综合勘探阶段的实际情况、探测深度和探测精度等因素,探讨了物探方法的选择及其组合特点,归纳了各种物探资料对应的小煤窑采空区的异常特征。通过单一或综合物探方法,结合地质调查及钻探资料,可划分出小煤窑采空区的发育段落并指导钻探孔位的布置,部分或比较宏观地解决了小煤窑采空区的勘察问题。同时,根据物探资料可对采空区的工程地质条件进行评价。

从可控源音频大地电磁法工作原理、采空区地球物理前提、探测设备及参数设置、探测现场布置、资料分析、探测结果及钻孔验证情况等方面,介绍采用可控源音频大地电磁法对某煤矿采空区的探测实例。经过钻孔验证,采空位置与检测结果相吻合,说明可控源音频大地电磁法探测煤矿采空区是可行的。

为了探明地下采空区的分布范围和埋深,应用高密度电阻率法探测陡倾煤层采空区,根据视电阻率二维反演断面图,分析电阻率异常形态、高低阻分布等特征,推断出采空塌陷和第裂缝的位置,经钻探证实,推断结果与实际情况相吻合,高密度电阻率法是准确探测陡倾煤层采空区空间形态特征及其塌陷变形影响范围行之有效的方法。

阐述了隧道隐伏煤层采空区对隧道施工及运营安全的影响及危害,并针对隧道内特有的工作空间,对比各种物探技术的应用情况,最终选择了抗干扰强、效率高的探地雷达技术对煤层采空区进行探测。结合几个工程实例,分析了探地雷达在高风险隧道隐伏煤层采空区探测中的具体应用情况,通过钻孔验证了方法的有效性和精确性。

铁路采空区勘察有工期紧、精度高、勘察费用控制适度等特点,经过多年的探索研究实践,研究了各方法在目的体异常、探测深度、抗工业游散电流干扰、兼顾效果与效率等方面的优缺点,初步总结出了有效工作方法和模式,可以较好解决采空区分布范围,节省了大量的深孔,为线路方案优选和处理提供可靠的技术资料。综合物探技术已成为解决采空工程地质问题的首选技术。

一直以来,利用地球物理方法对多层煤矿采空区的勘查都是比较棘手的问题,由于采空区的多层分布导致更加复杂的地下介质结构,地面及岩层形变也造成了介质层无规律的变化,如裂缝、垮塌、充(填)水等现象,这些都给利用介质差异为工作前提的地球物理勘探带来了很大的技术难度。笔者借助工作实例,来对采用综合物探方法对多层采空区勘查的异常特征与效果进行对比分析,从中获得了一些认识,用于实际勘察工作,效果较好。

采空区给人类生产生活带来严重危害,采空区的探测已成为重要研究课题。笔者介绍了采空区的地球物理特征,结合工程实例对采空区探测的物探方法(电法、地震、放射性)进行叙述,探讨了三种采空区地球物理探测方法研究现状和存在问题以及今后的研究发展方向。

在煤田、矿区开展TEM勘查工作时,往往采取加大发射电流和发射面积、增加重复观测次数、迭加次数等抗干扰措施来获得符合要求的原始数据。为确定所采取抗干扰措施的有效性,建立相应的评价指标具有重要指导意义。为此,提出了TEM信噪比曲线的定义与统计方法,并提出用信噪比曲线评价抗干扰措施的有效性,认为信噪比大小变化能够真实反映原始数据的质量好坏及抗干扰措施是否有效。通过对矿区采取抗干扰措施后的实测数据进行统计分析,获得了不同措施下的信噪比资料。结果表明,本方法所得的信噪比参数易于统计,能够合理、有效地反应原始数据的质量以及抗干扰措施的应用效果。

采用小间距精细高密度电阻率法,选用对称四极装置方式对华北某白云岩采空区进行探测,清楚地探测到破碎带位置,较好地圈定出采空区的影响范围和深度,充分说明了高密度电法在采空区探测中的可行性和实用性。

在煤矿采空区勘查中,电磁法勘探往往出现浅层盲区,根据电磁波传播原理及Bostick深度关系式,对在不同地层分布区的勘查深度进行了计算。应用表明,合理选择数据采集频率,能够克服浅层盲区;并应用相位参数,多参数分析采空位置,效果明显。对应用可控源音频大地电磁法(CSAMT)探查煤矿采空,具有指导意义,同时介绍了相位参数在调查断裂构造中的应用效果。

在晋城某煤矿采空区勘查中,选取了采空区勘查中常用到的三种方法——瞬变电磁法、可控源变频大地电磁法、氡气测量法,进行了大量的试验。根据勘查效果,总结了三种方法的优缺点及大致适用范围,对今后勘查采空区时的方法选取有一定的帮助。

在瞬变电磁勘探中,矩形回线的场响应不存在解析解。以往主要使用圆回线近似模拟矩形回线装置。为此,分别从两种源激发的一次场和地表感应的二次场的角度,分析圆回线近似模拟矩形回线可能带来的误差;尤其是对于二次场的计算,圆回线内场的计算采用超几何分布函数,矩形回线场以一定的比例系数作为控制因子进行电偶极子叠加计算。给出两种源框内场分布对比结果,增加了对圆回线和矩形回线装置的场分布的定量认识。

峪里、掩村煤矿采空盲区,受王庄煤矿、漳泽电厂、高压廊道、长邯高速公路控制,电磁法、震法不适于采空勘探,由于采空塌陷及变形使岩体密度产生差异,满足微重力法的基础,经现场核实、钻探验证及采空岩移变形分析,与勘探成果吻合,重力异常区下部存在岩体变形,且位于采空均匀下沉区内,基本查明了采空边界,也为采空区提供了一种方便、有效的勘探手段。

以河东煤田乡宁矿区的地震勘探为例,在分析采空区形成的地质条件、地球物理特征及其地震属性响应的基础上,从20多种属性中优选出对采空区较为敏感的平均振幅能量值、振幅正负极值比、最大反射率、瞬时频率、瞬时相位等属性,为采空区解释取得了理想的效果。

常规煤田三维地震勘探观测系统设计时着重于节约采集成本,提高施工效率,往往使用窄方位半束线横向滚动的观测方式,但是对于需精细勘探、采空区发育不规则的矿区,窄方位观测系统对勘探效果的影响还有待分析。笔者采用三维射线追踪算法对采空区进行了正演数值模拟分析,并对不同观测系统在采集脚印、方位角分布、目标采空区的照明度等观测效果进行了深入对比。六种观测系统、九种属性分析结果表明,宽方位45°斜交式观测系统在五个方面都具有较强优势,对采空区地质目标的异常响应最好。

整合、兼并后的煤矿采空区严重威胁矿井生产安全,制约矿井开采效率。结合山西临汾某工区实例,利用实际工区已知采空区的地质信息、三维地震勘探资料、采空区地球物理特征与属性技术特征。进行多种属性技术提取和综合分析解释,优选出煤炭勘探中常用的方差、三瞬、构造与均方根4种属性,采空区在该4种属性中异常特征明显,且在实例工区中采掘验证吻合良好,取得了较好的探测效果。

在阐明采空区特征及其地球物理异常场的基础上,重点介绍瞬变电磁法、反射波法、地质雷达法与EH4大地电磁法等4种地面地球物理探测技术,并结合具体的工程应用实例,总结了各种探测技术的应用效果及优缺点,结果表明,这些方法在煤矿采空区探测方面具有分辨率高、经济快速、准确有效等优势,能够为煤矿安全生产提供指导资料。

在内蒙古某地区,针对测区不同的地电条件,综合应用高密度电阻率法和浅层地震进行煤田采空区探测,钻孔验证结果表明两种物探方法结合探测采空区取得了良好的效果。

利用瞬变电磁法对襄垣煤田采空区及塌陷区进行探测,在已知采空区及非采空区进行了方法有效性试验,发现工区内低阻异常为积水采空区反映。结合已知资料,判断区内可采煤层(3号煤层)采空深度为144~324 m,采空区东侧较浅,西侧较深,与煤层倾向相吻合。在3号煤层埋藏深度260 m处作视电阻率水平切面,并根据各测线异常情况,最终推断区内采空区范围,也初步查明了煤矿附近居民房屋出现裂缝、地面下陷等地质灾害的原因。

根据中煤集团水泉煤矿已知采空区上方多种物探方法的对比测量结果,总结了各种方法在相同地电条件下的响应特征,并归纳了工作区内采空区的3种异常类型,提出了实际工作中地球物理方法探测的最优组合,以及在今后的采空区探查中,应采用综合物探方法相互验证的建议。

研究矿区为整合矿井,区内采掘情况较为复杂,为此提出并应用了地面物探与井下物探结合查明采空区及其富水性的方法。首先采用三维地震勘探查明矿区内煤层的赋存和构造的发育特征,同时圈定采空区异常分布范围,在此基础上,重点在异常区附近进行地面电法勘探(瞬变电磁法及高密度电法等)工作,验证采空并调查其采空及构造的含、导水性;进而利用井下瞬变电磁技术,重点在地面方法圈定的采空积水区附近进行井下异常的精确定位。在确保矿井生产的前提下,通过上述方法的系统应用,不但实现了对煤炭资源的精细勘查和采空区及其积水量的重点探测,同时还有效降低了井下超前钻探的工作量。

云支线旧高山段某处出现大面积的采空塌陷区。为确保安全运输,遵循"从已知到未知"的原则, 通过方法有效性实验,确定了勘探方法及工作参数,决定主要采用工作效率高、探测效果好的直流高密度电测深法,在有条件的地段辅助瞬变电磁法探测,进一步确定异常区的范围和性质。勘探结果表明,物探方法的综合应用确保了解释结果的可靠性,提高了物探的解释精度。

总结了小窑采空区和塌陷区的地球物理特征。采用瞬变电磁法、高密度电法相结合的物探手段,对北京门头沟地区浅埋区小窑采空区和塌陷区进行勘查。分析总结物探勘测成果,布置相邻钻孔分别对异常区和正常区域进行钻探验证,取得了较好的效果。

为了调查和监测山西省中部某个变电站周边采空区的活动情况,使用瞬变电磁中心回线法前后三次进行探测,探测结果显示每次采空区范围在不断扩大,地面出现明显的下沉和塌陷,说明该地区极不稳定。通过瞬变电磁法可以快速获得浅部至中、大深度地层的电性信息,能够较好地解释采空区地质问题,取得令人满意的探测结果。

通过宝成线观音山至青石崖区间某一石拱桥的病害整治工程,介绍了物探检测方法在石拱桥病害整治工程中的应用。采用超声波透射波法和CT法对石拱桥进行检测,结果表明,超声波法对石砌结构的桥梁检测效果较好;超声波透射波法和超声波CT法联合应用,可以比较好的检测石拱桥内部病害区位置及大小,为制定石拱桥的治理方案提供了有力的技术支持,同时也为治理效果检测提供了一种有力手段。

通过设计物理模型,实现对小煤矿采空区的数值模拟研究,分析了小窑采空区产生的地震响应在地震时间剖面的反射波特征.发现小范围采空区在地震时间剖面的响应是反射波组同向轴错断,大面积采空区在地震时间剖面的响应表现为了煤层同相轴的"类向斜特征"。对山西晋城和洪洞地区两个煤矿采空区进行实地探测研究,都取得较好的应用效果。

在对煤矿采空区的勘查中,浅层地震可谓是首选的地球物理方法之一,其以分辨能力强、探测效果好等优势被广泛的应用于该领域,尤其是对同时存在多层采空区的情况更显示其优越性,但对比其他地球物理方法又具有野外作业要求高、资料处理解释技术难度大等特点,所以在这些方面更应以严谨的态度对待。根据以往的工作成果,对该方法的野外采集技术、资料处理与解释等方面提出了一些个人的见解。

为了便于研究地质体中常见层状地质结构的瞬变电磁响应特点,开发了针对板状体的正演计算软件。软件设计采用了面向对象与面向过程的方法,通过动态链接库将两者结合起来。系统界面友好、稳定,可以实现各种板状体的正演计算。二维计算采用有限差分的方法,实现了不同厚度、倾角、电导率的板状体及其组合的计算,计算结果以直观的图形曲线形式展现出来,并可利用其他成图软件进行深加工与研究。

在白银市魏家地煤矿,为了查明F_1-2断层组走向及其推覆体构造下煤层起伏形态及构造分布情况,进行了三维地震勘探。针对该区复杂的地震地质条件,在资料采集以及处理时均采用了相应的技术措施,获得了品质较高的三维数据体;在资料解释过程中采用常规地震资料解释辅以地震属性解释相结合的手段,解释的推覆体逆掩构造下的地质构造特点比较明显,圈定了断层煤的分布范围。

随着各地兼并开发的老煤窑、小煤窑比例的增加,煤田开采所面临的地质问题、尤其是采空区越来越复杂,掘进中极易引发突水事故。针对这一问题,笔者阐述了三维地震、高密度电法、可控源电法一体化综合物探解释技术用于解决煤田多层采空复杂区勘探研究方法,实际勘探结果证明,综合物探解释技术能有效地解决煤矿采空复杂区勘查。

叠前时间偏移是复杂构造成像最有效的方法之一,能适应纵横向速度变化较大的情况,适用于大倾角的偏移成像。笔者结合实例探讨叠前时间偏移技术在复杂构造区煤层地震资料处理中应注意的问题。结果表明:叠前时间偏移技术能够有效地提高复杂构造区煤层的成像效果,提高煤田地震资料的信噪比和分辨率。

随着经济、城镇化建设的快速发展,查明拟建地下巷道位置、埋深、规模和走向,对于地基处理和基础设计显得十分重要。笔者针对城市特殊的场地条件和干扰环境,开展了综合物探方法探测城市地下巷道的可行性研究,提出了以瞬变电磁法为主,浅层地震反射波法佐证为辅的新型综合物探组合模式,并深入研究了其可行性和互补作用。实践表明,上述综合物探方法组合既可适应于城市地下巷道的探测精度,又具有压制来自城市干扰的优势,是行之有效地方法。

地震波CT(Computerized Tomography)是一种信息量大、分辨率高的地球物理方法,非常适用于工程地质勘查。注浆充填是近几年来应用较多的一种采空区治理方案,由于采空区注浆治理后,其浆液位置和加固效果具有较大的不确定性,因此难以通过传统的取样、密实度等方法进行质量检测。地震波CT以其自身的优势成为了一种注浆质量检测的合适选择,并在实际应用中取得了良好的效果。

为方便煤田采空区瞬变电磁资料的解释,笔者根据瞬变电磁纵向电导微分成像的原理,编制了集层状模型正、反演、微分电导成像、采集数据预处理以及传统的视电阻率等方法于一体的综合瞬变电磁精细处理解释软件,并将这套软件应用于河南省老窑煤矿采空区的解释和推断工作中。结果表明:该软件处理速度快,成像直观,解释精度高。

近年来,煤窑采空区塌陷发生频繁,严重威胁着铁路工程建设和人类生命财产的安全,如何查清采空区的埋深、位置及空间延伸范围,对于指导煤窑采空区的整治尤为重要。笔者首先简要说明了地震CT层析成像的基本原理,然后结合工程实例,探讨了层析成像的应用效果。

通过对山西宁武煤田勘探区及勘探区地层电性特征分析,结合该区的地形地貌、地表水系等资料,选择瞬变电磁法为该区采空区及陷落柱勘探的物探方法。通过分析对比电阻率参数,认为根据勘探范围内地层的物性差异,可有效地寻找含水采空区及陷落柱的分布,划分出含水区范围。

介绍瞬变电磁法在煤矿采空区勘查中的应用,并对比不同回线装置在实际工程中的效果。结果表明,重叠回线装置的横向分辨率较高,探测深度达数百米;大定源回线装置能够探测深部信息,且能比较详细地划分异常。

针对测区内村庄外围房屋多处出现的裂缝,查明这些房屋下是否有采空区存在,裂缝是否由采空区造成,应用瞬变电磁勘探方法探测资料,并结合开采区的地质和挖掘情况,推断出采空区影响范围,认为村庄外围房屋多数出现的裂缝主要是由采空区造成的。

为排除安全隐患,对山西省某煤矿周边的小煤窑采空区进行探测。在资料处理中,通过对比性研究,发现采空区的时间剖面会出现,反射波同相轴下凹时间发生延迟、反射波同相轴中断、不连续或间断连续等现象。利用地震时间剖面反射波的特征对采空区进行解释,查出了勘探区内3号煤层采空区7处,,共计面积约0.808 km²,其中3个采空区现已揭露,采空区的解释范围和所揭露的基本相符,解释成果得到很好验证。

在煤矿生产过程中,随着煤层的被开采挖掘,地下会形成越来越多的采空区,采空区及其上部地层的地球物理性质也随之发生了显著变化,而地震勘探能有效地解决地下物性差异明显的构造。笔者利用三维地震勘探技术对采空区的反射波特征进行了分析,总结地震数据采集工作中影响采空区分辨率的因素,以及采空区资料处理中的关键技术。通过煤矿实际开采验证,证明了三维地震勘探技术对采空区的勘探是可行的、有效的。