高精度重力測量在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用

劉瀟遜

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇六地質(zhì)大隊(duì)，貴州 遵義 563000）

目前由于對煤礦開采過度的行為，造成很多山區(qū)中都存有煤礦采空區(qū)。煤礦采空區(qū)自身存在一定的安全隱患，其內(nèi)部構(gòu)造鏤空，當(dāng)出現(xiàn)雨雪天氣時，容易發(fā)生塌方等事故，造成山體斷裂，從而引發(fā)更嚴(yán)重的安全事故。因此，為減少安全隱患，減少人員傷亡的情況發(fā)生[1]，本文基于高精度重力測量技術(shù)，對煤礦采空區(qū)探測進(jìn)行設(shè)計。高精度重力測量技術(shù)是指根據(jù)不同的工作需求，完成探測目的，對其實(shí)施重力測量。針對貴州地區(qū)，進(jìn)行重力加速度的測量，通過計算獲得對應(yīng)的數(shù)值。在高精度重力測量技術(shù)中，重力測量的方式主要分為絕對重力測量與相對重力測量。本文利用高精度重力測量技術(shù)針對煤礦采空區(qū)的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行測量，可以得到采空區(qū)的位置、深度以及分布范圍。設(shè)計重力測量剖面布設(shè)，對測量區(qū)域作出劃分，反演采空區(qū)模型，通過歐拉反褶積原理的計算，對重力測量到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，對測量到的數(shù)據(jù)解釋說明。通過實(shí)驗(yàn)論證分析，與其他探測方法相比，本文設(shè)計的高精度重力測量應(yīng)用能夠更清晰準(zhǔn)確地獲得采礦區(qū)的深度等數(shù)據(jù)。

1 基于重力測量的煤礦采空區(qū)探測應(yīng)用設(shè)計

1.1 重力測量剖面的布設(shè)

在進(jìn)行高精度重力測量時，分析研究地區(qū)的地質(zhì)特征，確定貴州省地質(zhì)符合重力測量剖面布設(shè)的條件[2]。符合重力測量剖面布設(shè)的條件一般指該地區(qū)的地質(zhì)多為堅(jiān)實(shí)的礦山，能夠承受重力測量的剖面布設(shè)。在設(shè)計剖面線過程時，應(yīng)該設(shè)置比例尺，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計兩條剖面線，比例為1:100，縱向的剖面線設(shè)為I 線，橫向剖面線設(shè)為II 線。其中，I 線的長度一般較長，需要設(shè)置在225～230 m之間，該長度能夠覆蓋整個煤礦采空區(qū)，方位角為312°，其高度一般在80 m 左右；II 線的長度較短，一般為150～180 m 之間，具體長度需要根據(jù)煤礦采空區(qū)的實(shí)際大小為標(biāo)準(zhǔn)，保障其覆蓋住整個煤礦采空區(qū)，方位角為33°，高度相比于I 線更高，需要保持在100 m 以上。其中，I 線與II 線的交點(diǎn)為30號點(diǎn)，該點(diǎn)一般位于煤礦采空區(qū)的中心處，也是采空區(qū)地下拱形的最高點(diǎn)。在重力測量的布設(shè)下，四周應(yīng)該設(shè)置出口，分為東南西北四個出口，東出口距離30 號點(diǎn)長度為80 m，西出口距離30 號點(diǎn)為150 m，南北兩個出口距離30 號點(diǎn)均為120 m，具體出口的位置根據(jù)礦區(qū)的采石量來設(shè)定。當(dāng)采石量較多的時候，該采空區(qū)內(nèi)部的構(gòu)造較空，需要將出口設(shè)置得離中心30 號點(diǎn)更近的位置。

本文采用CG-5 型高精度重力儀進(jìn)行煤礦采空區(qū)測量，需要對其完成4000 個以上測量點(diǎn)，精度達(dá)到0.037×10-5m/s，能夠準(zhǔn)確測量出對應(yīng)的重力結(jié)果。

1.2 反演采空區(qū)

針對重力測量剖面的采空區(qū)模型開始反演，以I 線與II 線為標(biāo)準(zhǔn)，對采空區(qū)模型進(jìn)行區(qū)域劃分[3]。I 線為SN 向，II 線為EW 向，其將采空區(qū)分成四部分，分別對四部分開始反演，分為WN 區(qū)域、EN區(qū)域、WS 區(qū)域與ES 區(qū)域。其中應(yīng)注意EN 區(qū)域的探測，SN 區(qū)域的重力梯級一般會帶動EW 區(qū)域內(nèi)山體的扭曲與錯斷，在WS 區(qū)域內(nèi)部，容易形成階梯狀的盆地，需要對其進(jìn)行嚴(yán)格把控。通過對四個區(qū)域的反演，能夠得到長度與重力之間的曲線圖像如圖1 ～圖4。

從圖1 ～圖4 反演圖像可以看出，WS 區(qū)域的反演圖像波動較大，表示其容易形成階梯盆地狀，對其重力產(chǎn)生了一定的影響；ES 區(qū)域的反演圖像波動頻率較高，其主要形成一個坑洼不平的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，由于整體的重力受力不均勻，容易造成塌方情況的發(fā)生[4]。

圖1 WN 區(qū)域反演圖像

圖2 EN 區(qū)域反演圖像

圖3 WS 區(qū)域反演圖像

圖4 ES 區(qū)域反演圖像

本文基于對不同區(qū)域的反演，可以得到不同區(qū)域的深度，當(dāng)選取為100 m 時，則設(shè)計的迭代次數(shù)取10次，反演的高度與實(shí)際采空區(qū)的深度基本一致。因此，通過反演圖像，能夠得到對應(yīng)的采空區(qū)的深度，從而探究其內(nèi)部構(gòu)造。

1.3 完成重力異常數(shù)據(jù)處理

在完成煤礦采空區(qū)模型的反演后，可以獲得對應(yīng)的采空區(qū)內(nèi)部的構(gòu)造數(shù)據(jù)，其中某些數(shù)據(jù)具有一定的異常，對重力異常的數(shù)據(jù)設(shè)置歐拉反褶積處理，可以獲得準(zhǔn)確的重力數(shù)據(jù)。部分場源構(gòu)造指數(shù)參考表見表1。

如表1 所示，經(jīng)過重力測量后，可以獲得對應(yīng)的采空區(qū)的構(gòu)造數(shù)據(jù)，結(jié)合表中的參數(shù)，對其設(shè)置模擬處理，構(gòu)建一個虛擬的圖像還原采空區(qū)的構(gòu)造。對某些異常的數(shù)據(jù)運(yùn)用歐拉反褶積理論處理，則可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。當(dāng)I 線左側(cè)區(qū)域的幅值為0.1×10-5m/s2，則表示該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)一定異常測量[5]，根據(jù)歐拉反褶積處理解釋。當(dāng)N（孤立場源）=0 時，則表示該數(shù)據(jù)受地表不均勻密度體干擾，需要對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，對邊緣設(shè)置松動圈，從而穩(wěn)定該區(qū)域內(nèi)的密度，開始再一次測量。

表1 部分場源構(gòu)造指數(shù)參考數(shù)據(jù)表

根據(jù)高精度測量技術(shù)進(jìn)行煤礦采空區(qū)的構(gòu)造分析工作，能夠獲得地下的深度與分布位置，有利于排除安全隱患。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

選取貴州貞豐縣挽瀾鄉(xiāng)大石堡煤礦區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置五個探測點(diǎn)，分別位于WN 區(qū)域、EN 區(qū)域、WS 區(qū)域、ES 區(qū)域以及30 號點(diǎn)。分別對以上五個探測點(diǎn)設(shè)置鉆孔，確定五個探測點(diǎn)的實(shí)際深度，預(yù)設(shè)兩組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)A 組為本文基于高精度重力測量技術(shù)探測煤礦采空區(qū)高度，實(shí)驗(yàn)B 組為物理法探測采空區(qū)高度，與實(shí)際高度進(jìn)行對比，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

五個鉆孔點(diǎn)分別設(shè)為ZK01、ZK02、ZK03、ZK04、ZK05，五個測量點(diǎn)高度均不相同。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析

通過對五個鉆孔點(diǎn)測量，實(shí)驗(yàn)A 組采用重力測量儀，實(shí)驗(yàn)B 組采用物理測量尺，得到兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

如表2 所示，實(shí)驗(yàn)A 組的數(shù)據(jù)接近于實(shí)際數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)B 組與實(shí)際數(shù)據(jù)之間存在較大差距，容易造成誤差，從而影響對采空區(qū)的安全隱患排除工作的開展。

表2 鉆孔測量點(diǎn)高度數(shù)據(jù)對比表 （單位：km）

綜上所述，本文基于高精度重力測量煤礦采空區(qū)的方法更能夠準(zhǔn)確排除采空區(qū)中存在的安全隱患，能夠獲得準(zhǔn)確的高度數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

本文基于高精度重力測量對煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用提出了研究設(shè)計。在以往的相關(guān)研究中，主要運(yùn)用物理探測技術(shù)對煤礦采空區(qū)探測，確定煤礦區(qū)域中存在的安全隱患，不能夠進(jìn)行全面的偵查，因此本文利用高精度重力測量，能夠有效探測煤礦采空區(qū)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，對其設(shè)計演變設(shè)想，從而得到需要的信息與數(shù)據(jù)。