地下煤层被采出后, 在地下形成了一个空洞, 使原本平衡的地下应力系统遭到破坏, 岩层在上覆岩体的应力作用下发生变形、断裂、位移和冒落。顶板覆岩在垂直方向上的破坏可分为冒落带、裂隙带、弯曲变形带, 简称顶板“ 三带” , 如图1所示。

图1

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	图1 煤矿采空区顶板“ 三带” 示意

采空区顶板“ 三带” 中冒落带和裂隙带高度的研究方法主要有经验公式法、物理模拟、数值模拟和现场实测等。研究成果表明, 顶板覆岩冒落带和裂隙带的发育高度是煤层厚度的几倍甚至几十倍, 冒落带和裂隙带的存在, 改变了上覆围岩的物理性质, 相对增大了采深比, 扩大了采空区的异常范围, 因此, 利用物探方法探测采空区, 并不仅仅是探测与采出煤层等体积的空洞, 而是探测包括空洞、冒落带和裂隙带在内的整个区域。

煤层开采以后, 采空区附近短期内形成一定规模的充气空间, 其地层电阻率与围岩具有显著差异^[8], 但是由于此时充气空间规模有限, 当采深比较大时利用物探方法很难有效探测。开采结束一段时间后, 当采空区上方岩层在重力作用下发生坍塌变形, 冒落带、裂隙带发育成熟时, 若地下水通过裂隙向采空区汇集使采空区充水, 则由于水中溶解有大量的电解质, 采空区地层表现为低阻高极化的电性特征, 相反, 如果采空区未充水, 则由于地层中空洞、离层和裂隙的存在使岩矿石导电性变差, 此时, 采空区地层相对于围岩表现为高阻特征。

为了直观地讨论采空区的电性特征, 分别建立充水采空区(低阻)和未充水采空区(高阻)模型进行二维频率域电磁法有限元数值模拟。

如图2a为充水的低阻采空区模型, 第四系厚度20 m, 电阻率20 Ω · m; 煤系地层厚400 m, 电阻率100 Ω · m; 煤层厚5 m, 电阻率500 Ω · m; 采空区顶板覆岩“ 三带” ( 冒落带、裂隙带、弯曲变形带)厚度分别为20 m、60 m、20 m, 其电阻率分别为20 Ω · m、50 Ω · m、80 Ω · m, 导水裂隙带形状为两头高、中间低的马鞍状。图2b为采煤工作面斜长L变化时的电阻率断面, 由断面图可以看出, 受采空区充水、地层中岩矿石导电性增强的影响电阻率等值线呈现明显的下凹特征, 并且随着开采斜长L的增加下凹特征更加明显。

图2

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	图2 低阻采空区模型数值模拟结果

图3

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	图3 高阻采空区模型数值模拟结果

图3a为采空区顶板“ 三带” 充分发育但未充水的高阻采空区模型, 模型中顶板三带发育厚度与上述低阻采空区模型相同, 只是顶板“ 三带” 电阻率相对于围岩为高阻, 冒落带、裂隙带和弯曲变形带电阻率分别为1 000 Ω · m、800 Ω · m和150 Ω · m。图3b为采煤工作面斜长L变化时的电阻率断面, 由于

高阻采空区的存在, 电阻率等值线出现明显上凸形状, 并且随着采煤工作面斜长L的增加上凸特征更加明显。

数值模拟结果说明, 采空区的存在引起覆岩电阻率的显著变化, 当煤层采空区和顶板“ 三带” 的电阻率值与围岩电阻率具有显著差异, 并且采空区具有一定的规模时, 应用频率域电磁法进行煤层采空区探测在理论上是完全可行的。

山东某棚户区改造项目拟建场区毗邻一废弃的小煤窑, 为了对区域上方建筑的安全性进行评价, 必须首先查明小煤窑采空区的分布范围。本区含煤地层含上、中、下三层主要可采煤层, 三层煤总平均厚度为5.50 m, 煤层顶板埋深-100 m左右。根据已知地质资料和地质任务要求, 并考虑到地表实际情况, 测区范围内设计测线7条, 由北向南测线编号L1~L7。测线点距10 m, 控制目的层深度为± 0 m~-250 m。仪器设备采用美国EH-4电导率成像系统, 数据处理采用IMAGEM和EMAGE-2D数据处理系统, 正反演相结合, 反演采用BOSTIK反演。

通过EH-4电导率法探测结果可知, 在测区北部的L1~L5五条测线的反演电阻率断面上均有不同程度的采空区电性特征显示, 而在测区南部的L6和L7两条测线的反演电阻率断面上电性变化较为均匀, 无采空区特征显示。将L1~L5五条剖面上解译的采空区位置标定在平面图上可以看出测区范围内地下存在的采空区为一连续的采空区域, 本文选择两条具有代表性的剖面进行对比分析。

图4

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	图4 山东某地EH-4探测反演电阻率断面

图4a为北部L1线反演电阻率断面。断面图清晰地反映出地下煤层采空区及上覆岩层移动、破坏的电阻率异常特征。测线方向30~110 m桩号段, 埋深70~100 m范围内, 地层电阻率等值线呈现下凹形状, 表明该段煤层开采后冒落带、裂隙带充水, 致使地层电阻率明显降低, 这是典型的采空区异常电性特征, 推断该区段煤层已被开采, 地层稳定性较差。

图4b为南部L6线反演电阻率断面, 可以看出测线下方地层电阻率具有很好的连续性, 未发现明显的煤层采空区低阻或高阻电阻率异常, 推断该测线地下无采空区存在, 该段地层稳定性好。

矿区位于灵山— 龙王山次级倾伏背斜, 开采煤层为二叠系龙潭组上₁煤层。矿区范围内基岩裸露, 地表出露以三叠系青龙组灰岩为主。如图5为矿井采掘平面图, 从图中可以看出该废弃矿井为一对双斜井开拓, 在井筒的东西两侧分别为东、西两个采区, 图中阴影部分为已知采空区的范围。现场实地踏勘依然可以看到遗留的双斜井井口, 井筒内充水。为了查明煤矿后期开采时是否已向北部即深部煤层延伸, 本次探测在已知采空区的北部布置4条CSAMT法测线, 测线自南东向北西编号2线、4线、6线和8线, 测线点距20 m。仪器设备采用美国GDP-32^Ⅱ 多功能电法仪, CSAMT赤道偶极标量法测量, 频率范围8~8 192 Hz。野外采集的原始数据首先进行干扰剔除、去噪、近场校正及静态效应校正等预处理, 然后进行反演成像得到各测线反演电阻率断面。

图5

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	图5 江苏某矿区CSAMT探测测线布置

图6

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	图6 江苏某矿区CSAMT探测2线反演电阻率断面

如图6为2线反演电阻率断面, 由图中可以看出由浅到深地层电阻率表现为“ 高— 低— 高” 的变化特征。由已有地质资料可知, 2线断面中龙潭组上₁煤层顶板埋深为-550 m左右。由断面图可以看出1 040 m ~1 260 m桩号段, 上₁煤层位置附近地层电阻率等值线呈现明显的“ V” 字型低阻异常, 表明该段煤层开采后上覆岩层发生冒落、弯曲变形破坏, 改变了原来地层的连续性, 产生了大量的离层、空洞、裂缝且具有一定的含水性, 致使地层电阻率明显变化, 推断该区段煤层已被开采。而测区北部的4线、6线和8线电阻率断面图上无明显采空区电性特征显示。因此, 推断该废弃矿井西采区在开采过程中已经向深部延伸, 已知采空区北部的煤层也已经被开采。该探测结果已经被后期收集到的接近闭坑时的矿井资料所验证, 探测结果与实际开采情况完全吻合, 这充分说明了可控源音频大地电磁法应用于煤矿采空区探测的可行性和有效性。