煤礦老空區地面探測技術及其應用

李 文

(煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院,北京100013)

煤礦開采后形成采空區。在上世紀80年代,不少煤礦均采用較為落后的“房柱式”或“巷柱式”的炮采采煤方法,小窯、小煤礦星羅棋布,礦井開挖無設計、無圖紙、無記錄,小窯的采空區范圍和狀態都沒有詳細記錄和數據[1,2]。據現場調查,這些老采空區有些頂板已垮落,造成地表塌陷;有些頂板尚未垮落,從地表看不到老空區存在;有些老空區已自燃,有些老空區正在著火;有些老空區已積水等等。上述問題業已或必將為上下煤層及鄰近區域開采帶來重大的安全隱患。2007年3月14日內蒙鄂爾多斯市西梁圪旦煤礦104盤區采空區突然發生頂板大面積垮落,沖擊氣浪造成井下1人重傷事故;2010年3月28日13時40分,中煤集團華晉焦煤公司王家嶺礦發生透水事故,造成153人被困井下,經初步推斷就是由于掘進過程中與原有老空區積水貫通所致,盡管救援非常成功,但造成的損失是巨大的,由此也造成了惡劣的社會影響。有鑒于此,煤礦老空區探測業已引起社會和煤炭行業的高度重視。本文在分析煤礦老空區地球物理特征的基礎上,介紹了4種地面探測技術,并結合探測實例,總結了各探測技術的應用效果,為今后老空區探測提供一定的借鑒經驗。

1 煤礦老空區地球物理特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中,煤層被開采后形成采空區,破壞了原有的應力平衡狀態。當開采面積較小時,由于殘留煤柱較多,壓力轉移到煤柱上,未引起地層塌落、變形,采空區以充水或不充水的空洞形式保存下來;但多數采空區在重力和地層應力作用下,頂板塌落,形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。這些地質因素的變化,使得采空區及其上部地層的地球物理特征發生了顯著變化,主要表現為[1-3]:

1)煤層采空區冒落帶與完整地層相比,巖性變得疏松、密實度降低,其內部充填的松散物的視電阻率明顯高于周圍介質,在電性上表現為高阻異常;煤層采空區裂隙帶與完整地層相比,巖性沒有發生明顯的變化,但由于裂隙帶內巖石的裂隙發育,裂隙中的充入空氣致使導電性降低,在電性上也表現為高阻異常;煤層采空區冒落帶和裂隙帶若有水注入,使得松散裂隙區充盈水分達到飽和的程度,會引該區域的電導率迅速增加,表現為其視電阻率值明顯低于周圍介質,在電性上表現為低阻異常。這種電性變化為以導電性差異為應用前提的高密度電法、瞬變電磁法和 EH-4大地電磁法等方法的應用提供了地球物理應用前提。

2)煤層采空區與完整地層相比,地層變得疏松,介質的密度降低,同時使傳播于其中的地震波速度下降。而它不論被什么介質所充填,在其邊緣部位都存在一個明顯的波阻抗反射界面,采空區內介質和圍巖介質的波速存在明顯的差異。淺震地震法正是利用這一物理前提來探測煤礦老空區的。

2 煤礦老空區地面探測技術

目前煤礦老空區地面探測技術主要包括地球物理探測法和鉆孔鉆探法。鉆孔鉆探法作為一種最為直觀的探測方法,具有探測精度高的優勢,但鉆孔鉆探畢竟只是“一孔之見”,且工程量大、進度慢、控制范圍小的缺點也顯而易見。因此,煤礦老空區地面探測往往采用以地球物理探測方法為主,鉆探驗證為輔的技術方法。目前煤礦老空區地面探測比較成熟的方法主要有以下4種。

2.1 高密度電法

高密度電阻率法是常規電阻率法的一個變種,就其原理而言,仍是以巖石的電性差異為基礎的一類勘探方法。通過觀測和研究人工建立的地下穩定電場的分布規律來推斷煤礦老空區是否存在。它實際上是一種陣列勘探方法,野外測量時只需將全部電極 (幾十至上百根)置于測點上,然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀實現數據的快速和自動采集,當將測量結果送入微機后,還可對數據進行處理并給出關于地電斷面分布的各種圖示結果。

高密度電法探測具有以下特點[4,5]:①電極布設一次完成,可減少因電極設置而引起的故障和干擾,可進行野外數據的快速和自動采集;②能有效的進行多種電極排列方式的掃描測量;③可以對資料進行預處理并顯示剖面曲線形態,脫機處理后還可自動繪制和打印各種成果圖件;④與傳統電阻率法相比,成本低、效率高,信息豐富,解釋方便,探測能力顯著提高。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法,簡稱 TEM,屬于電磁感應類探測方法,它遵循電磁感應原理,其機理就是導電介質在階躍變化的電磁場激發下而產生的渦流場效應,即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”),根據法拉第電磁感應定律,脈沖電磁波結束以后,地層或地質目標體 (煤礦老空區)在激發場 (即“一次場”)的作用下,其內部會產生感生的渦流,產生電磁場 (習慣上稱為“二次場”),這種渦流有空間特性和時間特性。通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性和時間特性,可以推測解譯地層或老空區的幾何和物性特征。

瞬變電磁法探測具有如下特點[6-7]:①觀測的是“二次場”即純異常場,不存在一次場的背景干擾;②對高阻層的穿透能力強,對低阻層有較高的分辨能力;③可采用同點組合裝置 (中心回線或重疊回線)進行觀測,與探測目標達到最佳耦合,取得異常響應強,形態簡單;④地形影響小,測量簡單,工作效率高。

2.3 EH-4大地電磁法

EH-4大地電磁法屬于部分可控源與天然源相結合的一種大地電磁測深系統,深部構造通過天然背景場源成像 (M T),其訊息源為 10Hz～100k Hz,淺部構造則通過一個新型的便攜式低功率發射器發射1k～100k Hz人工電磁訊號,補償天然訊號的不足,從而獲得高分辨率的成像。

EH-4大地電磁法具有以下特點[8,9]:①采用人工場源與天然場源共同作用的方式,人工場源彌補了天然場源的在某些頻段的不足,使該系統在10Hz～100k Hz的范圍內獲得連續的有效信號。人工場源對解決淺部地質問題尤為有用;②受高阻覆蓋層影響小,在玄武巖覆蓋地區、基巖大面積出露地區,甚至在某些沙漠覆蓋區,均能有效地勘探地下深部地質信息;③測量系統和發射裝置都比較輕便,測量速度快;④具有較高的分辨率,為勘探某些小的地質構造和區分電阻率差異不大的地層提供了可能性。

2.4 淺層地震法

淺層地震法主要依據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。眾所周知:采空區形成了和地層完全不同的波阻抗差異。同時,采空區易形成自然塌陷,即煤層頂板和上覆地層自然塌陷充填采空區,致使上覆地層松散。因此,由于采空區的存在,在沿測線進行地震反射波法勘探時煤層的地震反射波會出現以下變化:①不能形成能量強、連續性較好的反射波組;②反射波組能量明顯減弱或消失;③反射波的頻率變低;④采空區下部煤層的反射波組能量變弱,連續性變差。

淺層震法探測具有以下特點[10]:①對地層及連續地質體有較好的反映,可進行連續勘探;②與一般地震勘探相比,觀測系統設計靈活,道間距小,采樣間隔小,效率高。

3 煤礦老空區地面探測應用實例

內蒙古鄂爾多斯市某礦區經過多年整合開采,致使老空區分布情況不詳,給未來煤層開采帶來較大的安全隱患。為了查清勘探區內老空區分布情況,采用高密度電法、瞬變電磁法、EH-4大地電磁法和淺層地震法等綜合物探方法進行了地面探測,取得了較好的探測效果。

圖1為采用重慶奔騰數控技術研究所生產的W GMD-9超級高密度電法系統反演的視電阻率綜合剖面,可以看出,在測線140～210m之間視電阻率較高,推斷為老空區引起的異常,且老空區不含水。

圖2為采用加拿大 Geonics公司生產的PROTEM-57瞬變電磁儀反演得到的視電阻率綜合剖面,可以看出,在測線100～300m之間視電阻率較高,推斷為老空區引起的異常,且老空區不含水。

圖3為采用美國 Geometrics公司和 EM I公司聯合研制的雙源型EH-4連續電導率剖面儀反演的視電阻率綜合剖面,可以看出,在測線510～590m,650～800m之間視電阻率較高,推斷為老空區引起的異常,且老空區不含水。

圖4為采用美國 HPI公司生產的S-Land全數字化地震數據采集系統得到的反射時間剖面,可以看出,在測線100～340道之間有明顯的反射同相軸缺失,連續性較差,推斷為老空區。

圖1 高密度電法視電阻率綜合剖面

圖2 瞬變電磁法視電阻率綜合剖面

圖3 EH4大地電磁法視電阻率綜合剖面

圖4 淺層地震法反射時間剖面

5 結語

1)一般來說,高密度電法、淺層地震法適合近地表淺層 (200m以淺)老空區探測;瞬變電磁法適合中等深度 (600m以淺)老空區探測;EH-4大地電磁法適合大深度 (1000m以淺)老空區探測。

2)對于探測深度不大、地形起伏較小、地面導體分布較多和高壓線分布區域,適宜采用高密度電法或淺層地震法進行探測。

3)對于玄武巖覆蓋地區、基巖大面積出露地區等高阻屏蔽層地區和地形起伏較大區域,適宜采用瞬變電磁法或EH-4大地電磁法進行探測。

4)若老空區充水可能性大,適宜采用對低阻反應靈敏的瞬變電磁法或EH-4大地電磁法進行探測;若老空區不含水,適宜采用對高阻反應靈敏的高密度電法進行探測;對于局部小范圍老空區(如房柱式老空區)且埋深較淺、地表無松散層、聲音干擾較小,適宜采用淺層地震法進行探測。

5)對于地形地質條件復雜、探測精度要求較高的區域,為保證探測效果,除加密測點外,建議采用至少兩種及以上地面綜合探測方法重復布置,相互驗證。

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