綜合物探在采空區(qū)及積水勘探中的應(yīng)用

賈 榮

1 工作面地質(zhì)概況及探測任務(wù)

首先，礦井回風(fēng)巷道的走向，全長約一千米。線路南側(cè)為軌道道路，穿過斷層。道路左側(cè)滲水。據(jù)專家估計，巷道左側(cè)也為一處積水區(qū)的采空區(qū)。礦井的副井和斜井管道長度六百三十米。位于雪山回風(fēng)斷層巷道北側(cè)，與雪山斷層巷道交匯。副斜井右側(cè)約五百八十米以上，為煤層采空區(qū)；左側(cè)工作區(qū)地面以下回采區(qū)的煤層壁厚比較穩(wěn)定，一般厚約三點六零米，工區(qū)內(nèi)的巷道有時也不會有輕微滲漏。為了有效保證井下的安全正常生產(chǎn)，必須開展地下物探工程。本次檢查的關(guān)鍵任務(wù)之一是探測回風(fēng)巷道左側(cè)積水的采空區(qū)及其滲透性。

2 勘探區(qū)地球物理特征

在探測的范圍內(nèi)，由于巖性或構(gòu)造類型的不同也會使導(dǎo)電性能產(chǎn)生一定的差異變化，但由于地電類檢測法的理論基礎(chǔ)仍然是根據(jù)導(dǎo)電性能的高低而不同，也由此建立了地質(zhì)信息測量的理論基礎(chǔ)。通過多年的理論研究與實踐證明，在煤層開采瓦斯時被采空后，所覆巖重力與巖石地層構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致了采空區(qū)面積的基本頂坍落度，從而導(dǎo)致了采空區(qū)面積和所覆巖塊結(jié)構(gòu)的向下垮落，并隨之發(fā)育產(chǎn)生了第三帶，空區(qū)面積和所覆大壩的基礎(chǔ)巖性結(jié)構(gòu)與其他地層之間具有了顯著差異的地球物理特征，一般主要表現(xiàn)為以下幾點：

首先，采空區(qū)上覆巖層中存在崩落帶，巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使巖石呈現(xiàn)破碎松散狀態(tài)。在這種情況下，地表水更容易向下流動，導(dǎo)致采空區(qū)積水和嚴(yán)重的安全事故。

其次，與一般巖石的水平剖面比較，采空區(qū)裂縫帶巖石表面雖不存在松動開裂現(xiàn)象，但由于裂縫的出現(xiàn)則給積水創(chuàng)造了良好的水力通道，較易于形成采空區(qū)積水。鈾探測濃度也與地層中的放射性物質(zhì)濃度相關(guān)。所以，由于放射性材料濃度比較高，所以在巖漿巖中的氡含量也就較高，而由于沉積巖的下埋深度比較淺，所以氡值也就較低。

3 勘探方法選擇及應(yīng)用

3.1 綜合物探概述

3.1.1 綜合物探的概念

物探檢查可以解決和發(fā)現(xiàn)有關(guān)地質(zhì)學(xué)與工程問題的重要因素之一是，要求檢查的地質(zhì)對象與其周圍介質(zhì)間具有特定的物理差異。這些生物差異將影響所搜索地質(zhì)體附近某些天然和人工物理場的生物分布特點。地球物理技術(shù)主要是運(yùn)用最現(xiàn)代的地球物理儀器設(shè)備，通過吸收一些物理場的分布規(guī)律，與地球均勻條件下的物理場進(jìn)行比較，以尋找差異的部位，并研究與探測對象間的關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到處理地理問題或工程問題的目的。

根據(jù)礦井礦層可能存在的采空區(qū)和積水，采用瞬變現(xiàn)象電磁法和氡氣法，通過對綜合地面地球物理施工資料的分析，確定采空區(qū)面積最大的區(qū)域和采空區(qū)體積，并通過理論計算對靜態(tài)地下采空區(qū)積水進(jìn)行了預(yù)測。試驗后，采空區(qū)存在采空區(qū)，同時存在大量的靜積水，為礦層開采安全開采奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。幾年后，由于某些新方案、新技術(shù)以及新儀器的問世，簡單解決方案的應(yīng)用例子十分廣泛。它是在地理科學(xué)中一種新興的、非常活躍和迅速發(fā)展的專業(yè)領(lǐng)域。同時，它也是工程測量的主要方法之一。在一定程度上，它的應(yīng)用和發(fā)展已成為反映地理工程測量科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化水平的主要標(biāo)志。

而綜合物探，則是在進(jìn)行物探時，使用多種物探的方法，綜合物探的分類達(dá)到了共同完成或處理某一地理及社會工程問題的目的，以達(dá)到良好的地理效應(yīng)和社會效果、經(jīng)濟(jì)性，以適應(yīng)工程的技術(shù)要求。

3.1.2 綜合物探的優(yōu)勢

（1）具有更高的安全性。傳統(tǒng)的全球物探勘探技術(shù)效果相對獨特，如物探重力勘探或物探溫度勘探，但目前的全球物探勘探方法已經(jīng)綜合了各種物探勘探方法的主要功能?？梢酝瑫r進(jìn)行重力和溫度的物探測量，這提高了地質(zhì)測量的穩(wěn)定性。

（2）提高了物質(zhì)勘探的質(zhì)量。運(yùn)用綜合物探法能夠合理的探查地質(zhì)周圍的結(jié)構(gòu)，并且還能夠運(yùn)用低溫探測法對周圍的安全狀況進(jìn)行探查，在出現(xiàn)異常狀況時能夠?qū)ζ渥龀鰷?zhǔn)確的標(biāo)注。綜合物探勘查法中的電探法，可以更精確的檢查巖層及其地層結(jié)構(gòu)并對其作出自主分類，為勘察人員提供更有力的信息。而因為巖石磁性的豐富程度不同，要想全面掌握巖石的結(jié)構(gòu)及其巖石磁性的分布就一定要通過磁法勘探法，來掌握巖層內(nèi)的磁性分布規(guī)律并為地理勘察人員提供有關(guān)巖石磁性信息。在開展綜合地質(zhì)勘察工作時不但要掌握巖體的磁場分布，還必須掌握巖石的巖層狀況及其中礦物的密度等，這就必須運(yùn)用綜合物探勘察法中的熱重力儀進(jìn)行勘察。在運(yùn)用綜合物探法開展勘察工作的過程中，可以運(yùn)用電法勘探的方法認(rèn)識巖層構(gòu)造，并探測其是否滿足開發(fā)的要求，電法勘探能夠更有效的為地質(zhì)開發(fā)人員提供安全保障?？傊?，綜合物探法匯集了其他物探方法的優(yōu)點，對地質(zhì)礦產(chǎn)有著一定重要性。

綜合物探法廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘察過程中，但一些調(diào)查單位尚未接受全球物探方法。因此，在實際的地質(zhì)調(diào)查過程中，通常采用簡單的傳統(tǒng)全球勘探方法。同時，調(diào)查方法的多樣性也導(dǎo)致了調(diào)查數(shù)據(jù)的多樣性，這不僅不利于數(shù)據(jù)分析和后續(xù)研究人員的整合，而且提高了地質(zhì)調(diào)查的成本，大大降低了地質(zhì)調(diào)查的效率。目前中國的燃料供應(yīng)量很大且對燃料的要求品種也較多，對淺層資料的研究已無法適應(yīng)當(dāng)今市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求因此現(xiàn)在一定要將視線投向深部資料，這就要求勘察技術(shù)人員要改變自身的勘察方法，運(yùn)用更為先進(jìn)的綜合物探法對地質(zhì)條件展開勘察，增強(qiáng)勘探工作的準(zhǔn)確度。

3.1.3 地質(zhì)勘察中，對綜合物探方法的運(yùn)用

（1）物探模型的應(yīng)用。能夠利用對研究區(qū)內(nèi)的電磁測深、磁力強(qiáng)度、引力場或者震害之類的物探數(shù)據(jù)分析，對密度、磁力或者典型等等其他物質(zhì)資源或者儲備層的地震發(fā)生波速之類數(shù)據(jù)分析信息來進(jìn)行科學(xué)合理的分類，并且也能夠在這種基礎(chǔ)上根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地理背景，從而能夠構(gòu)建出研究該區(qū)的地質(zhì)-物探模式，并且在明確了地質(zhì)學(xué)資源的儲備深層和規(guī)模之后，還能夠分析礦山地區(qū)斷層，從而綜合評估了地質(zhì)學(xué)資料利用的前景。總體而言，能夠通過運(yùn)用綜合物探法來更加準(zhǔn)確的掌握所勘探區(qū)域的地質(zhì)—物探模式，這樣就能夠為今后的開采系統(tǒng)模式的形成過程和能量儲備狀況做出進(jìn)一步分析，從而給出更加合理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考。

（2）選擇合適的物探措施。綜合物探技術(shù)主要利用不同的勘探數(shù)據(jù)測量一個區(qū)域，包括水平測量和垂直測量。它可以合理地修正現(xiàn)場測量值，然后與地質(zhì)資源進(jìn)行水平或垂直比較，以探索地理位置。同時，在實際勘探過程中，還必須更多地關(guān)注不同的地理條件或區(qū)域，并結(jié)合各種物探方法采取措施，以促進(jìn)或提高勘探的安全性和準(zhǔn)確性。具體物探方法應(yīng)根據(jù)同一具體情況的地理條件或巖層特征進(jìn)行科學(xué)分析。如果結(jié)果不同，測量儀器也會異常。因此，物探技術(shù)的主要任務(wù)是在實踐中；首先是對特殊保護(hù)區(qū)的地理資源進(jìn)行分析。然后定義了土壤下巖層的增減變化和缺陷的具體分布。最后，有必要進(jìn)一步評估勘探區(qū)巖層的結(jié)構(gòu)特征和儲罐深度。在確定三項主要任務(wù)后，將地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)最可行的物探對策。

（3）綜合物探方法的組合。在對地質(zhì)資料勘查中，中國傳統(tǒng)的物探方法多將可控因原大地電磁性法和地震法綜合，以發(fā)揮出其優(yōu)勢，從而避免了在資料勘查中的科技缺陷，以達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)。比如說可控源電磁波具備了檢測區(qū)域比較廣闊、測量精度準(zhǔn)確的特點，但是由于其價格比較高昂，效果也較差，還面臨著深層遮蔽的問題。地震勘探法的主要優(yōu)點就是探測深度大，精度高，但劣勢在于工作效率低下、收費高昂、后期管理花費時間過長等。把這二個辦法整合，不但能夠增強(qiáng)勘探中的抗干擾能力，同時又促進(jìn)了勘探深入化，從總體上既保證了準(zhǔn)確度、又達(dá)到了效益的提高。

3.1.4 物探的分類

（1）重力勘探。重力探測，就是通過研究由地下巖石與其鄰近地層間、或各種地質(zhì)體和圍巖間的相對密度不同所造成的重力場的改變（即“重力異常”）來探查礦藏、區(qū)分巖層、并研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一門物探方法。引力異常，是由于質(zhì)量密度不平衡所導(dǎo)致的重力場的改變，它疊加到了地球的正常重力場上。

（2）磁法勘探。磁法勘探，就是通過研究由于地底巖石與其鄰近地層之間、以及各種地質(zhì)體和圍巖間的磁力差異，所產(chǎn)生的地面磁場強(qiáng)度的改變（即“磁異常”）以探查礦藏、分析巖層、研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種物探方法。磁異常是由于磁性礦物以及巖體的與地磁場相互作用下形成的磁性物質(zhì)疊加到正常場上而產(chǎn)生的，并與地質(zhì)結(jié)構(gòu)和某些礦物的分布存在著很大的關(guān)聯(lián)。

磁法勘探，按觀測磁的方法可分成地面磁測與飛機(jī)磁測二種基本方法。

（3）電法勘探。電法勘探是以巖層、礦產(chǎn)等介質(zhì)的電學(xué)特性為基準(zhǔn)，通過研究自然的現(xiàn)象及人工產(chǎn)生的電場、電磁場的分布規(guī)律，探查礦藏、分類巖性地層、調(diào)查地貌結(jié)構(gòu)、處理特殊水文條件工程地質(zhì)問題的一種物探方法，它是物探方法中分類較多的一個種類探測方式。根據(jù)電荷性質(zhì)的不同，可分成直流電法和交流電法兩種.

（4）地震勘探。震害探測是一門通過人工方式激發(fā)地震波作用，并觀察其在巖體內(nèi)的傳播狀況，以研究、探索巖塊地質(zhì)構(gòu)造與分布規(guī)律的物探方法。確定了分界面的埋藏深度、巖層的構(gòu)造成分和物理力學(xué)特性。

根據(jù)所用的反射彈性地震波技術(shù)類型的不同，以及按照我國地震震源勘探的主要工作原理方式，又大致可以再細(xì)分成三種反射彈性波法、折射彈性波法、半透射波法等等。

（5）放射性勘探。地殼里的天然宇宙放射性元素，在它們經(jīng)過了宇宙光子自蛻變化的過程之后便自然會逐漸放射出諸如α、β、γ 之類的宇宙射線，而這些類的射線在它們通過化學(xué)介質(zhì)后便自然會慢慢形成并逐漸游離于、螢光這些奇異的物理現(xiàn)象。放射性和高活度地質(zhì)探測激光法，是一種利用激光研究這種地質(zhì)現(xiàn)象從而可以找到各種放射性微量元素和鈾礦石的大量儲藏，以及研究處理有關(guān)我國地質(zhì)科學(xué)問題、環(huán)境管理問題等的一種新型物探探測方法。

而本次的物探方法根據(jù)地形和環(huán)境的特點，選用瞬變電磁法以及氡氣測量法。

3.2 地面瞬變電磁法

3.2.1 具體原理

在一定的電壓范圍內(nèi)，二次感應(yīng)電磁場的電壓越高，隨時間衰減的速度越慢，異常地質(zhì)體的規(guī)模越大。它與接收到的二級字段具有一定的時間相關(guān)性。在一定的最小電壓范圍內(nèi)，次級感應(yīng)電磁場的電壓越高，隨時間衰減的速度越慢，異常地質(zhì)體的規(guī)模越大。地面瞬變電磁法主要是通過一些特殊的地理資源來觀測異常電流或探測異常電流的源區(qū)，從而分析異常地質(zhì)體的賦存狀態(tài)。

3.2.2 工作裝置選擇

地瞬變電磁法，主要目的是利用某些特定的地理資源，來探測異常電壓或檢測異常電壓的源區(qū)，以便分析異常地質(zhì)體的賦存情況。綜合考察，瞬變電磁法的基本工作設(shè)備應(yīng)包括：交疊回路（發(fā)射回路與接收回路在空間上交疊）、中心回路（方形發(fā)射回路中心采用多匝小線圈接收）、偶極子（發(fā)射回路與接收回路相隔一定距離）和大固定源（固定一個大發(fā)射回路，用小線圈沿機(jī)架內(nèi)外測量線測量）設(shè)備。根據(jù)其勘察范圍的地理復(fù)雜性和更復(fù)雜未知地下條件的勘探任務(wù)，所采用的儀器和裝置都必須以提升所采集數(shù)據(jù)的信噪比和清晰度為核心目標(biāo)，同時有大量的采樣通道和疊加時間。因此，采用了加拿大菲尼克斯公司所制造的V8 電法工作站。

3.2.3 具體使用方法

瞬態(tài)電磁測量的主要工作包括了噪聲分析、傳輸回路和匹配電流之間的相關(guān)性、檢測時間以及儀器參數(shù)的選取，以及根據(jù)儀器型號、實驗內(nèi)容和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整。本現(xiàn)場的施工方法選擇了240m ～300m 的傳輸環(huán)距，以及50ms ～100ms的檢測時間，并按此要求調(diào)整匹配電阻，直至傳輸線波形下邊緣呈斜坡狀態(tài)。在測區(qū)附近鉆孔周圍實施鉆孔側(cè)探，并利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和鉆孔電測數(shù)據(jù)比較，以確定監(jiān)測時間是否達(dá)到預(yù)計監(jiān)測深度。否則，可延長觀察時間，重復(fù)上述過程。在對所收集到的主要參數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)技術(shù)分析與討論之后，通過收集、數(shù)據(jù)處理、解釋有機(jī)組合、理論研究和現(xiàn)場測試有機(jī)組合的設(shè)計方式，對此次瞬變電磁探測的主要技術(shù)參數(shù)作出了評估，并總結(jié)如下。觀測的系統(tǒng)類型：測線、測點距離等；接收時間通道，按照采樣間隔提取并隨機(jī)組合。

3.3 地面氡氣測量法

3.3.1 具體原理

測氡法的基本原理：氡是一種獨特的惰性放射性氣體，可通過地下直接到達(dá)地表，并通過儀器轉(zhuǎn)換顯示地層下的狀態(tài)信號。氡氣在采空區(qū)富集后，因為氡氣本身的原因，有劇烈的向上運(yùn)動。另外，采空區(qū)的頂板及裂縫帶比較發(fā)育，貫穿地表。氡氣在采空區(qū)富集后，已面臨較劇烈的上升運(yùn)動，此外，因采空區(qū)頂板破裂帶比較發(fā)育，穿越地表后，可直接在地表測量與采空區(qū)面積變化與形態(tài)改變相關(guān)的氡氣異常濃度區(qū)，從而準(zhǔn)確測量地下采空區(qū)和采空區(qū)巷道的變化和近似范圍。采空區(qū)實測氡異常在地平面上呈規(guī)則矩形，大小與采空區(qū)面積基本一致，但斷面上也有多個氣體異常的峰值。

3.3.2 工作裝置選擇

檢測氡氣體時，一般使用活性炭檢測氡法，在施工時使用tyhc 一型活性炭檢氡儀。氡是一個非極性的單原子，活性炭也是一個非極性吸附劑。當(dāng)這二個化合物很接近時，隨著電子的轉(zhuǎn)動或在較低分子水平上電子和原子核的共振作用，會不斷而反復(fù)地形成瞬時偶極和色散力。氡氣在高瞬時偶極子和低分子色散力的影響下，連續(xù)吸附于活性炭表面。當(dāng)引起附近氡含量的偏差后，氡氣進(jìn)一步移動到了活性炭表面，當(dāng)超過活性炭的吸收極限時，吸收功能完全終止，氡含量再次達(dá)到平衡狀態(tài)。

3.3.3 具體應(yīng)用方案

其施工方法：將高吸附活性碳埋入地下約四十厘米深的氣坑中，待過5 天～7 天后取出，由TYHC1 活性炭吸附測氡儀測定三分鐘記數(shù)，并對原始資料做好保護(hù)和預(yù)處理。

3.4 物探結(jié)果分析

3.4.1 采空區(qū)分布情況

本測定范圍附近均存在原有采空區(qū)的小面積區(qū)域，并通過針對現(xiàn)有的原采空區(qū)面積開展了瞬變電磁法和測氡法測定工作，以提取新出現(xiàn)的原采空區(qū)面積的物探結(jié)果范圍。

3.4.2 采空區(qū)積水量測算

為探明整個采空區(qū)積水量情況，并且為在采礦過程中的抽做得更好一些措施而奠定理論基礎(chǔ)，根據(jù)瞬變電磁法的工作原理，采空區(qū)體積也會產(chǎn)生瞬時變電磁異常，即受到時變現(xiàn)的空氣電阻率及其溫度系數(shù)的急劇改變影響，因此利用儀表器與氡氣體測量法綜合確定了整個采空區(qū)體積的大致容積，而對于整個采空區(qū)的積水情況，則按Uc=KSM/cosα 這個公式加以統(tǒng)計，其中，Uc 即為采空區(qū)的積水量；S 為采空區(qū)面積；M 為煤層采高；A 為煤層的平均傾角；K 為采空地區(qū)的積水系數(shù)，取0.3 ～0.5。由于其計算方法主要是針對在煤層施工過程中，未被采動影響下的靜態(tài)積水儲量測算，同時也由于在煤層瓦斯開挖的施工過程中，可能會對采空區(qū)面積形成影響因素，由此導(dǎo)致裂隙內(nèi)的發(fā)育積水大量釋放，使得測算過程中存在著很大的不確定性，所以根據(jù)情況，往往要求在采掘探的過程中，適時加以測量和分析。

3.5 綜合物探方法在實際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

目前還有許多的業(yè)主、勘察單位等對綜合物探方式了解并不全面，與此同時在實際進(jìn)行具體的地質(zhì)勘查工作中仍然使用的是傳統(tǒng)的經(jīng)驗觀念，而不能真正形成相對的各種綜合物探方式的有機(jī)組合?？辈鞌?shù)據(jù)的解讀具有著多樣化的特點，造成了對這些數(shù)據(jù)解讀上沒有統(tǒng)一性的因素相當(dāng)多，比如不同的物體形狀和物理性質(zhì)改變等都可能對地質(zhì)資料的保存狀況產(chǎn)生影響，因此很難通過使用線性邏輯關(guān)系而加以解讀，所以勘查到的數(shù)據(jù)往往具有著相當(dāng)?shù)木窒扌?，同樣也就無法為進(jìn)行地質(zhì)資料的勘查工作提供更加全面的幫助。

在當(dāng)前中國經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展下，對各類資源的需要量也在逐步增加，而傳統(tǒng)分布于較淺層地區(qū)的資料也開始逐漸進(jìn)行了研究，那么就需要人們把資源勘探的深度逐步擴(kuò)大。同時我們也需要提高意識，在勘探深度持續(xù)提高，技術(shù)難度增大的背景下，需要提高綜合物探勘查技術(shù)水平，促進(jìn)地理調(diào)查科學(xué)研究工作的不斷進(jìn)步。

4 結(jié)語

與一般巖石的水平剖面比較，采空區(qū)裂縫帶巖石雖不易發(fā)生松動開裂現(xiàn)象，但由于裂縫的出現(xiàn)則給積水創(chuàng)造了良好的水力通道，較易于形成采空區(qū)積水。鈾探測濃度也與地層中的放射性物質(zhì)濃度相關(guān)。所以，由于放射性材料濃度比較高，所以在巖漿巖中的氡含量也就較高，而由于沉積巖的下埋深度比較淺，所以氡值也就較低。