淺層地震和瞬變電磁法在采空區探測中的應用研究

2013-08-31 08:32:58李宏杰

采礦與巖層控制工程學報 2013年1期

李宏杰

(1.煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院，北京100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 (煤炭科學研究總院)，北京100013)

由于早期的小煤窯均采用較為落后的采煤方法，且多屬于無規劃開采，遺留開采區域不詳，導致許多隱性老采空區的存在。老采空區內存在大量的有毒有害氣體，一方面，使礦井空氣嚴重缺氧，造成人員窒息而亡;另一方面，可以引起再生火災，從而引起瓦斯、煤塵爆炸。老采空區一般有大量積水，就像懸浮在掘進頭或工作面上方的水庫，時刻威脅著安全生產，從而給本煤層及下組 (層)煤的開采帶來極大的安全隱患。因此，煤礦老空區誘發的事故已經成為影響礦井安全生產的重大關鍵問題之一。為了防止和減少水害事故，必須提前對老空區進行超前探測和預警。目前工程物探方法具有快速和大面積普查的優勢，已越來越成為探明地下采空區的一項重要和有力的勘探手段。在眾多物探方法中，瞬變電磁以其對低阻含水體靈敏、受體積效應影響相對較小、縱橫向分辨率高、且施工靈活輕便及工作效率高等特點而被廣泛應用于采空區積水探測［1－7］。近幾年淺層地震法在煤礦采空區的勘查中應用較廣，其主要依據仍然是通過追蹤被采煤層的反射波，視其在勘查剖面上的變化來確定采空區是否存在，并圈定其邊界［8－11］。這兩種方法都有各自的優缺點和適用范圍，瞬變電磁可以探測采空區和積水，但由于受體積效應的影響，會產生多解性;淺層地震法可以探測采空區的分布，但對確定積水情況較為困難。因此，單一的物探手段在復雜地質和開采條件下很難確定采空區及積水的分布及其特點，所以綜合物探技術是采空區調查和治理的先行有效手段。

本文基于淺層地震和瞬變電磁綜合物探勘查方法，對某礦計劃開采區域的上組煤老空區進行采空區及積水勘查，以便于下組煤的安全回采。通過綜合物探勘查方法基本查明了異常區的位置、分布范圍和積水情況，為煤礦安全生產提供保障，同時也便于根據實際采空情況采取相應的技術措施，并為相關部門的科學決策提供依據。

1 淺層地震探測原理

淺層地震勘探分為反射波法和折射波法，由于折射波法應用需要一定的前提，即被探測目標層波速大于上覆地層波速，因而應用受到限制［12］。因此，淺層地震反射波法應用較為廣泛。淺層地震反射波法就是人工激發的地震波在地面下傳播過程中遇到反射界面后，再傳向地面，通過地面埋設的檢波器接收反射到地面的地震波信號，經過模擬信號向數字信號轉換后，再運用數據處理方法對地震波進行必要的處理，形成地震時間剖面，在地震時間剖面上解讀探測信息，如有采空區的存在，煤層的地震反射波組能量明顯減弱、連續性變差或消失，即可以以地震時間剖面上反射波不連續追蹤作為識別煤層采空區的重要標志。

2 瞬變電磁探測原理

地面瞬變電磁法是一種時間域的電磁勘探方法，利用一個不接地的回線或磁偶極子 (也可以用接地線源電偶極子)向地下發射脈沖電磁波作為激發場源 (習慣上稱為“一次場”)，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場，從而得到異常體的導電性能和位置，達到解決地質問題的目的。在采空區探測中，如果采空區為不充水的空洞，在電性剖面上表現為高電阻率異常反映;若采空區為充水或有上部巖體塌落等，則會表現為低電阻率異常反映。

3 探測實例分析

鄂爾多斯市某煤礦計劃開采井田東部4－2煤層，煤層厚度平均3m左右，采用綜采一次采全高開采工藝。其上部為3－2煤，原小煤窯采用房柱式開采，開采范圍不清，3－2煤與4－2煤層間距平均35m左右。為了保證4－2煤 (下組煤)工作面的安全回采，需要對開采區域內的老空區的位置、分布范圍及積水情況進行勘查。根據該礦地質地形特點、采空區及積水的地球物理特征，對計劃開采區域采用瞬變電磁法和淺層地震法進行了勘查，確定了采空區及積水區的范圍和位置。

3.1 勘探區概況

礦井主要含煤地層為侏羅系中下統延安組(J1－2y)，上覆地層有侏羅系中統直羅組 (J2z)、安定組 (J2a)、第三系上新統 (N2)和第四系 (Q)。礦井構造形態表現為一向西南傾斜的單斜構造，傾角一般為1～3°，地質構造屬簡單類型。勘查目標層為3－2煤，為井田內全區發育的主要可采煤層之一，煤層厚度平均3.0m。煤層結構簡單，一般不含夾矸層位穩定，對比可靠，頂板巖性為泥質粉砂巖及砂質泥巖，底板為粉砂巖。

3.2 現場施工布置

3.2.1 淺層地震法

本次探測采用法國產428XL型多道遙測數字地震儀進行野外數據采集。綜合分析人工重錘敲擊和人工落重敲擊次數與單炮記錄能量及品質的關系，同時考慮到施工的方便性，本次淺層地震勘探采用人工落重或人工重錘敲擊激發10～14次垂疊記錄的方式進行施工，一般采用12次垂疊記錄，接收道數為48道，道間距為4m。考慮到疊加次數與接收道數的關系，本次勘探采用100m為最大炮檢距。檢波器采用60Hz動圈式檢波器3只串聯點式、挖坑埋置接收，坑深以檢波器位于密實沙土中為準。資料處理是在美國的SGI公司生產的Sun-BLade2000工作站上進行的，資料處理軟件為法國CGG公司GeoCluster處理系統和美國綠山折射靜校正軟件。

3.2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法勘探使用的是加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電磁法探測儀，該儀器具抗干擾能力強、測量動態范圍大、體積小、功率大、施工方便及測量精度高等特點。為較準確地控制可能存在的采空區及積水異常，瞬變電磁法測網設計為線距40m，點距20m，布置測線5條，分別為SS13～SS17線，測點215個，采用大定源回線裝置。

4 物探勘查結果分析

4.1 淺層地震法勘查結果分析

測線的解釋主要依據疊加時間剖面及偏移時間剖面，通過分析剖面解釋測線的正常賦煤地段及地質異常段。本次地震時間剖面主要表現為以下幾種情況:正常賦煤地段表現為各煤層對應同向軸較為穩定，連續性較好;采空地段表現為煤層反射波組能量突然減弱或消失。圖1為SXD4線淺層地震勘探成果圖，圖中虛線框內為正常賦煤地段，實線框內為采空區地段。

4.2 瞬變電磁法勘查結果分析

對測量數據進行了處理，根據地層的電性特征，設計了表示視電阻率的色譜，形成了視電阻率色譜斷面圖，該圖反映了勘查剖面的電阻率分布特征，并根據其分布特征進行解釋。限于篇幅，文中只給出了SS15測線視電阻率剖面圖 (圖2)，SS15瞬變電磁法測線與淺層地震法SXD4測線重合。SS15線整體視電阻率變化較大，其中19～42號點附近視電阻率異常高，結合地震資料及地質資料分析，該部位為采空區的反映;其中13～19號點附近存在低阻異常，且從地震資料分析該處為采空區異常，推斷該部位為采空積水區。根據以上解釋原則，形成了瞬變電磁法勘查成果。

圖1 SXD4線淺層地震勘探

圖2 SS15測線視電阻率剖面

4.3 綜合勘查結果分析

采空區的解釋主要依據淺層二維地震和瞬變電磁反映綜合考慮分析解釋。根據2種方法各自的特點 (二維地震對采空區的反映比較直觀，瞬變電磁對水體反映靈敏)，結合本次工作量設計布置特點 (二維地震測線線距較大，瞬變電磁線距較密)，因此解釋時在二維地震測線布置的地方以地震解釋成果確定采空區位置;在地震測線未控制區域，由瞬變電磁補充修正解釋，進一步細化采空區范圍和分布形態。根據掌握的地質、開采條件分析探測成果剖面的電阻率分布特征和地震同相軸特征，以此得到正確的地質解釋。

圖3為淺層地震和瞬變電磁綜合物探勘查法的解釋成果平面圖，測區南部為實體煤，中南部為低阻采空積水區，北部為采空區。為了進一步確認積水采空區探測的準確性及確保4－2煤的安全回采，礦方在采取安全措施的情況下打開了原有的密閉巷道，進入勘查所確定的采空區積水異常區，結果發現巷道內積水嚴重，從而驗證了探測的準確性。