多參數(shù)綜合物探方法在煤礦采空區(qū)勘探中的應(yīng)用研究

羅 霄，許智海，李正勝，李 文，姜 鵬

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，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； 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

我國(guó)早期的部分礦井，由于技術(shù)裝備水平低、生產(chǎn)工藝落后以及缺乏科學(xué)管理和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃等原因，再加上周邊一些小煤窯的私挖濫采，導(dǎo)致在礦井開(kāi)采過(guò)程中留下了許多規(guī)模不等、情況不明、形態(tài)不規(guī)則的老采空區(qū)。老采空區(qū)所誘發(fā)的坍塌、礦震、有毒有害氣體的涌出、水害、火災(zāi)等災(zāi)害對(duì)礦井資源的整合、技術(shù)升級(jí)以及周邊一些大型工程的施工造成嚴(yán)重的危害[1]，嚴(yán)重制約著礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。探明采空區(qū)的規(guī)模以及影響范圍，是分析采空區(qū)對(duì)環(huán)境、礦井安全生產(chǎn)、地面建(構(gòu))筑物、重要設(shè)施的影響和破壞的前提，為預(yù)防和控制采空區(qū)引發(fā)的災(zāi)害提供科學(xué)參考。

地球物理勘探技術(shù)由于其快捷性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)在煤層采空區(qū)探測(cè)中得到了廣泛的使用。井下物探的工作原理是依采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)與煤、巖層的物性差異來(lái)探測(cè)識(shí)別煤層采空區(qū)的，但是由于地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和單一物探方法本身存在的缺陷，有時(shí)同一種地層介質(zhì)會(huì)有較大范圍的物性參數(shù)區(qū)間，而不同的地層介質(zhì)存在相近的物性參數(shù)值，導(dǎo)致使用單一物探參數(shù)解釋物探資料時(shí)出現(xiàn)同一地質(zhì)體擁有不同的曲線(xiàn)形態(tài)或不同的地質(zhì)體擁有相同的曲線(xiàn)形態(tài)和異常值[2，3]。而且由于單一物探方法存在的技術(shù)局限性會(huì)導(dǎo)致物探效果不佳以及反演結(jié)果的多解性[4，5]，使得探測(cè)結(jié)果的可靠性降低甚至沒(méi)有參考的價(jià)值。

本文針對(duì)單一物探參數(shù)和單一物探方法對(duì)探測(cè)煤礦采空區(qū)存在解釋結(jié)論符合率低、精度低的不足，根據(jù)地質(zhì)條件和地層的巖石物理特性提出使用多參數(shù)綜合物探方法[6]對(duì)陜北侏羅紀(jì)煤田中能億安煤礦井田范圍內(nèi)的5-1號(hào)煤層采空區(qū)的分布范圍及狀況進(jìn)行勘查，并結(jié)合鉆探勘查進(jìn)行物探驗(yàn)證，以期查明勘查區(qū)內(nèi)采空區(qū)的分布范圍及其賦存情況，為采空區(qū)災(zāi)害的預(yù)防和治理提供科學(xué)參考。

1 工程概況

府谷縣田家寨鎮(zhèn)中能億安煤礦井田范圍內(nèi)主要賦存3-1、5-1、5-2號(hào)煤層，礦井整合前采用的是房柱式開(kāi)采3-1號(hào)煤層，形成采空區(qū)面積約1.869km2；南部小窯開(kāi)采5-1號(hào)煤層，形成采空區(qū)面積約1.043km2。整合后煤礦開(kāi)采5-1號(hào)煤層，煤層平均厚度2.70m，埋深11.20～217.59m，煤層頂板巖性以中粒砂巖為主，粉砂巖次之；底板以粉砂巖為主，局部為細(xì)粒砂巖。該煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬大部可采的穩(wěn)定型中厚煤層。整合區(qū)內(nèi)地表覆蓋有黃土和風(fēng)積沙，為典型的黃土梁峁地形，區(qū)內(nèi)構(gòu)造極其簡(jiǎn)單，無(wú)褶皺，整體為傾角在1°左右的大單斜層。

2 地球物理測(cè)井多參數(shù)應(yīng)用

為了驗(yàn)證地層結(jié)構(gòu)和查明地層物性特性，為物探解釋提供依據(jù)，本次對(duì)FGX-YA-01號(hào)、FGX-YA-02號(hào)、FGX-YA-03號(hào)和FGX-YA-10號(hào)地質(zhì)鉆孔進(jìn)行地球物理測(cè)井探測(cè)。

2.1 參數(shù)選擇

本次使用測(cè)井儀為T(mén)YSC-QB型輕便數(shù)字測(cè)井儀，根據(jù)勘查區(qū)地層物性特征，選用的參數(shù)方法有：三側(cè)向電阻率LL3、自然伽瑪GR、自然電位SP以及井徑CAL等。通過(guò)對(duì)4個(gè)鉆孔的綜合測(cè)井資料各參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總結(jié)了孔內(nèi)不同巖層物性特征，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤、巖層物性特征統(tǒng)計(jì)表

2.2 資料解釋

根據(jù)本次測(cè)井解譯資料及鉆探勘查成果，分別得到四個(gè)地質(zhì)勘查孔的測(cè)井曲線(xiàn)，其中FGX-YA-01號(hào)地質(zhì)勘查孔部分測(cè)井曲線(xiàn)如圖1所示。

由本次測(cè)井成果知，本區(qū)煤巖層物性穩(wěn)定，煤層具有高電阻率、低密度、低伽瑪?shù)奶匦?，與圍巖物性差異明顯，各地質(zhì)時(shí)代的地層均有其物性特征和組合規(guī)律，曲線(xiàn)形態(tài)明顯。

圖1 FGX-YA-01號(hào)鉆孔部分測(cè)井曲線(xiàn)

3 采空區(qū)綜合物探技術(shù)應(yīng)用

3.1 地球物理特征

3.1.1 地震地質(zhì)條件

煤層由于具有低密度和低傳播速度的特點(diǎn)，與圍巖有著不同的波阻抗特性，是良好的天然物理分界面，如果煤層達(dá)到足夠厚度時(shí)，可以形成良好的、連續(xù)的地震反射波。當(dāng)煤層采動(dòng)后頂板及其上覆巖層受到采動(dòng)影響發(fā)生破壞，形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，導(dǎo)致上覆巖層的連續(xù)性遭到破壞，這些地質(zhì)因素的變化，使得煤層采空區(qū)或其上部地層的地球物理特征發(fā)生變化[7]，這是使用地震法的前提。

目的煤層5-1煤層厚度適中、對(duì)比可靠，煤層與上部3-1煤層間距適中，且煤層與其頂?shù)装鍘r性差異明顯，是較好的波阻抗界面，預(yù)計(jì)在無(wú)采空的地段可形成較為連續(xù)的對(duì)應(yīng)反射波[8]，深部地震地質(zhì)條件較好。

3.1.2 電性條件

煤層采動(dòng)過(guò)后，頂板及其上覆巖層發(fā)生破壞形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，破壞了原始地層在橫向上電阻率均勻分布的特性。當(dāng)采空區(qū)形成后，在充水的區(qū)域，相對(duì)于圍巖會(huì)表現(xiàn)為低電阻特性；在未充水的區(qū)域，相對(duì)于圍巖會(huì)表現(xiàn)為高電阻特性[9]，這是使用電磁類(lèi)方法探測(cè)的前提。

根據(jù)鉆孔資料，該區(qū)電阻率值約為80～185Ω·m，淺層電性條件較好。但由于測(cè)區(qū)內(nèi)有外界電磁場(chǎng)的干擾會(huì)對(duì)音頻大地電磁法帶來(lái)影響。該區(qū)煤層具有厚度大、分布均勻的特點(diǎn)，且電性與上覆巖層有明顯的差異，存在明顯的電性標(biāo)志層；但該煤層電性與下部巖層差異較小，電性標(biāo)志層不明顯。綜合分析，本區(qū)淺部電性條件簡(jiǎn)單，深部電性條件一般。

3.2 測(cè)線(xiàn)布置

本次采空區(qū)勘查工作共分2個(gè)區(qū)域，采用2種不同的綜合物探方法進(jìn)行物探勘查工作。

1)區(qū)域1采用瞬變電磁和淺層二維地震相配合的綜合物探法[10]進(jìn)行探測(cè)，勘探測(cè)線(xiàn)方向一致，以利于兩種物探資料的對(duì)比分析。瞬變電磁測(cè)量選用V8多功能電磁法探測(cè)儀，共布設(shè)瞬變電磁測(cè)線(xiàn)65條，其中，線(xiàn)距40m，點(diǎn)距20m；地震儀選用428Lite型多道遙測(cè)數(shù)字地震儀，共布設(shè)地震測(cè)線(xiàn)17條，主測(cè)線(xiàn)間距不大于160m，每平方千米物理點(diǎn)不低于667個(gè)。

2)區(qū)域2采用瞬變電磁和音頻大地電磁法相配合的綜合物探法[11-15]進(jìn)行探測(cè)，瞬變電磁測(cè)量選用PROTEM67D瞬變電磁勘探系統(tǒng)，共布設(shè)瞬變電磁測(cè)線(xiàn)29條，其中，線(xiàn)距40m，點(diǎn)距20m；音頻大地電磁測(cè)量選用EH-4勘探系統(tǒng)，共布設(shè)音頻大地電磁測(cè)線(xiàn)20條，其中，線(xiàn)距60m，點(diǎn)距30m。

3.3 物探結(jié)果分析

3.3.1 區(qū)域1淺層二維地震法物探結(jié)果分析

本次探測(cè)共得到17條地震測(cè)線(xiàn)結(jié)果，其中6線(xiàn)和9線(xiàn)特征較明顯，如圖2、圖3所示。

圖2 6線(xiàn)地震剖面圖

圖3 9線(xiàn)地震剖面圖

從地震剖面圖中可以看出，推斷賦煤區(qū)內(nèi)煤層反射波連續(xù)且變化平穩(wěn)，推斷采空區(qū)內(nèi)煤層反射波分布雜亂無(wú)章，變化沒(méi)有規(guī)則，疑似采空區(qū)內(nèi)煤層反射波表現(xiàn)為部分區(qū)域分布雜亂或部分區(qū)域突然消失，解釋為局部采空或煤層變化，煤層結(jié)構(gòu)變化區(qū)內(nèi)煤層反射波與正常地層對(duì)應(yīng)反射波存在明顯差異，但仍有成層痕跡，排除采空區(qū)的可能性，解釋為煤層結(jié)構(gòu)變化。

3.3.2 區(qū)域1瞬變電磁法物探結(jié)果分析

本次探測(cè)共得到65條瞬變電磁測(cè)線(xiàn)結(jié)果，其中T25測(cè)線(xiàn)特征較明顯，視電阻率斷面圖如圖4所示，可以看出T25測(cè)線(xiàn)視電阻率分布均勻，中部呈相對(duì)高阻，上、下呈相對(duì)低阻，下部成層性好，在1—12號(hào)點(diǎn)(圈定區(qū)域)之間視電阻率表現(xiàn)為高阻異常，結(jié)合地震資料和已知資料分析，判斷該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)。

圖4 T25測(cè)線(xiàn)視電阻率斷面圖

3.3.3 區(qū)域2瞬變電磁法物探結(jié)果分析

根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，本區(qū)域煤層采空區(qū)電阻率范圍見(jiàn)表2。

表2 煤層采空區(qū)電阻率范圍

本次探測(cè)共得到29條瞬變電磁測(cè)線(xiàn)結(jié)果，其中1040測(cè)線(xiàn)特征較明顯，視電阻率斷面圖如圖5所示，可以看出1040測(cè)線(xiàn)視電阻率在垂直方向上變化不均勻，在水平方向上變化均勻，中部的電阻率比上部和下部都高，如在1020—1200點(diǎn)和1280—1360點(diǎn)之間表現(xiàn)為局部高阻，結(jié)合已知資料分析，判斷該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，在1200—1280點(diǎn)之間表現(xiàn)為低阻特點(diǎn)，判斷為富水區(qū)。

3.3.4 區(qū)域2音頻大地電磁法物探結(jié)果分析

在音頻大地電磁探測(cè)區(qū)內(nèi)有高壓線(xiàn)存在，為了減少高壓線(xiàn)對(duì)音頻大地電磁法探測(cè)結(jié)果的影響，只分析5-1煤層附近的異常區(qū)和富水區(qū)的分布情況，1180測(cè)線(xiàn)視電阻率斷面圖如圖6所示，可以看出在1000—1180點(diǎn)之間視電阻率表現(xiàn)為低阻特點(diǎn)，結(jié)合已知資料判斷該區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)。在1240—1360點(diǎn)之間視電阻率表現(xiàn)為高阻特點(diǎn)，結(jié)合已知資料判斷該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，可以看出在1000—1360點(diǎn)區(qū)域5-1煤層已被采空，其中，部分采空區(qū)充水，部分采空區(qū)未充水。

3.3.5 綜合物探分析

區(qū)域1異常區(qū)的綜合分析主要根據(jù)淺層二維地震法和瞬變電磁法的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行，其中二維地震法對(duì)確定采空區(qū)及異常區(qū)的探測(cè)效果較好，瞬變電磁法對(duì)水體反映靈敏。由于布設(shè)測(cè)線(xiàn)時(shí)二維地震測(cè)線(xiàn)分布較稀疏，瞬變電磁測(cè)線(xiàn)分布較密集，因此分析時(shí)在二維地震測(cè)線(xiàn)布設(shè)的區(qū)域以地震法探測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，確定異常區(qū)的范圍；在沒(méi)有布設(shè)地震測(cè)線(xiàn)的區(qū)域，由瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)一步細(xì)化異常區(qū)的范圍和分布形態(tài)。經(jīng)過(guò)綜合物探結(jié)果的處理及綜合對(duì)比解釋?zhuān)槊髁藚^(qū)域1內(nèi)煤層采空區(qū)的分布情況，其中，推斷采空區(qū)1處，疑似采空區(qū)7處，構(gòu)造異常區(qū)6處，電性異常區(qū)3處，區(qū)域1綜合解釋成果如圖7所示。

圖5 1040測(cè)線(xiàn)視電阻率斷面圖

圖6 1180測(cè)線(xiàn)視電阻率斷面圖

圖7 區(qū)域1綜合解釋成果

區(qū)域2測(cè)區(qū)西部有兩條高壓線(xiàn)穿過(guò)，音頻大地電磁法大部分?jǐn)?shù)據(jù)受高壓線(xiàn)干擾較大，整體數(shù)據(jù)可信度較低。而瞬變電磁受到影響范圍相對(duì)較小，因此本次綜合分析時(shí)以瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，音頻大地電磁法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充修正。若兩種方法解釋的異常范圍重合，則以瞬變電磁為主進(jìn)行分析解釋?zhuān)蝗魞煞N方法解釋異常區(qū)沒(méi)有重合，則對(duì)異常區(qū)可靠性等級(jí)降低。經(jīng)過(guò)綜合物探結(jié)果的處理及綜合對(duì)比解釋?zhuān)槊髁藚^(qū)域2內(nèi)煤層采空區(qū)分布范圍，其中，推斷采空區(qū)2處，富水區(qū)6處，疑似采空區(qū)7處，如圖8所示。

圖8 區(qū)域2綜合解釋成果圖

4 結(jié) 論

1)采用單一物探參數(shù)進(jìn)行資料解釋時(shí)，由于其參數(shù)范圍廣、誤差大，無(wú)法準(zhǔn)確判斷地層介質(zhì)，將多種物探參數(shù)進(jìn)行組合，可以縮小參數(shù)范圍，從而可以準(zhǔn)確判斷地層介質(zhì)，提高物探結(jié)果的精度，本次煤層定性和定厚主要以自然伽瑪與三側(cè)向電阻率解釋成果的平均值作為確定成果，其他參數(shù)作為補(bǔ)充。

2)淺層二維地震法具有分辨率高的特點(diǎn)，在確定采空區(qū)及異常區(qū)的范圍時(shí)效果較好，但無(wú)法探測(cè)采空區(qū)積水情況；瞬變電磁法具有對(duì)水體敏感的特點(diǎn)，在探測(cè)低阻導(dǎo)體時(shí)反映靈敏，而且抗干擾能力強(qiáng)；音頻大地電磁法不僅對(duì)水體反映靈敏，而且可以一次完成不同深度的探測(cè)，但抗干擾能力差。

3)本次研究表明淺層二維地震法和瞬變電磁法結(jié)合使用，不僅可以確定采空區(qū)的分布范圍而且可以得出采空區(qū)積水情況，將瞬變電磁法和音頻大地電磁法組合使用，可以相互補(bǔ)充，提高探測(cè)精度。