綜合物探法在采空區(qū)及其富水性探測中的運用

李二鋒，張松濤，井國正

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，青海 西寧 810012)

綜合物探法在采空區(qū)及其富水性探測中的運用

李二鋒，張松濤，井國正

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，青海 西寧 810012)

我國采礦環(huán)境日趨復雜，為了保證采礦人員的人身安全，必須采用一些高新的方法對礦區(qū)的基本情況進行調(diào)查分析。通過綜合物探法可以將礦區(qū)礦層的構(gòu)造及賦存發(fā)育特征探查明確，此外，將采空區(qū)中的異常分布情況圈定出來。在此前提下，分析判斷采空區(qū)的基本構(gòu)造情況，從而為后續(xù)開采工作的順利完成奠定基礎。

綜合物探法；采空區(qū)；富水性；探測應用

在采礦企業(yè)進行兼并重組的背景下，要進行規(guī)范化、大規(guī)模的生產(chǎn)，一定要將整個礦區(qū)的礦層構(gòu)造和賦存情況查明。怎樣通過現(xiàn)有的物探技術(shù)，準確、快速的將采空區(qū)和富水性查明是擺在我們面前的一項重要工作。因此，文章通過下文對相關方面的內(nèi)容進行了分析與闡述，從而為有關單位及工作人員在實際工作中工一定的幫助作用。

1 分析采空區(qū)的基本特征

進入21世紀以來，在經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展的推動下，我國采礦行業(yè)發(fā)展速度不斷加快，這在某種程度上得益于先進開采技術(shù)的支撐[1]。但是，隨著開采環(huán)境的日趨復雜，傳統(tǒng)的探測技術(shù)已經(jīng)難以分辨出當前復雜環(huán)境內(nèi)采空區(qū)的基本情況，所以，就需要從實際情況入手，首先弄清楚采空區(qū)的基本特征，然后根據(jù)這些特征，采取正確的方法進行施工和開采[2]。

1.1 電性特征分析

有顯著的變化出現(xiàn)在了采空區(qū)以及上部地層的電性中，主要呈現(xiàn)在以下幾個方面：首先，同原狀地層相比，礦層采空區(qū)冒落帶巖性較為松軟，在電性方面主要是高阻比較異常；其次，同原狀地層進行比較，煤層采空區(qū)裂隙帶巖性沒有特別明顯的改變，然而，因為裂隙帶中巖石裂隙的發(fā)育，并且逐漸降低了傳播于其中的導電性質(zhì)，從而明顯的增加了電阻率。通常的時候，在十幾米左右控制著裂隙帶的高度，主要是因為采空區(qū)的坍塌，導致有裂隙問題出現(xiàn)在了巖石中，從而明顯的增大了電阻率[3]；再次，如果采空區(qū)內(nèi)有較多的充水，這些水會不斷增加導電性，從而明顯降低采空區(qū)的電阻[4]。

1.2 地震反射特點

在采空區(qū)范圍內(nèi)，因為沒有按照一定的規(guī)則采挖礦層，導致有的礦層變薄、留設礦柱、局部殘留、有的礦層變厚等現(xiàn)象出現(xiàn)，反射波在時間剖面上表現(xiàn)為振幅變?nèi)?、消失或者同相軸扭曲問題，同時，在采空區(qū)，也會有反射波生成于其中，對比礦層內(nèi)的反射波，這種反射波在時間上比較遲緩，在增強了振幅以后，會相應的降低振幅，將相位能量不斷增強[5]。

2 幾種常見的物探法分析

通過大量的實踐研究得知，在具體的工程中，有很多物探方法都是非常合理的，因為采空區(qū)的特殊性及物探方法的多解性，不管是何種探測方法都難以得到良好的探測效果，所以，在將采空區(qū)探地雷達探測技術(shù)給予完成的前提下，可以將該方法和其他幾種方法充分的結(jié)合到一起[6]。

2.1 地震物探法

這種方法主要是通過人工激發(fā)的地震波，破壞煤層內(nèi)破壞上覆巖層，對地震波有極強的頻散、衰減和吸收作用，從而不斷降低反射波的頻率。破碎的裂隙及圍巖對衰減的地震波還會呈現(xiàn)出紊亂或者不規(guī)則的畸變，因為巖層相對完整，采空區(qū)下方變化不會過于明顯。在地震事件剖面中，這是對煤層采空區(qū)進行識別的一個關鍵標志。也就是在破壞了礦層頂板后，反射波組在地震時間剖面上的消失或者中斷，此外，有不規(guī)則的損壞出現(xiàn)在了煤層的頂部結(jié)構(gòu)中，這樣，也會出現(xiàn)一些低頻率的干擾。

2.2 礦井瞬變電磁技術(shù)

在超前探測過程中，這種方法需要具備整齊的掘進巷道迎頭斷面，在2 m左右控制巷道空間高度，在巷頭迎頭面的10 m范圍內(nèi)防止有金屬體出現(xiàn)，因為出現(xiàn)較大的金屬體，會影響到瞬變電磁場。因為巷道迎頭空間的制約，這樣就會在某種程度上影響到礦井瞬變電磁閥的接收線圈幾何尺寸及發(fā)射頻率，所以，只能應用多匝小回線的接收裝置和發(fā)射裝置。在巷道的迎頭空間位置處布置觀測點，將數(shù)據(jù)從多個角度采集出來，從而將更加系統(tǒng)、完整的前方空間信息數(shù)據(jù)獲取出來。

2.3 瞬變電磁技術(shù)

人工源地球物理電磁感應探測技術(shù)是該技術(shù)的主要特征，他主要通過接地線源或者不接地回線將脈沖式磁場發(fā)射到地下，然后通過接地電極或者線圈對此脈沖電磁場感應的地下物流生成的二次電磁場的時間和空間分布進行感應，從而將可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題進行預先判斷。這種方法具有工作效率高、受地表高電阻影響小、橫縱相分辨率高、能夠靈活反應低阻物質(zhì)的優(yōu)點，特別是那些含水量較高的地質(zhì)體，一旦采空區(qū)有異常明顯的電性問題，能夠通過此方法快速判斷出來，從而采取有效的方法進行解決。

2.4 高密度電技術(shù)

這種技術(shù)的重要工作方式是持續(xù)改變供電電極的極距，將高壓直流電不斷傳向地下，通過對電極的測量，對電性異常體所造成的一次電流畸變情況進行探測分析，能夠一次性布極，也就可以通過多種設備、裝置采集數(shù)據(jù)，然后將比值參數(shù)求取出來，最終將異常信息的特征呈現(xiàn)出來，這種方法的工作原理類似于電阻率法，他的運行基礎是地殼中巖石電阻率差異情況，通過對人工構(gòu)建的地中電流場的分布規(guī)律進行觀測，然后解決采空區(qū)可能出現(xiàn)的問題。

電阻率法實際上就是高密度電法，技術(shù)比較成熟，操作簡單，能夠很好地分辯出淺層地質(zhì)中所存在的異常情況，能夠很好的反應出低阻和高阻體。此外，這種方法有效的融合了剖面和測深技術(shù)，并且，還有較高的縱向分辨率和橫向分辨率。但是，這種方法也有缺點，高阻屏蔽會對其產(chǎn)生較大的影響，勘測深度有限，在不斷增加了勘測深度后，就會相應的降低分辨能力，通常在1/2～1/3左右控制測線的具體長度。

2.5 探底雷達法

廣譜電磁技術(shù)即為探地雷達技術(shù)，通過天線將高頻電磁波發(fā)射出來，來自地下介質(zhì)界面的反射波主要由另一個天線接收，在介質(zhì)傳播的過程中，其電磁場強度、波形及路徑將會跟著幾何形態(tài)及介質(zhì)的電性發(fā)生改變。所以，按照波幅和波形資料、接收波的運行時間，能夠?qū)⒔橘|(zhì)的結(jié)構(gòu)特征判斷出來，通過數(shù)據(jù)處理后的探測雷達圖像剖面圖，能夠得到相關的數(shù)據(jù)，按照反射波組的強度特征及波形，利用同相軸進行追蹤，最后能夠得到反射波組的地質(zhì)含義。如果有空區(qū)存在于巖層中，空區(qū)和巖層界面的兩側(cè)有較大的電性差異，這樣就會有很強烈的發(fā)射波出現(xiàn)在其中。此外，巖性的特變點也是通過這一界面表示出來。經(jīng)常有繞射波出現(xiàn)，而在時間的剖面上，繞射波屬于雙曲線反射，所以，根據(jù)時間剖面中得到的特征圖像，可以將空區(qū)的深度和位置確定出來。

2.6 綜合應用地面和井下物探法的基本措施

對上述所提及的各種方法的優(yōu)缺點進行綜合分析，再進行應用，能夠提升積水區(qū)及采空區(qū)的探測精度。

首先，對礦層構(gòu)造情況和賦存特征可以通過三維地震勘探法進行查明，將采空異常區(qū)初步判斷出來。

其次，對異常區(qū)的富水性可以通過地面電法勘探分析，從而有效降低勘探成本。地面電法可以同探測區(qū)的地形、淺表層地電條件、埋深情況充分結(jié)合起來，優(yōu)先選擇高密度電法及瞬變電磁法，也可以一起應用，從而將異常區(qū)域的性質(zhì)進一步確定出來。

再次，因為經(jīng)常有較大的誤差存在于地面物探法所解釋的采空區(qū)邊界中，所以，可以同地面結(jié)果充分的結(jié)合起來，在井下通過礦井瞬變電磁法優(yōu)勢，預先完成探測工作。將積水區(qū)的位置準確的找出來，從而確保煤礦能夠被精確、安全、高效的生產(chǎn)。

3 具體的應用情況分析

在某勘探區(qū)中，綜合應用了地面瞬變電磁法、礦井瞬變電磁法、三維地震勘探法和高密度電法[7]。首先利用三維地震勘探技術(shù)將采空區(qū)的異常分布情況圈定出來，然而，因為在異常邊緣設置了巷道，又通過高密度電法和瞬變電磁法完成了富水性探查作業(yè)，如果開采的巷道逐漸接近了異常區(qū)域，開展并應用了礦井瞬變電磁勘探法，說明確實存在該富水區(qū)。

根據(jù)探測區(qū)的具體構(gòu)造情況準備探測設備，該地地層較淺，并沒有明顯的集水地質(zhì)環(huán)境出現(xiàn)在采空區(qū)范圍內(nèi)，所以，可以應用長春科技大學工程技術(shù)研究所制造的SE2404EX型綜合探測儀和瑞典地質(zhì)公司生產(chǎn)的RAMAC /GPR探地雷達設備，完成采空區(qū)的定位技術(shù)研究及探測。

采空區(qū)的剖面特征和正常礦層的剖面特征都十分突出，很容易被定性。在瞬變電磁測線1-1多測道電壓剖面上，此異常段為750～950 m，主要異常情況是電壓較高。雙峰異常是形態(tài)上的主要表現(xiàn)，有較弱的低阻特征在視電阻率中被表現(xiàn)了出來，有多解性存在于異常定性中；同此處的高密度電法剖面結(jié)合起來，起低阻明顯異常，因此，能夠判斷此處是富水區(qū)。

通過施工現(xiàn)場分析得知，在巷道迎頭的正前方及右前方，有較為均勻的電阻率等值線，低阻異常擾動問題較少，這就表明地層的連續(xù)性在此處比較好，并沒有明顯的采空區(qū)或者富含水地質(zhì)構(gòu)造存在。

4 結(jié) 語

在礦區(qū)內(nèi)，為了將風險降到最低，對于采空區(qū)及采空給水區(qū)的問題利用單一的物探方法是難以解決的。最為有效的方法就是綜合應用當前比較先進的物探技術(shù)。首先，通過三維地震勘探法將采取內(nèi)的異常情況劃分出來，之后重點勘測異常區(qū)的含水性，在探測時，可以以通過高密度法和瞬變電磁法，這樣能夠彌補探測時的一些不足之處。在挖掘到那些異常的區(qū)域時，通過礦井瞬變電磁技術(shù)準確的定位積水區(qū)，然后同探放水鉆孔技術(shù)結(jié)合起來，將采空區(qū)內(nèi)的積水隱患排除掉。從而為確保安全、有效的采礦奠定基礎。

[1] 孫二峰, 郭峰偉. 瞬變電磁法在煤礦井下探水中的應用[J]. 技術(shù)與市場, 2011(9): 114-115.

[2] 李耀華, 楊進, 李世峰. 瞬變電磁與電阻率測深在沙午鐵路采空區(qū)勘查中的應用[J]. 物探與化探, 2011(2): 654-655.

[3] 崔中良, 洪托, 崔東豪, 等. 可控源音頻大地電磁測深法應用研究綜述[J]. 中國錳業(yè), 2016, 34(3): 173-177.

[4] 黃寧, 劉國輝, 董茂干. 綜合物探方法在南京橫溪—小丹陽示范區(qū)礦中的研究與應用[J]. 工程地球物理學報, 2013(3): 954-955.

[5] 劉國輝, 李恩鶴, 張獻民, 等. 綜合物探方法在瀑河水庫工程勘中的應用[J].物探與化探, 2004(2): 412-413.

[6] 何進亞, 謝良鮮. 綜合物探方法在多金屬礦產(chǎn)勘查中的應用[J]. 內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟, 2017(2): 521-522.

[7] 劉振山. 綜合物探方法在河南省盧氏縣寨凹地區(qū)找礦中的應用[J]. 中國科技信息, 2014(S1): 369-371.

An Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in Goaf and Its Water Content Detection

LI Erfeng, ZHANG Songtao, JING Guozheng

(QinghaiProvincialBureauofGeologyandMineralResourcesExploration,Xining,Qinghai810012,China)

With the increasing complexity of mining environment in our country, we have done what we can to ensure the safety of mining personnel in adopting some new methods to investigate the basic situation of the mining area. The comprehensive geophysical prospecting method is a good example. Through this method, the structure and the occurrence and development characteristics of the ore bed in the mining area can be explored clearly. Under this premise, the basic structure of the mined out area is analyzed and judged to lay the foundation for the following work.

Integrated geophysical prospecting method; Goaf; Water abundance; Exploration and application

2017-04-07

李二鋒(1984-)，男，青海西寧人，工程師，研究方向：物探分析，手機：13997133131，E-mail：285318431@qq.com.

P631；TD166

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.027