥岩，米160井，1 877.0 m；b. 浅褐灰色含细砾中粗砂岩，双56井，2 298.76 m； c. 浅褐色夹灰色泥质中粗砂岩，米35井，2 000.8 m；d. 浅绿灰色泥砾粗砂岩，米161井，2 298.05 m；e. 浅绿灰色中细砂岩，米44井，1 875.2 m；f. 灰绿色泥质细砂岩，米120井，2 120.8 m；g. 砖红色粉砂质泥岩，米160井，1 877.1 m；h. 浅褐灰色具平行层理粗砂岩，府2，1 728.1 m；i. 褐灰色向浅绿灰色粗砂岩过渡，米160井，1 872.5 mFigure 2. Color characteristics of sandstone and mudstone in the Qian5 member of Shiqianfeng Formation in the Shenmu area3. 砂体发育规模评价
随着油气勘探的逐步精细化，砂体发育规模评价成为开发井部署的重要基础工作，结合露头、测井以及经验公式对神木地区千5段砂体规模进行综合刻画分析，将有效降低开发井的部署风险。
3.1 露头砂体特征
石千峰组露头多为断崖式特征，剖面实测分析难度大。以韩城遽水河石千峰组剖面为例（图3），露头呈EW向展布，垂高近百米，千5段厚层砂体直接覆盖于盒1段紫红色泥岩之上。千5段垂直厚度为66 m，上、下亚段为浅粉色或粉褐色厚层聚合河道砂体，中部中厚层洪泛平原紫红色泥岩。由于剖面出露情况限制，露头范围无法真实反映聚合河道砂体宽度发育规模，仅能对内部单河道砂体提供数据支持。千5下亚段聚合河道砂体中单河道砂体厚度为4～6 m，单期河道宽度主体分布多大于50 m；千5上亚段单砂体厚度为6～8 m，单期河道主体宽度大于100 m。
![]()
图 3 韩城遽水河剖面石千峰组千5段露头聚合河道砂体刻画a. 韩城遽水河石千峰组聚合河道露头；b. 韩城遽水河石千峰组聚合河道露头河道砂体刻画Figure 3. Characterization of the aggregate channel sand body in the Qian5 Member of the Shiqianfeng Formation of the Qushui river section in Hancheng3.2 用经验公式推断砂体特征
经验公式法不受露头出露情况以及地貌特征限制，因此对于井下河道规模发育评价具有重要参考价值。在早期地质学曲流河宽度规模评价（Collinson, 1977）的基础上，辫状河聚合河道宽度以及单砂体宽度计算方式获得了广泛认可。主要包括4个参数：
h=1.1L（Shanley, 2004）； （1）
CWB=45.76h1.52（Bridge et al., 1993）； （2）
Wm=12.1h1.87（Robinson et al.，1997）； （3）
F=W/h （Schumm, 1960）。 （4）
式中：h为水深m（考虑10%的压实）；L为河道单砂体最大厚度；CWB为辨状河河道带宽度；Wm为辫状河河道平均单砂体宽；F为单河道的宽深比。
结合计算公式1～4，在测井曲线砂体分析的基础上进行沉积期水体深度以及河道宽度分析（表1）。千5段单砂体宽度主体分布区间为100～350 m；聚合河道带宽度主体分布区间为240～700 m，沉积水深为2 ～5 m。与露头单砂体厚度所反映的沉积水深基本一致。
表 1 砂体宽度与聚合河道带计算数据表Table 1. Calculation data for the width of single sand body and aggregate channel sand body单砂体厚度（m） 单砂体宽度（m） 聚合河道带宽度（m） 厚度频率（次） 0～2 0～100 0～240 1 969 2～4 100～350 240～700 2900 4～6 350～750 700～ 1300 1776 6～8 750～ 1250 1300 ～2 0001037 8～10 1250 ～1 9002 000～ 2800 525 ＞10 ＞1 900 ＞ 2800 277 3.3 密井网砂体解剖特征
神木气田早期油气勘探积累了大量的钻、测井资料，局部开发井密度大，井距小，为井下砂体规模评价提供了便利。在经验公式计算基础上，结合密井网解剖可更准确的分析砂体规模，为后续的开发提供详实的线索。以双44井区东西向开发井剖面为例（图4）（剖面位置见图1），近垂直河道砂体在上、下亚段中表现形式差异较大。千5下亚段主要为箱状下切堆叠型与离散堆叠型聚合河道为主，纵向厚度变化大，聚合河道宽度为700～
3200 m；千5上亚段河道砂体相对孤立，聚合河道宽度延伸显著降低，主体分布区间为600～1000 m。结合多区域开发井井网砂体剖面刻画（图5），千5段上、下亚段单砂体厚度基本一致，主频范围为2～6 m。聚合河道砂体宽度变化大，千5上聚合河道砂体宽度以800～1200 m范围为主，千5下亚段主要分布区间为1200 ～1600 m。![]()
图 4 神木气田双44井区EW向开发井剖面砂体刻画Figure 4. Sand body characterization of the east-west well profile in Shuang44 well area of Shenmu Gas Field![]()
图 5 神木气田石千峰组千5段密井网砂体刻画数据分布特征Figure 5. Distribution characteristics of dense well network sand body characterization data in the Qian5 section of the Shiqianfeng Formation in Shenmu Gas Field4. 储层特征
4.1 岩石学特征
对石千峰组千5段4个小层进行岩石学特征分析，砂岩类型以岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主（图6）。石英平均含量为48.7%；长石平均含量为18%，最高达43%；岩屑含量整体偏高，10%～68%，平均为19%，以火山岩岩屑、变质砂岩、石英岩以及千枚岩为主，不同矿物成分含量在平面上差异较小。
![]()
图 6 神木气田石千峰组千5段砂岩成分三角图Ⅰ.石英砂岩；Ⅱ.长石石英砂岩；Ⅲ.岩屑石英砂岩；Ⅳ.长石砂岩；Ⅴ.岩屑长石砂岩；Ⅵ.长石岩屑砂岩；Ⅶ：岩屑砂岩Figure 6. Triangle diagram of sandstone composition in the Qian5 member of the Shiqianfeng Formation in Shenmu Gas Field4.2 填隙物特征
千5段砂岩碎屑颗粒之间填隙物以硅质、钙质、以及黏土矿物为主，见少量浊沸石局部富集（图7）。黏土矿物平均含量约为8.7%，最高达30%（图7），主要为绿泥石和凝灰质杂基（图8），其次为高岭石和铁泥质，绿泥石多以绿泥石膜的形式存在，少量全充填原生粒间孔；铁泥质与凝灰质多全充填原生粒间孔。硅质胶结物平均含量为2.4%，最高约为9.8%，半充填原生粒间孔；钙质呈镶嵌状胶结全充填孔隙的特点，平均含量为2.6%，最高为16%。浊沸石含量少，仅局部富集，因此较难进行统计分析。
![]()
图 7 神木地区石千峰千5段填隙物含量特征Figure 7. Characteristics of interstitial material content in Shiqianfeng Qian5 member of Shenmu area4.3 储层物性与孔隙结构特征
高压压汞数据分析表明千5段砂岩最大孔隙度达16.8%，平均孔隙度为10.6%，平均渗透率为1.42 mD，与神木地区其余砂岩储集层位对比，具备较好的物性条件（图9）。千5段高物性条件储层多集中分布于低可容纳空间聚合河道砂体底部，即箱状和钟状测井曲线底部，向旋回顶部泥质成分逐渐增多，物性逐渐降低。神木地区受晋西挠褶带附近断裂构造影响，千5段砂岩渗透率高值较为突出。
![]()
图 9 神木地区主要储集层段砂岩物性特征对比a.孔隙度箱状图，箱体为25%～75%孔隙度分布区间，标注数字为孔隙度均值；b.渗透率箱状图，菱形箱体为25%～75%渗透率分布区间，标注数字为孔隙度均值和中位值Figure 9. Characteristics of sandstone porosity and permeability in the main reservoir sections of the Shenmu area千5段砂岩以原生粒间孔为主要的储集空间（图8a），多为未充填原生孔隙，少量半充填孔；黏土矿物晶间孔含量少，以绿泥石晶间孔为主，其次为少量高岭石晶间孔，部分黏土矿物孔隙疑似为早期矿物颗粒溶孔（图8c）。溶蚀孔隙发育含量较少，主要为长石颗粒溶孔（图8c），少量胶结物溶孔（图8k），溶蚀程度均较弱。结合核磁共振对系列储层进行孔隙大小分析，千5段砂岩孔隙以微米孔隙（1～40 μm）和纳米孔隙（1 μm～100 nm）为主（图10、图11）。渗透率低于0.1 mD时，以纳米孔为主，大于0.1 mD时，微米孔隙含量增加，孔隙度大于9%时，以微米孔隙为主，含少量纳米孔隙。结合压汞数据将神木地区千5段砂岩储层细分为4类（图10）：Ⅰ类储层，裂缝–孔隙型储层，微米级孔隙，孔隙度大于10%，排驱压力小于0.1 MPa，最大进汞饱和度大于85%；Ⅱ类储层，微米–亚微米级孔隙，平均孔隙度大于9%，最大进汞饱和度大于70%；Ⅲ类储层，亚微米–微米级孔隙，平均孔隙度大于8%，最大进汞饱和度为60%～70%；Ⅳ类储层，以亚微米级孔隙为主，孔隙度大于6%，最大进汞饱和度小于60%。
![]()
图 8 神木地区千5段砂岩孔隙充填特征a.未充填原生粒间孔，1 871.4 m，米44井（扫描电镜）；b.黏土矿物晶间孔和疑似颗粒溶孔，2 032.6 m，双118井（扫描电镜）；c.长石颗粒溶孔，1 993.5 m，榆88井（扫描电镜）；d.绿泥石膜与硅质胶结物全充填原生粒间孔，米161井，1 737.3 m（单偏光）；e.绿泥石完全充填原生粒间孔，双118井，2 035.6 m（单偏光）；f.原生粒间孔被铁泥质全充填，米44井，1 874.1 m（单偏光）；g.高岭石半充填长石溶孔，米161井，1 742.7 m（单偏光）；h.接触式硅质胶结作用，残留部分原生粒间孔，米44井，1 866.4 m（单偏光）；i.镶嵌式钙质胶结物全充填原生粒间孔，米165井，2 267 m（单偏光）； j.长石颗粒溶孔被方解石胶结物充填，神118井，2 037.2 m（单偏光）；k.沸石胶结物半充填原生粒间孔，发育沸石溶孔，府2井，1 527 m（单偏光）；l.浊沸石胶结原生粒间孔，发育少量沸石溶孔，府2井，1 530 m（单偏光）Figure 8. Pore filling characteristics of sandstone in the Qian5 member of the Shenmu area![]()
图 10 神木地区石千峰组千5段砂岩储层孔隙大小分布特征Figure 10. Pore size distribution characteristics of sandstone reservoirs in the Qian5 member of the Shiqianfeng Formation in the Shenmu area![]()
图 11 神木地区石千峰组千5段压汞储层分类特征Ⅰ类样品：米44井，1 872.8 m；Ⅱ类样品：榆88井-1，1 994.2 m；Ⅲ类样品：府2井-4，1 527.8 m；Ⅳ类样品：米44井-10，1 875.3 mFigure 11. Classification characteristics of mercury injection reservoirs in the Qian5 member of the Shiqianfeng Formation in the Shenmu area4.4 孔隙演化特征
在成分分析以及成岩作用分析基础上，对研究区9个中-粗砂岩样品的孔隙度变化进行定量计算。①原始孔隙度φ1（%）（Beard et al., 1973; Scherer, 1987），φ1=20.91+22.9/SO。SO为分选系数，SO=$\sqrt {D25/D75} $。②压实后剩余孔隙度φ2=C+φori×φave/φpor, C为胶结物含量（%），φori为现今粒间孔面孔率。③压实作用损失孔隙度φ3=φ1-φ2（张兴良等, 2014）。④胶结作用损失孔隙度：φ4=黏土矿物百分含量+C。⑤溶蚀作用增加孔隙度：φ5=φdiss×φave/φpor, φdiss为溶蚀孔面孔率，φave为平均测试总孔隙度，φpor为总面孔率。⑥自生晶间孔增加量：φ6=φi-c×φave/φpor，φi-c为现今成岩晶间孔面孔率。数据结果显示，千5段砂岩未固结平均原始孔隙度φ1=30.6%，压实作用平均损失孔隙度φ3=16.1%，胶结作用平均损失孔隙度φ4=9%，其中钙质胶结作用平均损失孔隙度约为2.1%，硅质胶结作用损失孔隙度约为2.4%，黏土矿物充填胶结损失约4.5%，溶蚀作用平均增加孔隙度φ5=3.5%，现今平均剩余孔隙度为9.8%。
4.5 成岩演化探讨
成岩作用对砂岩储集物性具有直接的控制作用，多种成岩作用共存是砂岩成岩演化过程中的普遍现象，对其类型以及作用方式的准确分析解读是成岩演化分析的必要手段。千5段砂岩相较于二叠系中下部主要砂岩储集层（Wu et al., 2021）无论是成岩作用类型还是成岩作用期次均存在明显差异。
神木地区千5段砂岩碎屑颗粒表现为点接触为主（图7），少量线接触，压实作用程度中-弱。胶结作用除了常见的硅质与钙质胶结之外，浊沸石胶结作用呈现局部富集的特点。这与千5段高火山岩碎屑含量与高凝灰质杂基含量具有直接的联系（Levy, 1984; Chipera et al., 2008; 朱世发等, 2011; 李振华等, 2014; 吴和源等, 2017, 2018）。硅质胶结晚于自生绿泥石膜，表现为接触式胶结的特点，全充填（图8d）或半充填原生粒间孔（图8h），未见多期次石英次生加大。钙质胶结作用呈镶嵌状胶结，全充填原生粒间孔（图8i）与长石颗粒溶孔（图8j），方解石胶结作用基本不见自生黏土矿物伴生。浊沸石为镶嵌状胶结，局部与少量硅质胶结物伴生，暗示两种胶结作用形成时间基本一致。千5段砂岩胶结物含量偏低，填隙物以黏土矿物充填为主，凝灰质、铁泥质、绿泥石含量较高，少量高岭石、伊利石以及伊\蒙混层矿物。凝灰质与铁泥质以杂基形式充填粒间孔，多表现为致密状，绿泥石化明显。自生绿泥石以绿泥石膜形式存在，形成于早成岩A期，抑制了局部硅质胶结作用的持续形成，因此多呈现高原生粒间孔的特点。高岭石呈书页状半充填粒间孔，含量较少。
溶蚀作用作为砂岩储层形成过程中重要的建设性作用，在神木地区千5段砂岩中发育差。长石碎屑颗粒溶蚀程度较弱，显微薄片与扫描电镜分析仅见少量长石溶孔。浊沸石溶蚀显著，多呈半溶蚀状，但由于其局部富集的特点，很难对整体储集空间形成巨大贡献。综合分析认为，千5段砂岩成藏期不存在广泛的有机酸溶蚀作用。
结合成岩作用发育特征，将神木地区千5段砂岩成岩演化细分为3个阶段（图12）：早成岩A期：碎屑沉积压实阶段，该阶段主要发育硅质胶结（浊沸石胶结）作用，黏土矿物充填粒间孔，阶段孔隙类型为残余粒间孔；早成岩B期：持续压实减孔阶段，少量方解石胶结原生粒间孔，阶段孔隙类型主要为残余粒间孔、绿泥石、高岭石晶间孔隙；中成岩阶段：天然气成藏及黏土矿物转化阶段，结合包裹体测试数据分析认为，千5段包裹体测温数据主要分布区间为130～150 ℃，结合埋藏演化史认为其主成藏期位于160～130 Ma，期间天然气依靠断裂以及扩散作用聚集成藏，同时凝灰质以及铁泥质杂基向绿泥石以及伊利石转化，阶段孔隙类型为残余原生粒间孔以及黏土矿物晶间孔。
![]()
图 12 神木地区千5段砂岩埋藏演化史及成岩作用发育特征Figure 12. Burial evolution history and diagenetic development characteristics of sandstone in the Qian5 section of the Shenmu area5. 结论
（1）鄂尔多斯盆地神木地区石千峰组千5段由4个中期旋回纵向叠置而成，对应2个亚段4个小层，为辫状河三角洲平原沉积，表现为浅水宽河道的沉积特点，辫状河道平均水深为5～6 m，聚合河道宽度分布范围为800～
1200 m。（2）千5段砂岩以厚层岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主，具有高岩屑含量、高原生粒间孔的特点，形成以微米到纳米孔隙为主的4类砂岩储层：Ⅰ类微米级裂缝孔隙型；Ⅱ类微米–纳米级连通孔隙型；Ⅲ类纳米–微米级连通–孤立孔隙型；Ⅳ类纳米级孤立孔隙型。
（3）千5段高火山岩碎屑与高凝灰质杂基砂岩中发育浊沸石胶结作用，呈现浊沸石胶结物局部富集的特点，由于沸石胶结物的易溶蚀性，区域范围内可能存在高孔渗浊沸石胶结砂砾岩储层。
（4）神木地区千5段砂岩具胶结物含量低、成岩胶结作用期次少、平均黏土矿物含量高的特点，除压实减孔之外，黏土矿物充填是原始孔隙结构破坏的主要原因。
-
![]()
图 1 研究区大地构造位置图（a）（孙自明，2015）和地质图（b）
1.第四系更新统—全新统冲、洪积堆积物；2.第四系晚更新统洪积层；3.第四系中更新统冲积堆积物；4.第四系早更新统洪积层；5.昌吉河群；6.上侏罗统喀拉扎组；7.上侏罗统齐古组；8.中侏罗统头屯河组；9.中侏罗统西山窑组；10.下侏罗统三工河组；11.下侏罗统八道湾组；12.中三叠统小泉沟群；13.上二叠统—下三叠统仓房沟群；14.中二叠统红雁池组；15.中二叠统芦草沟组；16.中二叠统井井子沟组；17.中二叠统乌拉泊组；18.下二叠统塔什库拉组；19.下二叠统石人子沟组；20.上石炭统祁家沟组；21.上石炭统柳树沟组；22.地层产状；23倒转地层产状；24.逆断层；25.性状不明断层；26.向斜构造；27.背斜构造；28.研究区位置
Figure 1. (a) Geotectonic location map and (b) geology map of the research area
![]()
图 2 研究区遥感影像及物探测线分布图
Figure 2. Remote sensing image map of the research area and the distribution of geophysical trial lines
![]()
图 3 高密度电法NGM3、微动NW1线综合剖面图
a.高密度电法NGM3线视电阻率剖面图；b.微动NW1视横波速度剖面图
Figure 3. Integrated profile of multi-electrode resistivity method line NGM3 and microtremor line NW1
![]()
图 4 重力NZ2线、反磁通瞬变电磁NF2线和微动NW2线综合剖面图
a.重力NZ2线剖面；b.反磁通瞬变电磁NF2线视电阻率剖面；c.微动NW2线视横波速度剖面
Figure 4. Integrated profile of gravity NZ2 line，OCTE NF2 line and microtremo line NW2
![]()
图 5 SGM1-3高密度电法视电阻率剖面图三维展示图
Figure 5. Three-dimensional display of apparent resistivity profile of SGM1-3 lines
![]()
图 6 高密度电法SGM2线、微动SW2线综合剖面图
a.高密度电法SGM2线视电阻率剖面图；b.微动SW2视横波速度剖面图
Figure 6. Integrated profile of multi-electrode resistivity method line SGM2 and microtremor line SW2
表 1 急倾斜煤层特点及其采空区特征对照表
Table 1 Comparison table of characteristics of steep seam seams and goaf
序号 急倾斜煤层特征 对应采空区特点 1 埋深大，基岩或煤层上部覆盖层密实度差，黄土湿陷严重 覆盖层极易随下部采空区发展而发生垮塌，稳定性较差，难以在地表形成稳定“拱”，沿走向方向出现条带状或串珠状塌陷坑 2 多为不稳定复杂煤层，厚度变化大，通常各种厚度煤层（薄、中厚、厚及特厚）均有分布 采空区在顶板方向变形普遍较剧烈，采空宽度通常大于煤层厚度 3 产状复杂，倾角变化较大，煤层分布沿倾向方向向地下延伸深度较大，可采煤层自煤层露头延伸至地下上千米范围 随着煤层开采深度不断增大，采空区范围逐渐向顶板方向发展，而底板方向基本处于稳定状态，采空区平面分布呈不对称状态。采空区竖向上深度和厚度分布范围较大, 自然垮落时间变化较大，稳定时间漫长 4 地下水在竖向分布上连续性好，平面分布连续性差；由于产状陡倾，不同煤层间水力联系少，煤矿开采受地下水影响相对较小 由于上部未采煤层和顶底板垮落的双重影响，采空区实际都分布有充填物，因富水状况不同导致充填状况复杂，无明显规律 
下载: 导出CSV
表 2 研究区地层岩性物性参数统计表
Table 2 Statistic table of physical parameters of formation lithology in the research area
地层 岩性 电阻率（Ω·m） 纵波速（m/s） 方法 变化范围 常见值 变化范围 常见值 Q 砂砾石土 200～250 250 1200 ～1500 1500 统计测井成果 J 泥岩 30～60 30 2500 ～3500 2500 泥质粉砂岩 30～150 75 1500 ～3500 3000 粉砂岩 60～130 105 2 000～ 4000 3000 细砂岩 60～150 130 3000 ～4000 3200 砂岩 40～250 150 3000 ～4500 3500 煤层 65～250 180 1000 ～3000 2000 采空区 ＜15 ＜ 1000
下载: 导出CSV
表 3 投入主要物探仪器信息表
Table 3 Information table of the main geophysical instrument
序号 设备名称 型号 产地 1 瞬变电磁仪 Terra TEM 美国LAUREL（劳雷）公司 2 高密度电法仪 DUK-4 重庆地质仪器厂 3 高精度重力仪 CG-5 加拿大scintrex（先达利）公司 4 智能微动勘探系统 CN209 中科大国为 5 等值反磁通瞬变电磁仪 HPTEM-18 湖南五维地质科技有限公司
下载: 导出CSV
表 4 各方法主要施工参数及资料处理解释
Table 4 Acquisition parameters and data processing and interpretation
探测方法 主要施工参数 资料处理解释 高密度电阻率法 采集装置：维纳（对称四极）装置；
供电电压：220～300 V；供电时间：0.5 s；
停供时间：0.1 s；电极距：10 m；
测线5长度：500～1100 m坏点剔除、加载地形、视电阻率
反演、网格化成图等微动探测 矩阵类型：十字型；矩阵半径：50 m；
检波器频率：2 Hz；采集频率250 Hz；
采集时间：25 min以上；点距：10 mSPAC法提取频散曲线、半波法经验公式反演、
数据拼接、加载地形等重力 测量方式：采用单程观测法，
早基点–测点–晚基点观测流程，当天闭合；
单点读数时间：45 s；点距：10 m地形改正，高度改正及布格改正，布格重力
异常计算，区域场和剩余重力异常分离等值反磁通瞬变电磁 采集模式：定点模式；发射频率：0.625 Hz；
发射电流：10.5 A；关断时间：65 μs；
叠加次数：200次；重复观测：2次；点距：5～10 m数据剔除、编辑等预处理，抽道，
二维反演，网格化，二、三维显示
下载: 导出CSV
-
蔡有良, 吴文贤, 彭清华, 等. 等值反磁通瞬变电磁和微动法在内蒙古某萤石矿采空区探测中的应用效果浅析[J]. 工程地球物理学报, 2022, 19（4）: 459−465. CAI Youliang, WU Wenxian, PENG Qinghua, et al. Analysis on The Application Effect of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in Goaf Detection of A Fluorite Mine in Inner Mongolia[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics,2022,19(4):459−465.
陈实, 刘云祯, 李延清, 等. 综合物探技术在城市活动断裂调查中的应用—以乌鲁木齐八钢石化断裂为例[J]. 地球物理学进展, 2019, 34（4）: 1584−1591. doi: 10.6038/pg2019CC0230 CHEN Shi,LIU Yunzhen,LI Yanqing,et al. Application of Integrated Geophysical Techniques in Investigation of Urban Active Faults: Take Rümqi Bagangshihua Fracture as An Example[J]. Progress in Geophysics,2019,34(4):1584−1591. doi: 10.6038/pg2019CC0230
陈卫营, 薛国强. 瞬变电磁法多装置探测技术在煤矿采空区调查中的应用[J]. 地球物理学进展, 2013, 28（5）: 2709−2717. doi: 10.6038/pg20130554 CHEN Weiying,XUE Guoqiang. Application on Coal-mine Voids Detection with Multi-device TEM Technology[J]. Progress in Geophysics,2013,28(5):2709−2717. doi: 10.6038/pg20130554
陈中山, 殷全增, 耿丽娟, 等. 关闭小煤矿采空区地面探测方法优选[J]. 地球物理学进展, 2022, 37（1）: 367−373. doi: 10.6038/pg2022FF0138 CHEN Zhongshan,YIN Quanzeng,GENG Lijuan,et al. Optimization of Ground Detection Method for Small Closed Coal Mine[J]. Progress in Geophysics,2022,37(1):367−373. doi: 10.6038/pg2022FF0138
程久龙, 胡克峰, 王玉和, 等. 探地雷达探测地下采空区的研究[J]. 岩土力学, 2004, 25(S1): 79-82. CHENG Jiulong, HU Kefeng, WANG Yuhe, et al. Research on Detecting of Underground Mined-out Areas by Using GPR[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(S1): 79-82.
程久龙, 潘冬明, 李伟, 等. 强电磁干扰区灾害性采空区探地雷达精细探测研究[J]. 煤炭学报, 2010, 35（2）: 227−231. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2010.02.017 CHENG Jiulong, PAN Dongming, LI Wei, et al. Study on The Detecting of Hazard Abandoned Workings by Ground Penetrating Radar on Strong Electromagnetic Interference Area[J]. Journal of China Coal Society,2010,35(2):227−231. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2010.02.017
方军, 王乐杰. 急倾斜煤层老采空区物探方法探讨[J]. 矿山测量, 2016, 44（4）: 90−94. FANG Jun, WANG Lejie. Discussion on The Exploration Techniques in Steep Inclined Seams of The Abandoned Goaf Areas[J]. Mine Surveying,2016,44(4):90−94.
杜臻, 张茂省, 冯立, 等. 鄂尔多斯盆地煤炭采动的生态系统响应机制研究现状与展望[J]. 西北地质, 2023, 56（3）: 78−88. DU Zhen, ZHANG Maosheng, FENG Li, et al. Research Status and Prospect of Ecosystem Response Mechanism to Coal Mining in Ordos Basin[J]. Northwestern Geology,2023,56(3):78−88.
范涛, 王秀臣, 李貅, 等. 瞬变电磁方法在探测煤矿浅层高阻采空区中的应用[J]. 西北地质, 2010, 43（2）: 156−162. FAN Tao, WANG Xiuchen, LI Xiu, et al. Application of TEM in Detecting Goaf of Coal Mine with High-resistivity and Shallow-layer[J]. Northwestern Geology,2010,43(2):156−162.
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）: 62−66+72. HAN Xuheng, YU Chunxia. Application of Radon Emission Detection in Goaf Exploration[J]. Geotechnical Investigation & Surveying,1996(5):62−66+72.
冯立, 张鹏飞, 张茂省, 等. 新时期榆林煤矿区生态保护修复与综合治理策略及路径探索[J]. 西北地质, 2023, 56（3）: 19−29. FENG Li, ZHANG Pengfei, ZHANG Maosheng, et al. Strategies and Practical Paths for Ecological Restoration and Comprehensive Management in Yulin Coal Mining Area in the New Era[J]. Northwestern Geology,2023,56(3):19−29.
何继善, 李帝铨, 胡艳芳, 等. 城市强干扰环境地下空间探测技术与应用[J]. 工程地球物理学报, 2022, 19（5）: 559−567. HE Jishan, LI Diquan, HU Yanfang, et al. Geophysical Exploration Methods for Strong Interference Urban Underground Space[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics,2022,19(5):559−567.
贺阳阳. 新疆乌市104团急倾斜煤层采空区稳定性及失稳过程分析[D]. 西安: 西安科技大学, 2020. HE Yangyang. Stability and Instability Process Analysis of Steep Coal Seam of No. 104 Group in Xinjiang[D]. Xi’an: Thesis for Master’s Degree of Xi’an University of Science Technology, 2020.
黄光明, 赵举兴, 李长安, 等. 岩溶区地下溶洞综合物探探测试验研究—以福建省永安大湖盆地为例[J]. 地球物理学进展, 2019, 34（3）: 1184−1191. doi: 10.6038/pg2019DD0145 HUANG Guangming,ZHAO Juxing,LI Chang’an,et al. Detection of Underground Karst Caves by Comprehensive Geophysical Exploration in Karst Area: Taking Yongan Dahu Basin in Fujian Province as Example[J]. Progress in Geophysics,2019,34(3):1184−1191. doi: 10.6038/pg2019DD0145
胡天义, 刘欢, 何威荣, 等. 微动勘探在黑土地地表基质调查中的应用——以莫旗为例[J]. 华北地质, 2024, 47（4）: 80−90. HU Tianyi, LIU Huan, HE Weirong, et al. Application of microtremor exploration in surface matrix survey of black land:a case study of Moqi[J]. North China Geology,2024,47(4):80−90.
孔繁良, 徐超, 李军. 高密度电法在新疆某水库大坝病险隐患探测中的应用[J]. 工程地球物理学报, 2022, 19（1）: 16−20. KONG Fanliang, XU Chao, LI Jun. Application of Multi-electrode Resistivity Method in Detection of Hidden Dangers of A Reservoir Dam in Xinjiang[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics,2022,19(1):16−20.
雷旭友, 李正文, 折京平. 超高密度电阻率法在土洞、煤窑采空区和岩溶勘探中应用研究[J]. 地球物理学进展, 2009, 24（1）: 340−347. LEI Xunyou, LI Zhengwen, ZHE Jingping. Applications and research of the high resolution vesistivity method in caves‚mined vegion and explovation of Karst region[J]. Progress in Geophysics,2009,24(1):340−347.
李文. 煤矿采空区地面综合物探方法优化研究[J]. 煤炭科学技术, 2017, 45（1）: 194−199. LI Wen. Optimization Study of Surface Comprehensive Geophysical Detection Methods of Coal Mine Goafs[J]. Coal Science and Technology,2017,45(1):194−199.
蔺楠, 陈莹, 马露, 等. 陕北煤炭基地矿山生态修复成效评估体系构建与实现[J]. 西北地质, 2023, 56（3）: 89−97. LIN Nan, CHEN Ying, MA Lu, et al. Construction and Implementation of Evaluation System for Ecological Restoration Effectiveness of Mines in Northern Shaanxi Coal Base[J]. Northwestern Geology,2023,56(3):89−97.
刘小平. 我国建(构)筑物场地下伏煤矿采空区勘察技术进展[J]. 煤田地质与勘探, 2022, 50（4）: 139−146. doi: 10.12363/issn.1001-1986.21.05.0299 LIU Xiaoping. Progress in investigation technology for coal mine goafs under buildings and structures in China[J]. Coal Geology & Exploration,2022,50(4):139−146. doi: 10.12363/issn.1001-1986.21.05.0299
刘学军, 刘震, 杨镜明. 大埋深巨厚急倾斜煤层采空区勘察手段探索[J]. 工程勘察, 2018, (增刊1): 386−392. LIU Xuejun, LIU Zhen, YANG Jingming. The Research on The Exploration Means of Deep and Extra-thick Coal Seam Mining Area[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2018, (Sup. 1): 386−392.
罗霄, 徐智海, 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. LUO Xiao, XU Zhihai, LI Zhengsheng, et al. Application of Multi-parameter Comprehensive Geophysical Prospecting Method in Exploration of Goaf in Coal Mines[J]. Coal Engineering,2020,52(2):32−37.
屈栓柱, 唐宝山, 张海珠, 等准 噶尔盆地南缘盆地轮廓和构造属性及页岩气战略选区的重磁电勘探研究[J]. 地质评论, 2019, 65（6）: 1288−1298. doi: 10.16509/j.georeview.2019.05.017 QU Shuanzhu,TANG Baoshan,ZHANG Haizhu,et al. Study on The Shape and Structural Properties of The Southern Margin of Junggar Basin and The Potential Shale-Gas Strategic Deposit with Integrated Geophysical Methods[J]. Geological Review,2019,65(6):1288−1298. doi: 10.16509/j.georeview.2019.05.017
宋贵磊, 公绪飞, 杨富强, 等. 含水采空区瞬变电磁时空响应特征研究及应用[J]. 煤田地质与勘探, 2024, 52（12）: 201−212. doi: 10.12363/issn.1001-1986.24.04.0247 SONG Guilei,GONG Xufei,YANG Fuqiang,et al. Spatiotemporal response characteristics of transient electromagnetic fieldin water-bearing goaves and their applications[J]. Coal Geology & Exploration,2024,52(12):201−212. doi: 10.12363/issn.1001-1986.24.04.0247
苏永军, 胡婷, 曹占宁, 等. 基于高密度电阻率法的雄安新区填埋坑塘探测效果分析[J]. 华北地质, 2023, 46（4）: 70−75. SU Yongjun, HU Ting, CAO Zhanning, et al. Analysis of detection effect of landfill pond by the high density resistivity method in Xiong’an New Area[J]. North China Geology,2023,46(4):70−75.
孙自明, 王毅. 新疆博格达山西缘米泉地区构造解析与建模[J]. 现代地质, 2015, 28（2）: 300−307. SUN Ziming, WANG Yi. Structural Analysis and Modeling in Miquan Area of The Western Margin of the Bogda Mountain, Xinjiang[J]. Geoscience,2015,28(2):300−307.
汤伏全, 李庚新, 原一哲. 煤矿采空区地表重力异常效应模拟研究[J]. 煤炭学报, 2018, 43（4）: 945−950. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2017.1578 TANG Fuquan,LI Gengxin,YUAN Yizhe. Simulation And Study on Ground Gravity Anomaly Effect in Goaf of Coal Mine[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(4):945−950. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2017.1578
王亮, 龙霞, 王婷婷, 等. 等值反磁通瞬变电磁法在城市浅层空洞探测中的应用[J]. 物探与化探, 2022, 46（5）: 1289−1295. doi: 10.11720/wtyht.2022.1467 WANG Liang, LONG Xia, WANG Tingting, et al. Application of the opposing-coils transient electromagnetic method in detection of urban shallow cavities[J]. Geophysical and Geochemical Exploration,2022,46(5):1289−1295. doi: 10.11720/wtyht.2022.1467
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. WANG Qiang, TIAN Ye, LIU Huan, et al. Application of Comprehensive Geophysical Prospecting in Investigation of Coal Mine Goaves[J]. Geophysical and Geochemical Exploration,2022,46(2):531−536.
王亚辉, 张茂省, 师云超, 等. 基于综合物探的城市地下空间探测与建模[J]. 西北地质, 2019, 52（2）: 83−94. WANG Yahui, ZHANG Maosheng, SHI Yunchao, et al. Precise Detection and Modeling of Urban Underground Space Based on Integrated Geophysical Exploration[J]. Northwestern Geology,2019,52(2):83−94.
王双明, 孙强, 袁士豪, 等. 论煤–水–土多资源协调开发[J]. 西北地质, 2024, 57（5）: 1−10. WANG Shuangming,SUN Qiang,YUAN Shihao,et al. On the Coordinated Development of Coal-Water-Soil Multiple Resources[J]. Northwestern Geology,2024,57(5):1−10.
吴飞, 陈海波. 微动探测技术在安徽某煤矿采空区的应用[J]. 能源技术与管理, 2021, 46（5）: 141−144. WU Fei, CHEN Haibo. The Application of Microtremor Survey Technology in A Coal Mine Goaf in Anhui Province[J]. Energy Technology and Management,2021,46(5):141−144.
武欣, 潘冬明, 于景邨. 煤矿采空区地球物理探测方法综述[J]. 地球物理学进展, 2022, 37（3）: 1197−1206. doi: 10.6038/pg2022GG0128 WU Xin,PAN Dongming,YU Jingcun. Review in the geophysical methods for coalmine goaf prospecting[J]. Progress in Geophysics,2022,37(3):1197−1206. doi: 10.6038/pg2022GG0128
席振铢, 龙霞, 周胜, 等. 基于等值反磁通原理的浅层瞬变电磁法[J]. 地球物理学报, 2016, 59（9）: 3428−3435. XI Zhenzhu, LONG Xia, ZHOU Sheng, et al. Opposing coils transient electromagnetic method for shallow subsurface detection[J]. Chinese Journal of Geophysics,2016,59(9):3428−3435.
徐慧, 牟义, 杨思通, 等. 榆林地区浅埋煤层采空区电法综合勘探技术[J]. 地质与勘探, 2020, 56（4）: 792−801. XU Hui,MU Yi,YANG Sitong,et al. Comprehensive Exploration Technology Based on The Electric Methods for The Goaf of Shallow Coal Seams in The Yulin Area[J]. Geology and Exploration,2020,56(4):792−801.
严加永, 孟贵祥, 吕庆田, 等. 高密度电法进展与展望[J]. 物探与化探, 2012, 36（4）: 576−584. YAN Jiayong, MENG Guixiang, LV Qingtian, et al. The progress and prospect of the electrical resistivity imaging survey[J]. Geophysical & Geochemical Exploration,2012,36(4):576−584.
姚建强, 毛玉坤. 新疆公路急倾斜煤矿采空区处理施工工法[J]. 山西建筑, 2018, 44（6）: 56−58. doi: 10.3969/j.issn.1009-6825.2018.06.028 YAO Jianqiang, MAO Yukun. Xinjiang Highway Steeply Inclined Coal Mining Area Treatment Construction Method[J]. Shanxi Architecture,2018,44(6):56−58. doi: 10.3969/j.issn.1009-6825.2018.06.028
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, 66（增1）: 51−53. ZHANG Jianqiao, YIN Weimin, ZHANG Xingzhou. Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in Detecting Goaf of Thick Overburden Coal Mine[J]. Geological Review,2021,66(supp.1):51−53.
张旭, 杜晓娟, 苏超, 等. 辽源煤矿采空区重力异常解释研究[J]. 工程地球物理学报, 2015, 12（6）: 755−759. ZHANG Xu, DU Xiaojuan, SU Chao, et al. Gravity Anomaly Interpretation of Mined-out Area in Liaoyuan Coal[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics,2015,12(6):755−759.
张昭, 殷全增. 不同年限采空区下地震勘探效果实例研究[J]. 煤田地质与勘探, 2021, 49（6）: 237−242. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.028 ZHANG Zhao,YIN Quanzeng. Case study on the effects of seismic exploration beneath the goafs of different ages[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(6):237−242. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.028
赵东东, 张宝松, 宗全兵, 等. 综合物探方法在地铁孤石探测中的应用研究[J]. 地球物理学进展, 2022, 37（3）: 1360−1370. doi: 10.6038/pg2022FF0181 ZHAO Dongdong,ZHANG Baosong,ZONG Quanbing,et al. Application of integrated geophysical method to detection of boulder in subway shield zone[J]. Progress in Geophysics,2022,37(3):1360−1370. doi: 10.6038/pg2022FF0181
赵虎, 王玲辉, 程强, 等. 等值反磁通瞬变电磁成像技术及工程应用[J]. 地球物理学进展, 2021, 36（5）: 2244−2250. doi: 10.6038/pg2021EE0466 ZHAO Hu,WANG Linghui,CHENG Qiang,et al. Opposing coils transient electromagnetics imaging technology and engineering application[J]. Progress in Geophysics,2021,36(5):2244−2250. doi: 10.6038/pg2021EE0466
赵子锋. 高速公路下伏急倾斜采空区勘察技术及对路基稳定影响研究[D]. 西安: 长安大学, 2015. ZHAO Zifeng. Study on Survey Technology of the Steep Goaf under Expressway and Its Impact on Stability of Embankment[D]. Xi’an: Chang’an University, 2015.
Okada H. Theory ofefficient array observations of Microtremors with special reference to the SPAC Method[J]. Exploration Geophysics,2006,37(1):73−85. doi: 10.1071/EG06073
计量
- 文章访问数: 23
- HTML全文浏览量: 3
- PDF下载量: 14
