淺層地震和瞬變電磁法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究

李宏杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京100013;2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (煤炭科學(xué)研究總院)，北京100013)

由于早期的小煤窯均采用較為落后的采煤方法，且多屬于無(wú)規(guī)劃開(kāi)采，遺留開(kāi)采區(qū)域不詳，導(dǎo)致許多隱性老采空區(qū)的存在。老采空區(qū)內(nèi)存在大量的有毒有害氣體，一方面，使礦井空氣嚴(yán)重缺氧，造成人員窒息而亡;另一方面，可以引起再生火災(zāi)，從而引起瓦斯、煤塵爆炸。老采空區(qū)一般有大量積水，就像懸浮在掘進(jìn)頭或工作面上方的水庫(kù)，時(shí)刻威脅著安全生產(chǎn)，從而給本煤層及下組 (層)煤的開(kāi)采帶來(lái)極大的安全隱患。因此，煤礦老空區(qū)誘發(fā)的事故已經(jīng)成為影響礦井安全生產(chǎn)的重大關(guān)鍵問(wèn)題之一。為了防止和減少水害事故，必須提前對(duì)老空區(qū)進(jìn)行超前探測(cè)和預(yù)警。目前工程物探方法具有快速和大面積普查的優(yōu)勢(shì)，已越來(lái)越成為探明地下采空區(qū)的一項(xiàng)重要和有力的勘探手段。在眾多物探方法中，瞬變電磁以其對(duì)低阻含水體靈敏、受體積效應(yīng)影響相對(duì)較小、縱橫向分辨率高、且施工靈活輕便及工作效率高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于采空區(qū)積水探測(cè)［1－7］。近幾年淺層地震法在煤礦采空區(qū)的勘查中應(yīng)用較廣，其主要依據(jù)仍然是通過(guò)追蹤被采煤層的反射波，視其在勘查剖面上的變化來(lái)確定采空區(qū)是否存在，并圈定其邊界［8－11］。這兩種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，瞬變電磁可以探測(cè)采空區(qū)和積水，但由于受體積效應(yīng)的影響，會(huì)產(chǎn)生多解性;淺層地震法可以探測(cè)采空區(qū)的分布，但對(duì)確定積水情況較為困難。因此，單一的物探手段在復(fù)雜地質(zhì)和開(kāi)采條件下很難確定采空區(qū)及積水的分布及其特點(diǎn)，所以綜合物探技術(shù)是采空區(qū)調(diào)查和治理的先行有效手段。

本文基于淺層地震和瞬變電磁綜合物探勘查方法，對(duì)某礦計(jì)劃開(kāi)采區(qū)域的上組煤老空區(qū)進(jìn)行采空區(qū)及積水勘查，以便于下組煤的安全回采。通過(guò)綜合物探勘查方法基本查明了異常區(qū)的位置、分布范圍和積水情況，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障，同時(shí)也便于根據(jù)實(shí)際采空情況采取相應(yīng)的技術(shù)措施，并為相關(guān)部門(mén)的科學(xué)決策提供依據(jù)。

1 淺層地震探測(cè)原理

淺層地震勘探分為反射波法和折射波法，由于折射波法應(yīng)用需要一定的前提，即被探測(cè)目標(biāo)層波速大于上覆地層波速，因而應(yīng)用受到限制［12］。因此，淺層地震反射波法應(yīng)用較為廣泛。淺層地震反射波法就是人工激發(fā)的地震波在地面下傳播過(guò)程中遇到反射界面后，再傳向地面，通過(guò)地面埋設(shè)的檢波器接收反射到地面的地震波信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換后，再運(yùn)用數(shù)據(jù)處理方法對(duì)地震波進(jìn)行必要的處理，形成地震時(shí)間剖面，在地震時(shí)間剖面上解讀探測(cè)信息，如有采空區(qū)的存在，煤層的地震反射波組能量明顯減弱、連續(xù)性變差或消失，即可以以地震時(shí)間剖面上反射波不連續(xù)追蹤作為識(shí)別煤層采空區(qū)的重要標(biāo)志。

2 瞬變電磁探測(cè)原理

地面瞬變電磁法是一種時(shí)間域的電磁勘探方法，利用一個(gè)不接地的回線或磁偶極子 (也可以用接地線源電偶極子)向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場(chǎng)源 (習(xí)慣上稱為“一次場(chǎng)”)，在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)，從而得到異常體的導(dǎo)電性能和位置，達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的。在采空區(qū)探測(cè)中，如果采空區(qū)為不充水的空洞，在電性剖面上表現(xiàn)為高電阻率異常反映;若采空區(qū)為充水或有上部巖體塌落等，則會(huì)表現(xiàn)為低電阻率異常反映。

3 探測(cè)實(shí)例分析

鄂爾多斯市某煤礦計(jì)劃開(kāi)采井田東部4－2煤層，煤層厚度平均3m左右，采用綜采一次采全高開(kāi)采工藝。其上部為3－2煤，原小煤窯采用房柱式開(kāi)采，開(kāi)采范圍不清，3－2煤與4－2煤層間距平均35m左右。為了保證4－2煤 (下組煤)工作面的安全回采，需要對(duì)開(kāi)采區(qū)域內(nèi)的老空區(qū)的位置、分布范圍及積水情況進(jìn)行勘查。根據(jù)該礦地質(zhì)地形特點(diǎn)、采空區(qū)及積水的地球物理特征，對(duì)計(jì)劃開(kāi)采區(qū)域采用瞬變電磁法和淺層地震法進(jìn)行了勘查，確定了采空區(qū)及積水區(qū)的范圍和位置。

3.1 勘探區(qū)概況

礦井主要含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1－2y)，上覆地層有侏羅系中統(tǒng)直羅組 (J2z)、安定組 (J2a)、第三系上新統(tǒng) (N2)和第四系 (Q)。礦井構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為一向西南傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般為1～3°，地質(zhì)構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。勘查目標(biāo)層為3－2煤，為井田內(nèi)全區(qū)發(fā)育的主要可采煤層之一，煤層厚度平均3.0m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不含夾矸層位穩(wěn)定，對(duì)比可靠，頂板巖性為泥質(zhì)粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，底板為粉砂巖。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工布置

3.2.1 淺層地震法

本次探測(cè)采用法國(guó)產(chǎn)428XL型多道遙測(cè)數(shù)字地震儀進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。綜合分析人工重錘敲擊和人工落重敲擊次數(shù)與單炮記錄能量及品質(zhì)的關(guān)系，同時(shí)考慮到施工的方便性，本次淺層地震勘探采用人工落重或人工重錘敲擊激發(fā)10～14次垂疊記錄的方式進(jìn)行施工，一般采用12次垂疊記錄，接收道數(shù)為48道，道間距為4m。考慮到疊加次數(shù)與接收道數(shù)的關(guān)系，本次勘探采用100m為最大炮檢距。檢波器采用60Hz動(dòng)圈式檢波器3只串聯(lián)點(diǎn)式、挖坑埋置接收，坑深以檢波器位于密實(shí)沙土中為準(zhǔn)。資料處理是在美國(guó)的SGI公司生產(chǎn)的Sun-BLade2000工作站上進(jìn)行的，資料處理軟件為法國(guó)CGG公司GeoCluster處理系統(tǒng)和美國(guó)綠山折射靜校正軟件。

3.2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法勘探使用的是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電磁法探測(cè)儀，該儀器具抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、體積小、功率大、施工方便及測(cè)量精度高等特點(diǎn)。為較準(zhǔn)確地控制可能存在的采空區(qū)及積水異常，瞬變電磁法測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)為線距40m，點(diǎn)距20m，布置測(cè)線5條，分別為SS13～SS17線，測(cè)點(diǎn)215個(gè)，采用大定源回線裝置。

4 物探勘查結(jié)果分析

4.1 淺層地震法勘查結(jié)果分析

測(cè)線的解釋主要依據(jù)疊加時(shí)間剖面及偏移時(shí)間剖面，通過(guò)分析剖面解釋測(cè)線的正常賦煤地段及地質(zhì)異常段。本次地震時(shí)間剖面主要表現(xiàn)為以下幾種情況:正常賦煤地段表現(xiàn)為各煤層對(duì)應(yīng)同向軸較為穩(wěn)定，連續(xù)性較好;采空地段表現(xiàn)為煤層反射波組能量突然減弱或消失。圖1為SXD4線淺層地震勘探成果圖，圖中虛線框內(nèi)為正常賦煤地段，實(shí)線框內(nèi)為采空區(qū)地段。

4.2 瞬變電磁法勘查結(jié)果分析

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，根據(jù)地層的電性特征，設(shè)計(jì)了表示視電阻率的色譜，形成了視電阻率色譜斷面圖，該圖反映了勘查剖面的電阻率分布特征，并根據(jù)其分布特征進(jìn)行解釋。限于篇幅，文中只給出了SS15測(cè)線視電阻率剖面圖 (圖2)，SS15瞬變電磁法測(cè)線與淺層地震法SXD4測(cè)線重合。SS15線整體視電阻率變化較大，其中19～42號(hào)點(diǎn)附近視電阻率異常高，結(jié)合地震資料及地質(zhì)資料分析，該部位為采空區(qū)的反映;其中13～19號(hào)點(diǎn)附近存在低阻異常，且從地震資料分析該處為采空區(qū)異常，推斷該部位為采空積水區(qū)。根據(jù)以上解釋原則，形成了瞬變電磁法勘查成果。

圖1 SXD4線淺層地震勘探

圖2 SS15測(cè)線視電阻率剖面

4.3 綜合勘查結(jié)果分析

采空區(qū)的解釋主要依據(jù)淺層二維地震和瞬變電磁反映綜合考慮分析解釋。根據(jù)2種方法各自的特點(diǎn) (二維地震對(duì)采空區(qū)的反映比較直觀，瞬變電磁對(duì)水體反映靈敏)，結(jié)合本次工作量設(shè)計(jì)布置特點(diǎn) (二維地震測(cè)線線距較大，瞬變電磁線距較密)，因此解釋時(shí)在二維地震測(cè)線布置的地方以地震解釋成果確定采空區(qū)位置;在地震測(cè)線未控制區(qū)域，由瞬變電磁補(bǔ)充修正解釋，進(jìn)一步細(xì)化采空區(qū)范圍和分布形態(tài)。根據(jù)掌握的地質(zhì)、開(kāi)采條件分析探測(cè)成果剖面的電阻率分布特征和地震同相軸特征，以此得到正確的地質(zhì)解釋。

圖3為淺層地震和瞬變電磁綜合物探勘查法的解釋成果平面圖，測(cè)區(qū)南部為實(shí)體煤，中南部為低阻采空積水區(qū)，北部為采空區(qū)。為了進(jìn)一步確認(rèn)積水采空區(qū)探測(cè)的準(zhǔn)確性及確保4－2煤的安全回采，礦方在采取安全措施的情況下打開(kāi)了原有的密閉巷道，進(jìn)入勘查所確定的采空區(qū)積水異常區(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)巷道內(nèi)積水嚴(yán)重，從而驗(yàn)證了探測(cè)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)淺層地震和瞬變電磁探測(cè)方法各自的特點(diǎn)，結(jié)合本次工作量設(shè)計(jì)布置特點(diǎn)進(jìn)行綜合解釋?？辈榻Y(jié)果表明:測(cè)區(qū)南部為實(shí)體煤，中南部為低阻采空積水區(qū)，北部為采空區(qū)。

圖3 綜合物探勘查解釋成果平面

(2)各種物探方法應(yīng)用都有一定的地區(qū)物理前提，存在一定的局限性，單一方法很難解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題。而綜合物探勘查方法可以減少物探推斷的多解性，增加探測(cè)結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性。本文對(duì)于淺層地震和瞬變電磁法的綜合應(yīng)用進(jìn)行了研究，取得了良好的效果。

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