物探方法在煤礦采空區的應用

李曉斌

(煤炭科學研究總院,北京100013)

煤礦采空區是引起地質災害的主要原因之一,它不僅造成了當地地質環境的惡化、地面塌陷、居民房屋傾斜裂縫、耕地破壞、地面積水、生態環境脆弱等,甚至誘發滑坡和泥石流等,危害到人民的正常生活和生產,而且嚴重的影響到當地的經濟的可持續發展和社會穩定。物探方法 (地球物理探測)是利用目的物與周邊介質的物理性質差異,運用適當的地球物理原理和相應的儀器設備,通過分析研究觀測到的物理場,探查地質界限、地質構造及其他目的物或目標的勘探方法,或者是測定地質體或地下人工埋設物的物理性質或工程特性的測試方法。對于煤礦采空區的探測,較其他方法,物探方法高效、經濟、施工靈活、信息豐富等優點,可以取得較好的探測效果。利用地球物理方法探測煤礦采空區是主要手段之一,根據煤礦采空區或空洞地球物理場的特征,其物探方法主要有直流電法類、電磁法類、人工地震類及放射性等。

1 煤礦采空區地球物理特征

由于歷史多種原因,我國目前已形成的煤礦采空區或小煤窯大多集中在50～200m,煤層采厚為1～4m。地下煤層被開采厚,在地下形成了空洞,破壞了原本平衡的地下應力系統,產生局部應力集中,覆巖在應力的作用下發生了變形、斷裂、位移和冒落等,并重新達到了應力平衡,在采空區上形成了“三帶”,如圖1所示。

圖1 煤礦采空區垮塌“三帶”示意圖

跨落帶:煤層踩空上部巖層出現塌落。

斷裂帶:塌落帶上方巖體因彎曲變形過大,在采空區上方產生較大的拉應力,兩側受到剪應力,因而巖體出現大量裂隙,巖石的整體性受到破壞。

彎曲帶:斷裂帶以上到地面,在自重應力的作用下產生彎曲變形,而不再破裂。

如果采空區較深,煤層較薄,且上覆巖堅硬,則垮塌的可能性較小,即使垮塌下身,對地面的影響也較小;反之,則對地面的影響較大,尤其是當采空區尚未充填密實,如果建造高層建筑將誘發地基繼續深陷。

冒落帶由于塌陷作用,使其物性發生變化,增大了目標體的規模,有助于采空區探測。其發育高度與上覆巖及采厚有很大的關系,對于中硬性上覆巖的經驗計算公式為:

式中,Hli為導水裂縫帶高度 (m);∑M為煤層累計開采厚度;±6.3為計算中誤差,與巖性有關。

1.1 采空區地震波特性

通常情況下,由于煤層與圍巖存在著明顯的波阻抗差異,當煤層具有足夠厚度時,便可形成良好的煤層反射波。但煤層采空及其上覆巖遭受破壞后,在地震時間剖面上必然是反射波組的中斷或消失,同時煤層頂部結構的不規則破壞,也將產生各種低頻干擾。這些特性可作為識別采空區是否存在的標志,但多大范圍的采空區在時間剖面上才能反映,這個問題依賴地震記錄的橫向分辨率。在水平疊加時間剖面上,地震記錄的橫向分辨率取決于第一費涅爾半徑 ri大小,即地震波橫行分辨率的極限。

式中,v為平均速度;t0為反射波的雙程旅行時間;f3為地震波的主頻。

由式 (2)可知,橫向分辨率隨深度的增加而降低,隨頻率的提高得到改善。換而言之,深部的地質體必須在橫行上有較大的延伸長度才能與淺層較小的地質體產生同樣的地震效應。在地震記錄信噪比較高的情況下,若采空區的尺度大于或等于第一費涅爾半徑,才能在水平疊加時間剖面上識別采空區。反之,則無法識別采空區。

煤層的采空區或塌陷區與完整的地層相比,地層變得疏松,密實度降低 (即單位體積內介質密度降低),同時使傳播于其中的地震波速度下降。由于采空區形成的斷裂、破碎、空洞等使得瑞利波傳播到這些位置時,將突然消失或發生散射。當采空區未發生塌陷時,以空洞的形式保存下來,瑞利波傳播到這些位置時突然消失或產生散射,在頻散曲線上反映為采空區頂板處明顯的“之”字形拐點,引起煤層上部地層結構疏松,使得傳播于其中的瑞利波速度降低,在頻散曲線上反映受影響的地段內瑞利波速度顯著降低,依據這一特性可以在橫向上確定塌陷區的范圍,在縱向上確定塌陷影響的范圍。

1.2 采空區及塌陷區電性特性

電阻率特征,從理論上講,當煤層被采空以后,短期內形成一定規模的充氣空間,造成采空區相應的電性與圍巖電性不同,經過一段時間后,采空區上方巖層在重力作用下發生塌陷變形,致使巖層破碎并出現裂縫,地下水便從破碎巖層和裂縫向采空區匯集并溶解大量的電解質。在水解作用下,巖層中的鈣、鐵離子等呈游離狀態存在。因此充水采空區具有低阻高極化率的電性特性。由于跨落、斷裂及離層的存在,圍巖具有電阻率高、低極化率的特征,形變越大,電阻率越高。當斷裂帶不充水時,出現高阻特征,充水時,呈現低阻特征,據此可確定充水采空區的邊界范圍。

電磁波特征,當地下采空區分布極不規則,無充填,只保留煤柱。停采后,經過多年的風化,可能使煤柱遭受破壞,導致整個采空區的頂板塌落,并逐漸發展到地表,引起地表開裂塌陷。鑒于地下塌落區巖體介質較松散,在應力拱的作用下,可能存在有一定規模的斷裂。由于這兩個原因,導致存在兩種界面:一是巖體介質與空氣或地下水的界面;二是致密巖體與松散巖體的接觸界面。這兩種界面都存在明顯的電磁性差異,導致雷達波在傳播過程中產生反射,可產生明顯的反射界面。利用這一特性,即可圈定出采空區的分布范圍,確定其埋深。瞬變電磁異常在采空區表現為低阻、高感應、高縱向電導。

2 采空區地球物理探測方法

一般而言,利用地球物理探測技術探測煤礦采空區,除了埋深外,采空區的探測在很大程度上依賴其上覆巖的破壞程度,應綜合考慮其復雜性與多變性。

①采空區上方裂隙帶發育的范圍與采空區面積有關。對正在進行開采的采空區,冒落帶、裂隙帶不發育,其電阻率表現為高阻特性,波速表現為低速;當采深比較大時,用地球物理方法探測具有一定的困難。②開采后廢棄的采空區,其上覆巖已發生了充分的形變,并達到新的應力平衡狀態,冒落帶、裂隙帶均已發育成熟。當采空區充水時,表現為低阻特性;當采空區不充水時,表現為高阻特征。③采空區的物理特性隨時間變化的,最終在平衡后趨于穩定。在采空區冒落帶、裂隙帶穩定前,其電阻率隨穩定程度而變化。這種變化受多種因素的影響,如冒落帶及裂隙帶范圍、圍巖巖性、充填性及含水程度等。因而,在探測時,應充分考慮其復雜性及多變性。

對于剛剛形成的采空區,冒落帶、裂隙帶等不發育,其電阻率一般為高阻特性,地震波速具有明顯的波阻抗特性。對于煤層開采較深、水文地質條件相對簡單的采空區,其地球物理方法探測具有一定的困難。隨著時間變化,當應力趨于新的平衡穩定,采空區的地球物理特性將發生變化,如冒落帶、裂隙帶等均已發育成熟,甚至采空區中充水等。這些復雜性和多變性在選用地球物理方法時要充分考慮。

2.1 地震探測方法

在煤礦采空區探測中應用較多的是地震探測方法,具有勘探精度較高、效果好的特點,但是成本相對較高。淺層折射法在覆蓋層探測中具有技術優勢,由于煤礦被采空,在地震反射記錄上,形成煤層反射波的地球物理前提已不存在,因此煤層反射波的缺失是解釋采空區的依據之一,如圖2所示。另外,煤礦采空區使其在地下地質結構中形成一個物性與周圍界質差異很大的不均體。因此在煤層采空區,即使在地震記錄上接收不到反射波,但仍能接收到該不均勻體 (煤層采空區)的背向散射波。因此散射波也是解釋采空區的另一特征。

另外,煤層被采空后,在其上方及周圍形成了冒落帶、裂隙發育帶及受其影響產生的地表變形帶。由于煤層采空區的存在,改變了地層的速度結構眾所周知,橫波速度 (Vs)是反映土體力變性質的指標。天然源面波勘探是研究地下介質橫波速度結構的有效方法,煤層采空區的存在將會在面波頻散曲線上形成較大的“之”字型回折,而正常地層的頻散曲線則較平滑 (圖3)。圖3(a)是未被采空地段的頻散曲線,可見煤層未被采空區的頻散曲線較光滑。圖3(b)煤層是被采空后的頻散曲線,在埋深130m處有一較大的“之”字型特征。

圖2 地震勘探D1線地震反射時間剖面

天然源面波勘探 (即微動勘查)是一種物探新技術,眾所周知,我們生活的地球無時無刻不在震動,只不過這種震動太微弱,我們感知不到,這種震動來自兩個方面:一是氣壓、海浪、潮汐產生的低頻震動;二是各種人文活動也產生較高頻率的震動。經研究得知,微動是一種平穩的隨機過程,且面波占整個能量的70%以上,而面波又不同于體波具有頻散現象。利用這一特征采用觀測到微動的數據經處理后可得到頻散曲線,并用此來解釋地下的地質結構。一般而言,為了調查采空區對近地表土體的影響程度,選擇多道瞬態面波勘探。

2.2 電法探測方法

電阻率法通過測量流過埋置在地表的電極間的電流所引起的電壓的空間變化,來直接測量大地的總電阻。該類方法對孔隙流體化學含量的變化敏感,但不提供大地力學性質的直接信息,通常無法達到地震反射法所能達到的精度。然而在正常情況下,電阻率法和地震法相比,卻有著極大的成本優勢。電法和電磁法勘探的解釋工作通常要求使用反演程序生成一個與數據相符的模型。在煤礦采空區勘探中的直流電阻率法 (高密度)測量結果如圖4所示。

煤礦采空區中應用廣泛的另一種電法是瞬變電磁法,電阻率法之所以被電磁法取代,是因為電磁法能更快地提供大致相當的信息,卻無須使用與大地接觸的電極,如圖5所示。圖3與圖4是同一測線分別利用高密度電法和瞬變電磁法的地質反演成像圖,可明顯看到兩者對采空區有相當的效果。然而,瞬變電采極易受到周圍環境干擾。

圖3 頻散曲線 (微動面波勘探)

圖4 煤礦采空區高密度電法測量結果

圖5 煤礦采空區瞬變電測量結果

3 結論

煤礦采空區是導致地質災害的主要原因之一,必須加大其勘探力度,為防止產生地面塌陷等,以及煤礦采空區主要治理措施提供可靠的依據。采取物探工作先行的技術路線,可以獲取更多的信息。煤礦采空區的探測不僅對地質災害治理具有重要的參考價值,也可用于煤礦采空區的“三帶”評價、煤礦水文地質劃分、環境評估和評價效果等具有較高價值,為煤礦安全生產提供可靠的保障。采用多種方法相結合的綜合手段,合理布置勘探工程,減少勘探工作量,降低勘探成本,已經成為煤礦采空區勘查的重要技術方法,并且在實際中亦取得了較好應用和效果。

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