应用综合物探方法探查煤层采空区
李莲英1, 薛俊杰2, 赵煊煊1, 曹清华3
1.山西省煤炭地质物探测绘院,山西 晋中 030600
2.辽宁工业大学 理学院,辽宁 锦州 121001
3.江苏大学 计算机科学与通信工程学院,江苏 镇江 212013

作者简介: 李莲英(1968-),女,高级工程师,长期从事煤田地球物理勘探工作。

摘要

采用多种地球物理方法对煤矿采空区进行综合勘探,能够充分利用地球物理多源信息摒除单一方法的局限性,最终达到有效识别煤矿采空区的目的。以云南某矿区为例,采用人工地震、高密度电阻率法和瞬变电磁法对该矿区进行综合勘探,将地震波场、电场、电磁感应场等不同地球物理响应结果进行综合对比分析,成功确定了煤矿采空区范围,勘探成果得到了钻孔验证。

关键词: 采空区; 高密度直流电法; 瞬变电磁法; 人工地震
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0377-04
The exploration of mined-out areas by integrated geophysical method
LI Lian-Ying1, XUE Jun-Jie2, ZHAO Xuan-Xuan1, CAO Qing-Hua3
1. Geophysical Prospecting and Mapping Institute of Coal Geology of Shanxi Province, Jinzhong 030600, China
2. College of Sciences, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China
3. School of Computer Science and Communication Engineering, Jiangsu University, Zhengjiang 212013, China
Abstract

The application of comprehensive geophysical methods to the detection of mined-out areas can fully take advantage of multi-information and can also eliminate the technical limitation of a single method so that the goal of effective detection of mined-out areas can be achieved. In this paper, with a coal mine in Yunnan Province as a study case, the authors applied seismic method, high-density DC method and transient electromagnetic method (TEM) to conducting comprehensive geophysical prospecting. Based on the combined analysis of the geophysical response of seismic field, DC field and electromagnetic field, the authors successfully detected the range of the mined-out area in the prospecting district, with the exploration results verified by drilling.

Keyword: mined-out area; high-density DC method; TEM; seismic method
0 前言

煤矿地下采掘工作完成后, 撤离支护设施留下大面积空腔, 形成采空区。采空区上覆岩层在失去支护后, 应力平衡被破坏, 应力需要重新分布, 以期达到新的平衡, 此过程会引起采空区上覆地层发生形变, 最终导致地面出现裂缝、沉降、塌陷, 山坡地区甚至出现山体滑坡, 给人员生命财产安全和水文生态环境造成极大的破坏[1, 2, 3]。因此, 准确地确定矿区内采空区的位置, 有助于提前预防地质灾害的发生。煤矿采空区的地球物理精细勘探是解决煤炭地质灾害问题的基础, 但是, 任何一种物探方法都有其局限性和多解性, 所以, 有必要综合应用多种物探方法, 以准确圈定采空区范围, 为事故预防和灾害治理提供最可靠的依据。

1 煤层采空区的地球物理特征
1.1 电性特征

按照电阻率异常的电性特征可将采空区分为3种类型:空洞型采空区, 充填型采空区和塌陷型采空区[6]。空洞型采空区是指并未完全充填或充填不完全的空洞, 绝大多数的空间为空气所占, 因此较围岩表现为高阻。充填型采空区是指采空区在中后期由于坑道或围岩富水区的回灌使得原来的空腔被水所充填, 其电阻率较围岩表现为低阻。坍塌型采空区介于两者之间, 当含水的煤层顶板崩塌物将采空区完全充填, 采空区表现为低阻异常, 未完全充填则表现为高阻异常。

1.2 波阻抗特征

含煤地层在开采前, 煤层顶板与上覆岩层之间有着较大的波阻抗差异[4], 是一个非常明显的波阻抗界面, 可用于识别煤层的构造。当煤层开采后形成采空区, 尤其是采空区发生塌陷后, 原有的波阻抗界面会发生明显的畸变和破坏, 导致煤层反射波组中表现为反射波同相轴的弯曲、减弱, 直到消失[2]

2 煤层采空区的地球物理勘探方法

针对煤层采空区的地球物理特征, 可以采用相对应的地球物理勘探方法, 通常采用高密度直流电法和瞬变电磁法对电性异常进行识别。高密度直流电法可以按照网度要求一次性敷设多个电极, 完成剖面测量和电测深两种形式的观测, 其抗干扰能力强, 在水平和纵向上具有较好的分辨能力, 但是直流电法受地形影响大。由于瞬变电磁法对低阻异常反应灵敏且受地形影响较小, 因此在煤层采空区尤其是采空积水区的勘探项目中应用广泛。但是, 由于工程物探中的瞬变电磁往往采用磁性源进行勘探, 该方法受高压线等工频干扰严重, 且在勘探深度上存在浅部勘探盲区。

浅层地震勘探可以有效利用采空区煤层及顶板发生破坏引起反射界面的波阻抗异常, 开展对煤层采空区的勘探。

通过以上描述不难发现, 针对煤层采空区的物性异常可以开展多种方法的地球物理勘探, 每种方法都具有其独特的优势, 因此, 多种地球物理方法的综合运用对解决煤层采空区地球物理精细勘探更加有效。

3 应用实例

2012年某输电公司接到报告, 称其承建的输电线路上一个电塔发生倾斜, 且附近地面塌陷、开裂, 危及电塔的安全。根据塌陷区及其周边调查情况分析判断, 可能与其附近煤矿开采有关。为了检验电塔周围煤层开采程度, 确定采空(积水)区的位置及影响范围, 对电塔周围一定范围内进行了地球物理精细勘查。

3.1 工作区概况

工作区地处滇东高原向黔西高原的斜坡地带, 地质结构复杂, 地层倾角变化较大。工作区属半掩盖区, 西部、东部基岩出露较好, 中部大多为第四系黄土覆盖, 出露地层有二叠系上统峨嵋山玄武岩组、龙潭组、长兴组, 三叠系下统卡以头组、飞仙关组和第四系。第四系零星分布于山间洼地、山麓、缓坡及溪沟两侧, 一般厚度0~20 m, 平均6.36 m。目前矿区内主要探采M9、M14煤层, 深度约40~80 m。煤层发育良好, M9煤层厚度0.99~4.41 m, 平均1.71 m; M14煤层厚度0.81~3.66 m, 平均厚2.10 m, 属薄— 中厚煤层。另有小窑早期采掘浅部薄煤层。

工区内架设有高压输电线及高压电塔, 但由于某电塔发生倾斜, 目前已停止输电。

结合工区内的地质和地球物理特征, 以及地表实际情况, 为精确查明采空区的位置, 选择高密度直流电法、瞬变电磁法和浅层二维地震勘探对工区进行综合地球物理勘探。

3.2 高密度电阻率法的应用

结合本区实际情况, 先采用20 m× 6 m的网度进行高密度电法勘探, 高密度电法测线16条, 每条测线长600 m。

图1所示, 在9线高密度视电阻率拟断面图上, 地表附近的电阻率值较低, 反映第四系的松散层; 在深度0~40 m段, 点号232~502范围内电阻率值较低, 变化幅度较大, 与两边围岩电阻率有明显差别, 推断为浅部采空区。

图1 测区9线高密度电阻率法视电阻率拟断面

3.3 瞬变电磁法的应用

为进一步查明采空积水区的分布情况, 选取高密度电法探测的异常中心区域进行瞬变电磁法勘探。共布置瞬变电磁测线16条, 网度为20 m× 6 m, 测点与部分已做高密度电法探测的物理点重合。

图2所示, 在300~360号点之间, 标高2 100 m附近视电阻率曲线产生急剧变化, 呈低阻反映。结合地质资料及野外调查, 推断此处低阻异常为M14号煤层采空区; 图中408~462点之间, 视电阻率曲线产生急剧变化, 呈现圈闭的低阻区, 结合已知资料分析, 应是受电塔金属干扰影响。

图2 测区9线瞬变电磁视电阻率拟断面

3.4 二维地震勘探的应用

由于工区煤层埋藏较浅, 矿区周围出现地表岩土的沉降, 可推断地下介质发生了形变或垮塌, 利用人工地震法有利于查明垮塌位置。根据电法勘探的初步成果, 采用浅层二维地震勘探在重点位置及电塔周边电法勘探资料受影响区域进行补充勘探, 对100 m以浅煤层赋存情况进行探测。

二维地震测线共9条, EW向6条, 测线长度600 m, SN向3条, 测线长度400 m。采用中间放炮, 36道接收, 激发(锤击)点距3 m, 接收点距3 m, 滚动(每次滚动1道)接收, 18次均匀覆盖, 保证了资料的叠加效果。

图3图4是9线地震层析成像断面及其解释推断成果。由图3可见:桩号200~360、标高2 100 m一带层速度较低且杂乱, 反映出煤矿探采面煤层采动情况; 而桩号200~540一带浅部层速度较低, 反映了浅部采动及岩石松动特征。

图3 测区9线二维地震层析成像断面

图4 测区9线综合解释剖面

3.5 综合推断

根据高密度电阻率法、瞬变电磁法及二维地震勘探资料综合分析, 圈出了M14号煤层采空区3处、浅部M9号煤层采空及岩石松动区2处。采空区规模较大, 不仅造成地面塌陷、开裂, 而且引起周边地表变形, 其影响范围已波及电塔塔基及其安全维护带。

为了解电塔塔基及其周边岩(煤)层完整性, 并对物探成果作进一步验证, 在电塔塔基北、西侧外围共施工了8个钻孔。施工过程中对孔壁稳定程度、涌(漏)水深度和程度、煤层深度和厚度等进行了记录, 对部分因岩性破碎难以取芯层段进行了判层, 得出的结论与物探成果基本一致。

4 结论

煤田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, 可以选择多种方法对采空区进行地球物理勘查。适用于煤田采空区勘查的地球物理方法繁多, 每种方法有自己的优势, 但也存在各自的技术瓶颈, 采用单一的地球物理方法进行采空区探测容易造成假异常, 从而导致错误的解释。综合物探方法在采空区的探查中应用效果良好, 在发挥各自方法各自优势的同时, 可以减少技术瓶颈导致的假异常干扰, 从而达到提高解释精度、增加探查成果可靠性的目的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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