綜合物探方法在靈新煤礦采空區探查中的應用

梅超++路躍++職榮軍

摘 要：采空區的存在對煤礦區生產、人民財產安全和工程建設造成極大的安全隱患。有效地探測采空區成為解決上述問題的關鍵。該文從采空區地球物理特征入手，采用三維地震、高密度電法的綜合物探方法對采空區進行探測。三維地震勘探技術可查明直徑大于20m的陷落柱，控制采空區邊界，平面位置誤差不大于20m。高密度電法是剖面法和電測深法的集中，在原理上與普通電阻率法相同，是一種陣列勘探方法，不同點是該方法在觀測中設置了高密度的觀測點；它具有較高的分辨能力，且勘探效率高，結合鉆孔資料能進行一、二維反演，圈定電阻率異常區，從而確定采空區范圍及充水情況。

關鍵詞：物探技術 高密度電法 三維地震勘探 采空區

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0099-02

靈新煤礦隸屬神華寧夏煤業集團有限責任公司，為國有企業礦井。為了礦井采掘接續的安排，要開拓布置新的工作面。新工作面為原磁窯堡鎮所在地，現地面建筑物大部分已搬遷，該區域地質工作程度較低，分布有大量的老窯采空區，老窯集水情況不明。所以準確的查明老窯采空區和老窯集水情況對采區的開采及安全尤為重要。

1 煤層采空區的地質特征

勘探區內主要為原磁窯堡煤礦開采后遺留老窯采空區，主要開采上含煤組二、六煤層。開采方式通常為沿煤層露頭下掘斜井。解放前后開采的極少數小窯（如48、58號小窯）則用小型豎井。因受開采技術限制，開采深度一般僅為40米左右，最深也不超過80米，沿走向最大長度可達百米左右。

2 煤層采空區的三維地震探查技術及應用

2.1 煤層采空區地震時間剖面的技術分析

對比性研究三維地震時間剖面后，發現采空區時間剖面會出現如下現象：反射波同相軸下凹時間發生延遲、反射波同相軸中斷、不連續，等。換言之，不同煤層采空區的地質特征與不同的地震反射波特征相對應，這屬于三維震探查老窯采空區的技術分析原理。煤層采空不外乎兩種情況，其一是采空區上覆巖層塌陷，另外是煤層頂板未塌陷。

先看采空區上覆巖層塌陷。當遇到采空區面積較大，時間較長時，上覆地層塌落、回填則采空區在地震時間剖面上表現在幾個方面：第一，反射波在一定范圍內同相軸有下凹趨勢，這是由于采空區塌陷變形，采空區上部出現速度降低，時間延遲造成的下拉現象，反射波同相軸相位在地震時間剖面上出現明顯滯后。第二，當煤層采空區上部巖層裂縫發生波的散射時，反射波的振幅及波形在地震時間剖面上表現為，振幅降，反射波波形變得不規則、產生畸變。第三，由于煤層采空區引起的上覆巖層破壞區對地震波具有很強的吸收、頻散衰減作用，反射波頻率變化在地震時間剖面上表現為反射波的頻率的降低。在地震時間剖面上識別煤層采空區時，可將上述不同的地震反射波特征作為重要標志。

2.2 三維地震探查采空區的應用實例

2.2.1 井田地質概況

靈新煤礦位于鄂爾多斯地臺西緣褶皺沖斷帶上，依據本次三維地震勘探成果和鉆探揭露資料，均表明補勘區內構造線總體走向為近南北，且向南傾伏，傾伏角0～10°。勘探區內的向斜兩翼不對稱，向斜西翼北部傾角較緩，南部傾角較陡，傾角12～30°；向斜西翼地層產狀10°左右，東翼地層產狀75°左右。礦區大部分面積被第四系地層所覆蓋，屬隱伏式煤田。根據鉆孔揭露顯示，補勘區內地層由老至新依次為：三疊系上統上田組（T3y）、侏羅系中統延安組（J2y）、中統直羅組（J2z）、第四系（Q）。含煤地層為侏羅系中統延安組（J2y），鉆孔揭露厚度，最小314.08m，最大352.58m，平均厚度338.42m。

2.2.2 應用實例

三維線束方向基本垂直地層走向，采用10線10炮觀測系統不對稱激發，全區共布設線束10束。本區設計布置三維線束10束，生產物理點2470個；布置試驗點4個，試驗物理點40個；試驗線1束，試驗合格轉為生產物理點。小折射2個，物理點4個；機動物理點80個，全區共布設物理點為2594個。識別煤層采空區的重要標志是在地震時間剖面上反射波不連續。識別煤層采空區的參考標志是反射波振幅變弱，頻率降低。其波組特征與正常煤層地段存在差異，且存在時間延長等多種現象，因而地質形態在時間剖面上因采空區地球物理特征的變化而變化。當大面積采空時，其采空區解釋方法不能僅依靠常規單層煤層的反射波特征加以判定，需結合整套地層的波組關系及其他手段進行。由于采空區對地震波的吸收和散射，使得反射波組在時間剖面上出現零亂、消失的現象，據此可以圈定采空破壞區的范圍。在采空破壞區內，由于煤層的不規則采掘，出現煤層采空、煤層變薄、留設煤柱以及局部殘留等現象，反射波在時間剖面上表現為同相軸扭曲、振幅變弱或消失，也可能生成強反射波，相對煤層反射波來說，該反射波表現為，時間上延長，振幅增強，頻率降低，延續相位能量增強等特征。對地震波的傳播產生一定的影響，并導致采空區地震異常范圍與實際煤層采空區的大小存在誤差的原因是：煤層采空并塌陷后形成的上覆巖層破壞范圍通常會在采空區上方形成由冒落和裂隙帶構成的具有一定裂陷高度和角度的破壞帶。根據以上方法，本次三維地震勘探圈出了二煤采空區邊界。對采空區內部可能存在的留設煤柱和部分未采空區域反映不清，沒有給予解釋。六煤層與二煤層間距較小，二煤采空區對六煤層影響較大，二煤層采空區下六煤層反射能量弱且不連續，本次勘探沒有解釋六煤層可能存在的采空區。

3 高密度電法探查煤層采空區技術及應用

3.1 高密度電法探查煤層采空區技術原理

高密度電阻率法是電剖面法和電測深法的集中，原理上與普通電阻率法相同，是一種陣列勘探方法，不同點是在觀測中設置了高密度的觀測點。用于野外測量時，全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，通過電極轉換器和主機即可實現快速自動采集剖面中不同電極距、不同電極排列方式的相關數據。

（1）采用溫納（WN）裝置，電極總數120（根據情況可調），隔離系數n（min）=1；n（max）=16（根據情況可調）。它的電極排列規律為：A、M、N、B（其中供電電極為A、B，測量電極為M、N），隨著極距系數逐漸由n由n（MIN）增大到n（MAX），四個電極之間的間距也被均勻拉開，測量斷面為倒梯形。

（2）單邊三極連續滾動式測量（S3P）裝置，電極總數120（根據情況可調），隔離系數n（min）=1；n（max）=20（根據情況可調）。它的電極排列規律是：N、M、A、（其中A、B是供電電極，B置于無窮遠，M、N是測量電極），N、M不動，A逐點向右移動，得到一條滾動線：接著N、M、A同時向右移動一個電極，M、N不動，A逐點向右移動，再得到一條滾動線：這樣持續滾動測量下去，即得到矩形斷面。

3.2 高密度電法的探查采空區的應用實例

在進行靈新煤礦二煤采空區解釋時，主要以二煤的電性特征進行分析。通過臨近的剖面與連井剖面的對比，推斷全區的深度調整系數為1.0。平面等值線圖是通過求出每個測點上指定深度上的反演視電阻率值，結合剖面圖進行二煤采空區范圍的解釋工作。采空區的分布主要在D7線到D31線。在平面圖件的解釋中，以ρS=30Ω·m為閾值劃分采空區與未采空區，結合剖面圖解釋成果，將采空區進行合理連接形成最終的解釋成果。

如圖1所示，為Geogiga RTomo軟件顯示的剖面垂直切片示意圖，能夠通過各個角度較直觀地看出剖面圖異常區的聯系，對采空區的解釋有很好的參考意義。

4 綜合應用效果分析

對煤層采空區進行解釋時可利用三維地震時間剖面反射波的特征，再結合高密度電磁法視電阻率異常顯示特征，即可分別圈定采空區位置和范圍。當兩者圈定位置和范圍吻合度較高時，預示著采空區的圈定有較高的可信度，進而可通過鉆探進一步進行驗證。當兩者圈定位置和范圍有較大差異時，則采空區的圈定值得懷疑，應具體分析差異產生的原因，從而進一步優化解釋方案。

采空區在未充水時，通常表現為高阻異常區，當其充水時，它的電阻率會急劇下降，低于其圍巖，表現為低阻異常區。從解釋成果圖可以看出，7個采空區域均有條帶狀分布特征，且都表現為ρS<30Ω·m，由此推斷采空區均充水。未發現未充水采空區。最基本的問題是有效數據的分辨。不僅指本方法，其它物探方法也如此。在數據采集現場，我們必須能有效地分辨：采集到的數據是否為有效數據，簡單講就是：原始數據是否真實？一些技術人員需要得到高密度電阻率法解釋方面的幫助，可實際上，其原始數據的質量太差，根本無法進行資料解釋，原始數據不行，就是再高級的大師也無法幫忙。如果在得到此類數據卻不自知的話，其后果可想而知。這種情況在初學者中很普遍，在一些多年的“老手”也會存在，如果其未對此進行過深入思考的話。

不同觀測方式對數據成果的影響：目前，高密度電阻率法儀器發展迅猛，高密度儀器幾乎可以實現所有的電阻率法觀測。總體上，該研究者比較贊同對高密度電阻率法觀測方式的兩大分類：剖面類觀測方式和測深類觀測方式。因此，對現場作業及處理進行設計時，應按如下原則對觀測裝置做出選擇：當場地條件許可時，盡量采用剖面類觀測方式，特別是首選四極剖面裝置，因為這種觀測方式正是集中了電剖面和電測深法的優點，而其采集點分布更為均勻合理，在不少場合、不同要求的勘探項目中均可取得好的效果。在剖面觀測時，解釋資料的反演應以二維剖面為主，單點測深、水平曲線分析為輔。而當場地限制只能采用測深類裝置時，應盡可能改善各點的接地條件，解釋資料的反演應以單點測深反演為主，二維剖面為輔，特別是解釋出直立狀接觸帶時，切記要謹慎。

本區實際綜合應用時，當無其他可靠資料進行確認時，鑒于謹慎性原則，應暫把三維地震和高密度電法圈定的采空區稱作疑似采空區。當三維地震與瞬變電磁圈定的疑似采空區吻合度較高時，即可認定采空區可信度較高，并通過鉆探進一步確認；當其他兩種情況出現時，則采空區的圈定有很大的不確定性，并不排除多解性，很多情況是由其它地質因素導致，而采空區僅為可能之一。

5 結語

對煤層采空區利用地震時間剖面反射波特征進行解釋，在技術上理論是可行的，而實例說明只要選用合理的施工參數，進行嚴謹地施工，對資料采取精細地處理，運用多樣化得當的資料解釋方法和手段，利用地震時間剖面上反射波特征，結合屬性平面解釋，是可以完成采空區解釋任務的，而最經濟適用和行之有效的探測采空區方法是采用三維地震勘探。

影響煤礦生產效率的主要地質因素是地質構造和水文地質，單一勘探方法存在固有的局限性為：多解性、不確定因素多，等，為了更好的解決這兩大地質問題只有采用綜合勘探方法，而結合三維地震和高密度電法進行勘探，能夠實現相互印證、得到優勢互補，從而顯著提高解釋成果的可靠性，進而對高產高效的礦井生產提供可靠的地質保障。探查煤礦采空區時，綜合運用兩種方法要注意：（1）嚴格按照施工要求，規范地做好數據采集工作；（2）對生產礦井進行動態分析，結合相互驗證，排除多解性；（3）為避免解決地質問題的片面性，應充分利用已知資料（如鉆探、測井、巷道、水文地質，等）進行綜合分析。

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