煤礦多層采空區(qū)勘察中綜合物探方法的應(yīng)用

王 江,謝永毅,李志軍,高德健

（北京東方新星石化工程股份有限公司,北京100070）

采空區(qū)作為人類活動產(chǎn)生的潛在地質(zhì)災(zāi)害之一，給工程建設(shè)和人民的生命財產(chǎn)安全造成嚴重的威脅[1-2]。部分煤礦在大規(guī)模開采后形成多層采空區(qū)，多煤層的開采區(qū)域分布相對復雜，且地下巖層的因煤礦開采受到擾動，巖體出現(xiàn)變形和開裂。在未做支護的采空區(qū)甚至引起大面積的垮塌，引起層狀介質(zhì)無序變化，增加了地球物理探測的難度。目前關(guān)于多層采空區(qū)方面的探測研究和工程應(yīng)用相對較少，大多數(shù)物探方法僅能在一定程度上探明頂層采空區(qū)范圍，無法實現(xiàn)對各個煤層采空區(qū)的有效探測。因此多層采空區(qū)的探測是一個亟待解決的工程問題。

隨著應(yīng)用地球物理勘探理論和技術(shù)的不斷進步，探測精度的逐漸提高，工程物探取得了長足的發(fā)展。劉菁華等人選用多種物探方法綜合探測營城某煤礦采空區(qū)，明確該采空區(qū)的在電阻率和氡濃度的異常場的特征[3]。付天光通過淺層地震法、瞬變電磁法相結(jié)合的方式探測采空區(qū)及積水情況的實例，取得了良好效果[4]。楊鏡明等人對不同深度的采空區(qū)空間分布采用高密度電法和瞬變電磁法探測，并檢測了采空區(qū)注漿處理效果[5]。李文分析了不同物探方法的特點，針對采空區(qū)不同類型進行綜合物探方法優(yōu)化，以達到最好的探測效果[6]。李成友等人根據(jù)多層采空區(qū)的地球物理特征，利用瞬變電磁法探測出多層采空區(qū)的分布位置[7]。曹靜等人通過對多個煤層勘探數(shù)據(jù)分析，研究瞬變電磁法對多層采空區(qū)的響應(yīng)特征，在多層采空區(qū)的地面探測中取得了良好的應(yīng)用效果[8]。

地面物探方法因其高效、經(jīng)濟、實用的特點，廣泛用于煤礦的采空區(qū)探測，但多層采空區(qū)探測的單一物探方法存在技術(shù)局限性和多解性問題。利用多種物探方法綜合探測煤礦多層采空區(qū)，既能發(fā)揮各個方法的優(yōu)點，又可相互印證、互相補充。本文根據(jù)煤礦多層采空區(qū)地質(zhì)和地球物理特征，選擇地震映像法和瞬變電磁法綜合探測，利用物探成果和鉆孔信息，查明多層采空區(qū)的分布范圍，為采空區(qū)的治理提供指導和依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況和地球物理特征

1.1 工程地質(zhì)概況

濟東煤田某煤礦位于泰山背斜的北翼，為山前沖洪積平原，地勢較平坦，地形起伏較小。地貌類型為剝蝕堆積地貌。區(qū)內(nèi)地層屬魯西地層分區(qū)泰安地層，區(qū)內(nèi)地層由上而下依次為：第四系大站組、石炭—二疊系月門溝群及奧陶紀馬家溝組。開采煤系屬華北型石炭—二疊系地層，煤系地層沉積基部為中奧陶統(tǒng)，上部為第四系的覆蓋層，整體由南向北傾斜。該煤礦區(qū)包含3個開采煤層：煤3層、煤9層和煤10-2層。煤3層開采厚度1.10～2.00m；煤9層開采厚度0.70～1.50m；煤10-2層開采厚度0.70～1.50m。采煤方法為走向長壁后退式，全部跨落法管理頂板。地下水主要賦存于煤3層采空區(qū)和煤9層采空區(qū)以及第四系含水層。第四系含水層與下伏各含水層露頭接觸，為煤系各含水層的補給源之一。

1.2 地球物理特征

煤礦區(qū)在開采后形成兩類采空區(qū)，一類是在支護充分或者開采時間較短時，采空區(qū)未坍塌填充空氣或者充水；另一類是采空區(qū)未做好支護導致頂板坍塌，形成冒落帶、裂隙帶，導致大量松散頂板巖塊、粘土碎屑等充填[9]。采空區(qū)頂部巖層受到破壞和擾動，巖體破碎，產(chǎn)生大量碎石、裂縫和裂隙，導致巖體波速和密度同完整圍巖相比存在很大的差異。因此采空區(qū)的地震時間剖面會表現(xiàn)出反射波(組)中斷，反射波頻率降低以及波形不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變等特點[10]。當采空區(qū)范圍內(nèi)充水時，電性剖面呈現(xiàn)局部低阻的情況；當采空區(qū)充水量較少或者無水時，電性剖面呈現(xiàn)局部高阻的情況。由于探測區(qū)域煤系各含水層的補給源充足，地下采空及塌陷區(qū)可能會大量充水，在電阻率剖面上將表現(xiàn)低電阻率值，能夠明顯區(qū)別于圍巖較高的電阻率值，為瞬變電磁法勘探提供很好的物性差異條件。

2 方法原理

2.1 地震映像法

地震映像法是近20年來發(fā)展起來的工程物探方法，該方法基于反射波法中得最佳偏移距技術(shù)的一種淺層地震勘探技術(shù)。野外數(shù)據(jù)采集裝備簡單，數(shù)據(jù)采集速度快，采集方式靈活，可利用不同類型波作為有效波，資料處理簡單，可避免因處理產(chǎn)生較大誤差。地震映像反射波法觀測系統(tǒng)見圖1。在現(xiàn)場勘探前需經(jīng)場地的現(xiàn)場試驗工作確定最佳偏移距L。按觀測點距移動震源并保持相同的偏移距L，每次激發(fā)單道接收，為提高信噪比可多次激發(fā)疊加記錄。按照設(shè)計測線進行數(shù)據(jù)采集，便形成等偏移距連續(xù)地震波時間剖面。根據(jù)地震時間剖面上表現(xiàn)出反射波(組)中斷，反射波頻率降低以及波形不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變等特征判定地下異常體位置和產(chǎn)狀。地震映像法可以利用多種彈性波作為有效波進行探測，如反射波、折射波、面波等，也可以只選則一種特定地震波進行勘探。

圖1 地震映像反射波法觀測系統(tǒng)

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)是一種時間域人工源的電磁法，受地形影響小，工作效率高，具有相對較高的抗干擾能力和分辨率，目前廣泛應(yīng)用于采空區(qū)的探測，尤其對積水采空區(qū)探測具有明顯優(yōu)勢。此方法在地面鋪設(shè)不接地回線或者接地電極，對鋪設(shè)裝置發(fā)射階躍電流，在斷電時激勵大地產(chǎn)生感應(yīng)渦流場，通過不接地線圈或者接地電極探測二次渦流場（電場或者磁場）隨時間的衰減情況，從而獲取地下介質(zhì)電性信息。

3 采空區(qū)綜合探測分析

3.1 現(xiàn)場施工方法

本次地震映像法選用的勘探設(shè)備為HX-DZ-02A型多道數(shù)字高分辨率地震儀，用100Hz檢波器采集地震記錄。經(jīng)試驗得到最佳偏移距為15m。為保證較高的橫向分辨率設(shè)定測點距1.5m。測線東西向為22條，南北向為7條，測線累計長度為8745m。

瞬變電磁法采用加拿大GEONICS公司的PRO?TEM67D瞬變電磁儀，大定源回線裝置，發(fā)射外框大小為240m×240m，發(fā)射頻率為25Hz。測線走向為東西向，測點距10m，測線距25m，完成測線共計10條，全區(qū)物理點387個。

3.2 地震映像反射波法探測結(jié)果分析

煤礦采空區(qū)由第四系松散沉積物覆蓋，厚度13～31m，平均厚度20m，覆蓋層南薄北厚，地形總體平整，有利于地震勘探作業(yè)。地震映像法勘探實際測線29條。因篇幅限制，以測線EW2為例介紹探測的成果。圖2為EW2測線地震映像反射波法深度剖面。圖中紅色虛線為推測斷層F，淺藍色線圈為采空及塌陷區(qū)。推斷為采空及塌陷區(qū)位置反射波同相軸呈弧形彎曲、發(fā)生錯斷或者缺失，反射波形雜亂無序。根據(jù)收集的地質(zhì)資料，推測頂層的位于水平距離在80～187m范圍的異常區(qū)為3層煤采空區(qū)，位于靠近斷層F兩側(cè)異常區(qū)為9層煤采空區(qū)。標高在-30m，水平距離30～90m范圍的異常區(qū)為10-2層煤采空及塌陷區(qū)。

3.3 瞬變電磁法探測成果分析

圖2 EW2測線地震映像勘探深度剖面

瞬變電磁法對煤礦采空及塌陷區(qū)的推斷解釋主要依據(jù)反演的視電阻率斷面等值線圖。本次瞬變電磁測線為10條，通過反演獲得相應(yīng)的視電阻率剖面圖。圖3為測線L00視電阻率斷面等值線圖，實際勘探區(qū)域中測線L100與地震測線EW2為同一條物探測線。圖中橫坐標為測點號，也是實際距離，縱坐標為高程。從縱向上看，不考慮新生界地層，煤系地層視電阻率值由淺到深呈中低阻—高阻—低阻的變化特征。其中低阻為煤系地層的反映，低阻上的中高阻為煤9采空區(qū)頂板砂巖的反映，下部的高阻為奧陶系灰?guī)r的反映。從縱向上看，圖中黑色圈閉為低阻異常體，在標高70m附近有2個低阻異常，分別在水平距離65～195m范圍之間，以及240～340m之間，推測為煤3采空區(qū)。在標高-18m附近有2個低阻異常，分別位于水平距離155～190m、240～278m點之間，推測為富含水的煤9采空區(qū)。在標高-50～110m處有2個范圍較大的低阻異常區(qū)域，分別位于水平距離0～200m、235～320m點之間，推測為富含水的煤10-2采空及塌陷區(qū)。圖中在210～240m范圍電性層位發(fā)生突變,推測為斷層或者斷裂帶F（紅色斜線）。

圖3 L100線視電阻率剖面圖

工程地質(zhì)鉆孔勘探結(jié)果與綜合物探推斷結(jié)果基本一致。靠近物探測線的鉆孔有ZK06和ZK07，ZK06約位于測線水平位置293m處，ZK07約位于156m處。鉆孔ZK06標高59.44～60.14m為強風化的未開采煤層，巖芯呈碎巖沫狀，夾雜泥巖碎屑，煤層富含地下水；標高-40.26～-39.46m范圍為未開采煤層，該段巖芯呈碎塊狀，夾雜泥質(zhì)碎屑，取芯率低。鉆孔ZK07中標高78.52～80.32m為3層煤采空區(qū)，僅采取巖芯20cm，且?guī)r芯破碎，以粘性土為主；標高-24.68～-23.48m為9層煤采空區(qū)，該范圍未取到巖芯。

3.4 綜合物探結(jié)果分析

煤礦各層采空區(qū)分布范圍的推斷主要依據(jù)地震映像反射波法和瞬變電磁法的探測結(jié)果。每種物探方法有其各自的特點，地震映像反射波法對多層采空區(qū)的勘探成果相對直觀，能夠直接反映出采空區(qū)的頂板深度，但有效探測深度受震源激發(fā)能量的限制。瞬變電磁法對低阻異常體反映靈敏，探測深度較大，可彌補地震映像法因人工震源能量較弱導致勘探深度不足的缺陷，但分辨率相對較低?？傮w來講，2種方法均能反映頂層煤礦采空區(qū)范圍，反演剖面的異常位置吻合較好，但是對于深層，尤其是地下同時存在多個采空煤層時，各層的介質(zhì)異常信息互相影響，單一勘探方法無法有效區(qū)分。多層采空區(qū)解釋方法是以地震映像法的解釋成果來確定采空區(qū)深度，以瞬變電磁法的勘探成果補充修正含水采空及塌陷區(qū)分布范圍，進一步細化采空區(qū)范圍和形態(tài)。同時結(jié)合地質(zhì)資料和后續(xù)的鉆孔成果給出合理的地質(zhì)解釋。

4 結(jié)論

煤礦區(qū)的多層采空區(qū)分布復雜，場地不穩(wěn)定的因素較多，嚴重影響地面建筑和各類結(jié)構(gòu)設(shè)施的穩(wěn)定性以及人民生命財產(chǎn)安全。本文結(jié)合濟東煤田多層采空區(qū)的工程實例，分析了地震映像法和瞬變電磁法的綜合探測效果。研究結(jié)果表明，采用地震映像法和瞬變電磁法相結(jié)合的方式是有效探測多層采空區(qū)的物探組合。地震映像法對淺部頂層采空區(qū)的探測效果更直接，分辨率更高，而受震源激發(fā)能量的限制，下層或者埋深更深的采空區(qū)的效果相對較差。而在深層的采空區(qū)采用瞬變電磁法探測更加有效，尤其是對于富水煤層采空區(qū)及泥質(zhì)填充的采空區(qū)低阻電性異常進行探測和評價。

盡管地震映像法和瞬變電磁法在多層采空區(qū)上取得了較好的效果，但對多個采空區(qū)并存的區(qū)域，各層采空區(qū)的異常特征互相影響導致分辨率降低。在具體推測非頂層采空區(qū)空間范圍時要注意頂層采空區(qū)的對下伏采空區(qū)異常特征的影響。