綜合物探技術(shù)在整合煤礦復(fù)雜采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

王 晶，張建州，范慶榮，李海波

(山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊，山東泰安271021)

地質(zhì)與勘測

綜合物探技術(shù)在整合煤礦復(fù)雜采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

王 晶，張建州，范慶榮，李海波

(山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊，山東泰安271021)

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Technology in Prospecting Complex Gob in Integrated Coal Mine

小煤窯在整合前對采空區(qū)的勘查是安全生產(chǎn)中的一項非常重要的工作，采用物探技術(shù)對煤層多、煤層采空區(qū)不規(guī)則等復(fù)雜采空區(qū)進(jìn)行勘查具有成本低、見效快、精度高的優(yōu)勢。通過三維地震和瞬變電磁法技術(shù)對張村井田中多煤層采空區(qū)進(jìn)行勘探，基本查明了該井田采空區(qū)范圍和剩余煤層賦存情況，從而為張村井田進(jìn)一步整合復(fù)工提供參考。

采空區(qū);三維地震;瞬變電磁法;勘探

煤礦采空區(qū)一直是煤礦安全開采的隱患，尤其在小煤窯較多、開采不規(guī)律的情況下，煤礦整合要更加注重對整合前小煤窯采空區(qū)的調(diào)查。為查明張村井田區(qū)內(nèi)二1煤層、一4煤層和一2煤層的采空區(qū)范圍、富水狀況，在該井田進(jìn)行了三維地震勘探和瞬變電磁法勘探工作，取得了良好的效果。

1 張村井田勘探區(qū)概況

(1)井田地表 張村井田地處太行山向華北平原過渡地帶，屬丘陵地形。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育、村莊較多、磚瓦廠、采石場遍布，同時地表許多區(qū)域遍布礫石，部分巖石出露地表，以及小煤窯開采不規(guī)則等。

(2)井田煤層賦存 張村井田主體為一斷陷構(gòu)造盆地，地層傾角一般在10～25°，局部達(dá)30°。軸部在勘查區(qū)中部偏西的斷層處，呈淺部較緩、深部變陡的趨勢，軸部最深處煤層埋深達(dá)850m，相對高差較大。地表井田地形總體呈西北高、西南低。鉆孔資料顯示，該井田實際主采煤層3層，且煤層十分不穩(wěn)定，厚度0.8～6m。

(3)井田采空區(qū) 張村井田小煤窯沒有完整的勘查資料，井口布置不規(guī)律。通過對現(xiàn)有該區(qū)資料分析發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)時技術(shù)力量有限，現(xiàn)有資料的井口位置坐標(biāo)因誤差較大而無法利用。

(4)井田采空區(qū)主采煤層 該區(qū)主采煤層為石炭系太原組一2煤，全區(qū)可采;太原組一4煤，大部可采;二疊系山西組二1煤，局部可采。主要煤層埋深一般為150～800m，煤層埋深變化較大，原開采無規(guī)律，同時該井田構(gòu)造復(fù)雜，小斷層較多，導(dǎo)致采空區(qū)分布復(fù)雜。

2 煤層采空區(qū)的地質(zhì)與地球物理特征

2.1 采空區(qū)地質(zhì)特征

本區(qū)位于華北晚古生代聚煤盆地的南部，處于華北板塊板內(nèi)太行構(gòu)造區(qū)太行斷隆區(qū)東南部。太行斷隆區(qū)地質(zhì)演化大致可分為3個階段:沉積埋藏階段(C2～T)、抬升剝蝕階段 (T3末～K)、局部沉降階段 (R+Q)。區(qū)域地層屬華北地層區(qū)太行小區(qū)地層，由老到新發(fā)育有太古界、下元古界、上元古界震旦系、下古生界寒武系和奧陶系、上古生界石炭系和二疊系、新生界古近系和新近系。

2.2 采空區(qū)的地震波特征［1］

煤層及含煤巖系由于成因不同而表現(xiàn)出不同的分布狀態(tài)，多呈現(xiàn)為層狀沉積、層狀展布。正常情況下，煤層反射波是連續(xù)的、有規(guī)律的同相軸。當(dāng)煤層被開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的應(yīng)力狀態(tài)，使原有地層錯動、產(chǎn)生裂縫、發(fā)生塌陷等，此時煤層反射層的介質(zhì)和形態(tài)、深度都有改變，困此反射波在頻率、振幅及時間上都會出現(xiàn)異常。當(dāng)采空區(qū)未被充填時，煤層反射波消失，當(dāng)上覆地層塌落、回填，則采空區(qū)的反射波凌亂、一定范圍內(nèi)的反射波同相軸向下錯動，呈現(xiàn)出松散、塌落形態(tài)。

2.3 采空區(qū)的電性特征［2］

瞬變電磁法是物探的主要手段之一，同地震勘探一樣也是利用物性差異來了解地下地質(zhì)體情況，這種差異體現(xiàn)在地質(zhì)體的電性上。當(dāng)煤層完整、沒有開采時，該煤層層位的電阻率值起伏不大;當(dāng)采空區(qū)保存完整且基本上未沖水時，在電性上為高電阻率值反映，而采空區(qū)或者采空后塌陷有導(dǎo)水裂隙而充水時，則表現(xiàn)為低電阻率值。根據(jù)張村井田現(xiàn)有開采資料可知，該區(qū)采空區(qū)基本都充水，所以該區(qū)的采空區(qū)應(yīng)為低電阻率特征反映。

3 三維地震勘探在中深部采空區(qū)中的應(yīng)用

3.1 三維地震野外施工觀測系統(tǒng)

由于張村井田煤層深度變化較大，根據(jù)這種特點，在三維區(qū)野外數(shù)據(jù)采集階段分別采用了3種8線8炮制觀測系統(tǒng)。埋深200m以淺煤層區(qū)域觀測系統(tǒng)采用橫向炮距20m，縱向炮距40m、道距10m、48道接收，線距40m，24次覆蓋的觀測系統(tǒng);煤層埋深200～350m，觀測系統(tǒng)采用橫向炮距20m，縱向炮距60m、道距10m、60道接收，線距40m，20次覆蓋的觀測系統(tǒng);埋深350m以深，觀測系統(tǒng)采用橫向炮距20m，縱向炮距80m、道距20m、72道接收，線距40m，36次覆蓋的觀測系統(tǒng)。通過以上觀測系統(tǒng)的選擇，可以有效地提高張村井田中深部的采空區(qū)地震資料采集的質(zhì)量，為地震資料內(nèi)業(yè)采空區(qū)資料分析奠定了基礎(chǔ)。

3.2 三維地震對單煤層采空區(qū)的識別

3.2.1 對上層煤采空區(qū)的識別

三維地震勘探具有高分辨率的特點，張村井田由于上層可采煤層二1煤較厚，開采工藝簡單，所以大部分小煤窯把上層可采煤層開采完畢。時間剖面上3個主要開采煤層分別對應(yīng)3個地震時間剖面同相軸層位 (分別為T21波、T14波、T12波)。當(dāng)?shù)?個時間剖面二1煤層 (T21)位被采空時，同相軸發(fā)生缺失 (見圖1圈出采空區(qū)域)。

圖1 上層煤采空區(qū)時間剖面

3.2.2 對下層煤采空區(qū)的識別

由于該區(qū)二1煤層較厚、較淺，局部區(qū)域厚度達(dá)6m，在村莊邊緣如果開采二1煤，容易引起房屋塌陷等現(xiàn)象。所以在個別房屋、工廠等障礙物下發(fā)現(xiàn)開采下層煤層，保留上層煤的現(xiàn)象。同時張村井田二1煤很不穩(wěn)定，在該勘探區(qū)南部二1煤沒有達(dá)到可采厚度，也會出現(xiàn)開采下層煤保留上層煤的的跡象(見圖2)。

圖2 下層煤采空區(qū)時間剖面

3.3 三維地震對多煤層采空區(qū)的識別

3.3.1 對2層煤采空區(qū)的識別

張村井田由于很多小煤窯含水量特別大，給開采帶來很大風(fēng)險，尤其是一2煤和奧灰水只間隔20m左右，所以該區(qū)大部分小煤窯都只開采了上面2層煤。在三維地震時間剖面上顯示為上2組煤層即二1煤、一4煤反射波缺失，下組一2煤反射波由于受到上面層位的屏蔽和本身煤層較薄的原因，在本區(qū)大部分區(qū)域反映不是很明顯，但仍能夠辨別出上2層煤開采完后一2煤層反射波組并沒用發(fā)生采空的跡象 (見圖3)。發(fā)現(xiàn)個別小煤窯上層二1煤保留，下2層煤被開采的痕跡。

圖3 2層煤采空區(qū)在時間剖面上的顯示

3.3.2 對3層煤采空區(qū)的識別

張村井田在南北邊界露頭處由于含水量小，開采容易，多個小煤窯發(fā)現(xiàn)二1煤、一4煤、一2煤3層可采煤層都被采空。在時間剖面上顯示3組同相軸在遇到采空區(qū)時全部突然消失，在本區(qū)內(nèi)岳陽礦小煤窯得到證實(見圖4)。

圖4 3層煤采空區(qū)時間剖面

4 瞬變電磁法在張村井田采空區(qū)中的應(yīng)用

4.1 瞬變電磁法對采空區(qū)的識別［4］

根據(jù)測區(qū)特點分別對該區(qū)淺部和深部進(jìn)行試驗。首先在測區(qū)北部進(jìn)行了試驗工作，最終確定參數(shù)為:淺部頻率6.25Hz，發(fā)射框400m×400m，增益21～23db，電流14～16.0A，積分時間30s 2次;深部頻率6.25Hz，發(fā)射框600m×600m，增益21～23db，電流16～18.0A，積分時間30s 2次。

在8740～9060號測點之間，50～300m標(biāo)高位置，二1煤、一4煤及奧陶系頂界面附近，視電阻率等值線向下凹，并在橫向上有一定延展，電阻率值相對較低，推斷該位置煤層已經(jīng)被開采 (見圖5)。正常情況下同一巖層的視電阻率值差異較小，但當(dāng)某一地段巖層發(fā)生變動成為采空區(qū)富水時，其視電阻率值偏低，因此電性的差異在一定程度上反映采空區(qū)的情況。

圖5 采空區(qū)在視電阻率擬斷面圖上的顯示

4.2 瞬變電磁法和三維地震在二1煤層應(yīng)用情況

地震和電法對采空區(qū)的勘探各有優(yōu)勢，地震可以有效地通過同相軸的強(qiáng)弱、斷缺來判斷采空區(qū)的位置，但易受上覆煤層的影響，對大傾角地質(zhì)體進(jìn)行勘探時選擇的偏移量也帶來較大誤差，瞬變電磁法受建筑物干擾較嚴(yán)重，多解性更復(fù)雜，通過在該區(qū)運(yùn)用2種不同物探方法相互驗證，綜合分析后可以更精確地查明煤礦采空區(qū)的分布范圍。圖6為二1煤層采空區(qū)范圍俯瞰圖 (空白部分為采空區(qū)范圍)，通過電法進(jìn)行驗證后發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁法勘探出的富水區(qū)域 (圖7)基本和地震勘探成果吻合(勘探區(qū)中間深部沒有進(jìn)行瞬變電磁法勘探)。

圖6 二1煤層地震采空區(qū)俯瞰

圖7 二1煤層瞬變電磁順層切片

綜合分析該區(qū)二1煤層采空區(qū)和富水情況，分別包括測區(qū)北部富強(qiáng)、富達(dá)、山前、協(xié)和煤礦大部分區(qū)域，馬務(wù)、東鑫、裴寨二號煤礦大部分區(qū)域和宏升煤礦小部分范圍。測區(qū)北部富強(qiáng)、富達(dá)煤礦大部采空區(qū)電阻率低，山前、協(xié)和煤礦采空區(qū)富水性也較強(qiáng)，測區(qū)南部馬務(wù)、東鑫、裴寨二號及宏升煤礦采空區(qū)電阻率較低，最低達(dá)20Ω·m，采空區(qū)全部充水，其中馬務(wù)煤礦本次圈定富水異常區(qū)比地震推斷采空區(qū)范圍略大。

5 結(jié)論

在用物探方法對煤礦采空區(qū)進(jìn)行勘探時，綜合利用地震勘探和瞬變電磁法可以有效地提高勘探精度。張村井田通過后期的鉆孔驗證以及巷道掘進(jìn)情況對比，物探的采空區(qū)范圍和實際采空區(qū)范圍吻合較好，充分證明了物探技術(shù)對采空區(qū)勘探的有效性。但物探技術(shù)也有其自身技術(shù)的局限性，當(dāng)煤層較薄而且是下層煤時，地震反射波反映在時間剖面上能量較弱，同相軸連續(xù)性差，有時候會被誤認(rèn)為采空區(qū);瞬變電磁法在采空區(qū)沒有充水時勘探精度較低。因此，需要利用地震和電法2種物探方法進(jìn)行綜合分析，從而提高物探對復(fù)雜采空區(qū)的分辨率，保障煤礦安全生產(chǎn)。

［1］馬 麗，劉 江，等.地震勘探在采空區(qū)探測方面的應(yīng)用［J］.山西煤炭，2008(2):90－92.

［2］吳成平，胡祥云.采空區(qū)的物探勘查方法［J］.地質(zhì)找礦論叢，2007，22(1):19－23.

［3］王 晶，山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊.河南新鄉(xiāng)焦煤礦業(yè)開發(fā)有限公司張村井田地震勘查報告［R］.山東泰安:山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊，2011.

［4］冒我冬，山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊.河南新鄉(xiāng)焦煤礦業(yè)開發(fā)有限公司張村井田瞬變電磁勘查報告［R］.山東泰安:山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊，2011.

［責(zé)任編輯:施紅霞］

TD15 P631

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1006-6225(2012)04-0021-03

2012－06－21

王 晶 (1983－)，男，江蘇響水人，工程師，主要研究方向為煤礦地球物理勘探地震和電法方法。