綜合物探技術(shù)探測煤礦采空區(qū)及富水性的應(yīng)用實(shí)踐

樊莽 高偉華

我國煤炭儲量豐富，采礦技術(shù)發(fā)達(dá)，但也存在許多影響安全生產(chǎn)的危險(xiǎn)因素，比如說礦井水害。本文就是希望從煤礦采空區(qū)的地質(zhì)物理?xiàng)l件特征分析入手，選擇合適的物探技術(shù)對其進(jìn)行綜合勘探，對采空區(qū)及其富水性的應(yīng)用進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，從而取得較好的地質(zhì)效果，為今后的煤炭礦井開采方案選擇提供理論實(shí)踐依據(jù)。

我國煤礦企業(yè)在進(jìn)行了大范圍的兼并重組后，希望通過規(guī)范生產(chǎn)和擴(kuò)大規(guī)模來整合產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從而開拓更好的發(fā)展道路。從技術(shù)層面看，發(fā)展物探手段，積極了解礦區(qū)內(nèi)煤層的構(gòu)造及賦存發(fā)育特征，是實(shí)現(xiàn)高效大規(guī)模開采生產(chǎn)的必由之路。為此，對煤礦采空區(qū)及富水性的預(yù)測，就成為了目前物探技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。

一、采空區(qū)的地質(zhì)物理特征

（一）關(guān)于地震反射

在煤層采空區(qū)，煤層的采挖是并不規(guī)則的，這是因?yàn)椴煽諈^(qū)的煤層會逐漸變薄，并且還會出現(xiàn)局部煤柱殘留現(xiàn)象。如果從時間剖面的角度分析，那么它的反射波也會表現(xiàn)出同相軸扭曲，振幅也隨之減弱甚至消失等情況。另外，由于采空區(qū)的存在，它打破了原有的地球物理應(yīng)力平衡。所以開采工作會因?yàn)槊簩雍穸?、頂板巖性的不同呈現(xiàn)不同的采空區(qū)狀態(tài)。比如說范圍內(nèi)呈現(xiàn)腔狀的頂?shù)装鍛铱諣顟B(tài)。另外還有在頂板巖完整穩(wěn)定的狀態(tài)下，采空區(qū)頂在上覆應(yīng)力的作用影響下呈現(xiàn)彎曲，漸漸擠壓閉合的狀態(tài)。而一旦頂板出現(xiàn)冒落情況，采空區(qū)會被巖石碎塊、碎屑或煤屑等混合物填充，其密閉性小于煤層的空氣與水混合充填狀態(tài)等等。所以說，煤層與采空區(qū)的接觸邊界兩側(cè)也會出現(xiàn)明顯的密度差異，它為利用地震地質(zhì)物理技術(shù)探測采空區(qū)提供了物理學(xué)依據(jù)。

（二）采空區(qū)及其富水性的電性

當(dāng)?shù)V區(qū)實(shí)行大面積采空作業(yè)時，采空區(qū)及其上地層的電性特征就會發(fā)生明顯變化，它的主要表現(xiàn)為：首先，煤層采空區(qū)在冒落帶區(qū)域會出現(xiàn)與原采空區(qū)地層不同的特質(zhì)，即它的巖性會更加疏松，相對密實(shí)度也會有所下降，同時它的傳播導(dǎo)電性也會隨之降低，呈現(xiàn)高阻異常的狀況;其次，采空區(qū)原有的裂隙帶不會發(fā)生巖性方面的變化，但是裂隙帶的內(nèi)巖石會產(chǎn)生裂隙發(fā)育，這種情形會導(dǎo)致巖石導(dǎo)電性的降低，從而提高它的電阻率。所以如果采空區(qū)內(nèi)的冒落帶在10米以上的高度，它內(nèi)部填充物的電阻率就會升高并高于其它周圍介質(zhì);最后，如果采空區(qū)出現(xiàn)大量充水狀況，那么采空區(qū)巖層的導(dǎo)電性也會因此而變強(qiáng)，與此同時，巖層的電阻率會明顯減小。

二、綜合物探技術(shù)的相關(guān)評價

就目前來看，我國在采空區(qū)探測方面存在多種綜合物探技術(shù)手段，他們在技術(shù)層面各有優(yōu)勢，也存在問題。比如說較為流行的地震勘測、高密度電法、瞬變電磁法等等。本文將主要介紹這三種物探技術(shù)手段的優(yōu)勢與劣勢。

（一）地震物探技術(shù)

地震物探技術(shù)所利用的并不是真實(shí)的地震，而是由人工制造的仿地震波。這種地震波會引起對煤層采空區(qū)上覆巖層的破壞，同時，地震波的強(qiáng)吸收衰減性，也使得采空區(qū)的反射波回饋頻率有所降低，使得采空區(qū)巖層的裂隙與圍巖碎塊產(chǎn)生波動無序甚至畸變。而相對來說，采空區(qū)下部巖層卻沒有明顯變化。所以當(dāng)煤層采空區(qū)頂板遭到破壞后，就應(yīng)該通過其剖面反射波組的變化情況來判斷煤層采空區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各種低頻干擾，從而識別煤層采空區(qū)的實(shí)時狀態(tài)。相對而言，這種物探方法的缺點(diǎn)也很明顯。由于煤層采空區(qū)在受到強(qiáng)烈地震波坍塌之后，它的上覆巖層會遭受嚴(yán)重破壞，這時采空區(qū)的上層冒落帶和裂隙帶就會形成一個具有深層裂隙高度的破壞帶，它對地震波的傳播反饋會產(chǎn)生相當(dāng)影響。這種影響甚至可以導(dǎo)致勘測者對于采空區(qū)的實(shí)際大小和異常大小出現(xiàn)識別誤差。這對查明采空區(qū)區(qū)域的富水性也有嚴(yán)重影響。

（二）高密度電技術(shù)

高密度電技術(shù)的主要目的是向地下供應(yīng)高壓直流電，靠測量和改變電機(jī)探測電性異常來引發(fā)電流場出現(xiàn)畸變。它可以一次性進(jìn)行多裝置的數(shù)據(jù)采集，并通過計(jì)算比值參數(shù)來凸顯異常信息存在的各種特點(diǎn)。與電阻率物探法相同的是，它也通過采空區(qū)巖層的電阻率作為評判標(biāo)準(zhǔn)，所以也可以說，高密度電技術(shù)的根本就是電阻率法。這種方法的優(yōu)勢就在于對一些淺層地質(zhì)的異常分辨能力相當(dāng)強(qiáng)，而且具有良好的抗擾能力。但是它的缺點(diǎn)就是很容易受到高電阻屏蔽的影響，只能勘探較淺（不高于200m）的深度，再深層勘探分辨率就會極具下降1/3甚至1/2左右。

（三）瞬變電磁技術(shù)

瞬變電磁技術(shù)與地球物理電磁感應(yīng)探測有關(guān)，它基于時間域，由人工完成。在此種方法中，不需要進(jìn)行低回回線甚至接地線源的連接，它會自動向地下發(fā)送一組脈沖電磁場，然后利用線圈來觀測和感應(yīng)脈沖電磁場的地下渦流，從而解決一些電磁場中所出現(xiàn)的地質(zhì)問題。這種方法對地質(zhì)體的反映相當(dāng)靈敏，而且具有很高的縱橫向分辨率。它的勘測深度范圍大，可以從100m～500m，而且它不會受到高電阻率的影響，工作效率極高。對于一些含水地質(zhì)體來說，它能夠快速發(fā)現(xiàn)采空區(qū)積水區(qū)中的電性異常反應(yīng)。但同時它的缺點(diǎn)就在于對高阻地質(zhì)體反映性差，這一點(diǎn)和高密度電法類似。

（三）相關(guān)應(yīng)用案例分析

選擇某礦區(qū)的采空區(qū)進(jìn)行地震勘測物探，從而確定采空異常區(qū)的分布范圍。考慮到該礦區(qū)中所設(shè)計(jì)的巷道在采空異常區(qū)邊緣，所以可以考慮使用高密度電法進(jìn)行相關(guān)的富水性探測。當(dāng)巷道進(jìn)入異常區(qū)內(nèi)則可以進(jìn)行礦井的瞬變電磁法探測，此時就可以證明該礦區(qū)的富水區(qū)是存在的。在進(jìn)行仿地震波的地震勘測實(shí)驗(yàn)時，觀察煤層及采空區(qū)的剖面，會發(fā)現(xiàn)它們的特征較為突出，而且很容易進(jìn)行定性。此時的瞬變電磁測線會在多測道剖面上呈現(xiàn)700～900m的高電壓，也就是雙峰異常狀態(tài)。此時應(yīng)該根據(jù)電阻率的擬斷面來判斷采空區(qū)的電阻率特征。正常情況下應(yīng)該表現(xiàn)為低阻高壓，而且它的異常定性是多解性的。整體來看，整個采空區(qū)的高層和中層都處于低阻異常區(qū)，所以也可以推斷這兩處均為采空層的富水區(qū)。在巷道中，電阻率的等值線具有較為均勻的變化，而且沒有出現(xiàn)明顯的低阻異常擾動現(xiàn)象，這就表明了該探測范圍內(nèi)地層的連續(xù)性較為良好，基本沒有明顯的富水地質(zhì)構(gòu)造或者采空積水區(qū)。

總結(jié)

從礦區(qū)采空區(qū)整體來看，最為安全有效的勘探路徑就是首先利用地震勘探來劃分采空異常區(qū)，然后通過仿地震波來確定采空層的含水性。而在探測過程中，根據(jù)瞬變電磁法與高密度電法兩種方法來進(jìn)行對富水區(qū)的準(zhǔn)確定位，然后再結(jié)合位置為采空區(qū)鉆孔放水，從而排除富水區(qū)的積水隱患。所以說，物探技術(shù)對采空區(qū)富水性的應(yīng)用實(shí)踐應(yīng)該首先考慮實(shí)際情況，在對礦區(qū)采空區(qū)進(jìn)行物性特征評價之后再選擇最適合的物探技術(shù)來進(jìn)行勘探，從而求得最好的地質(zhì)效果。