三維地震與瞬變電磁法綜合探查煤礦采空區(qū)技術(shù)的應(yīng)用

摘要：老窯采空區(qū)積水一直是煤礦生產(chǎn)中最危險的水患之一，文章利用三維地震時間剖面反射波的特征對采空區(qū)進行解釋，結(jié)合瞬變電磁法視電阻率顯示特征，圈定了采空異常區(qū)位置和范圍。結(jié)果表明，三維地震勘探與瞬變電磁法綜合探查老窯采空區(qū)技術(shù)可行，效果更好、更可靠。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；三維地震勘探；瞬變電磁；綜合探查

中圖分類號：P631文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）24-0047-03

淮北金石礦業(yè)是一家以生產(chǎn)天然焦為主的新型煤礦企業(yè)，周圍有多家小煤礦與其毗鄰，由于小煤礦的私開亂采，對金石礦業(yè)的煤炭資源造成浪費和掠奪，尤其對采區(qū)工作面和礦井安全生產(chǎn)造成一定影響。周圍小煤礦在金石礦業(yè)轄區(qū)內(nèi)某些地段進行過開采，但采掘的范圍及界限資料不詳，為了了解礦區(qū)的資源儲量，以及將來礦井的安全生產(chǎn)，查明小煤礦采空區(qū)在礦井的分布范圍，合理布置采區(qū)工作面就顯得尤為重要。

1煤層采空區(qū)的地質(zhì)特征

采空區(qū)是地下煤層開采后及其圍巖失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開裂、破碎垮落，以至上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的地區(qū)。當(dāng)采空區(qū)面積較大、時間較長時，在重力和地層應(yīng)力作用下，頂板塌陷、冒落，由此形成了冒落帶、破裂帶和彎曲下沉帶。當(dāng)開采面積較小且煤層頂板為塑型巖性并保存完整時，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤柱上未引起地層變動，采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來。

2三維地震探查煤層采空區(qū)技術(shù)及應(yīng)用

2.1煤層采空區(qū)在地震時間剖面上的技術(shù)分析

通過三維地震時間剖面的對比性研究，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的時間剖面會出現(xiàn)反射波同相軸下凹時間發(fā)生延遲、反射波同相軸中斷、不連續(xù)等現(xiàn)象。換言之，不同煤層采空區(qū)的地質(zhì)特征對應(yīng)不同的地震反射波特征，這是三維地震探查老窯采空區(qū)的技術(shù)分析原理。煤層采空區(qū)無非有兩種情況，一種是采空區(qū)上覆巖層塌陷，另一種是煤層頂板未塌陷。

2.1.1采空區(qū)上覆巖層塌陷。當(dāng)采空區(qū)面積較大時間較長時，上覆地層塌落、回填則采空區(qū)在地震時間剖面上表現(xiàn)在幾個方面：第一，反射波在一定范圍內(nèi)反射波同相軸有向下凹趨勢，這是由于采空區(qū)塌陷變形，采空區(qū)上部出現(xiàn)速度降低，時間延遲造成下拉現(xiàn)象，在地震時間剖面上反射波同相軸相位出現(xiàn)明顯滯后。第二，在反射波的振幅及波形方面，煤層采空區(qū)上部巖層裂縫發(fā)生波的散射，在地震時間剖面上表現(xiàn)為，振幅降低，反射波波形變得不規(guī)則、產(chǎn)生畸變。第三，在反射波頻率變化方面，由于煤層采空區(qū)引起的上覆巖層破壞區(qū)對地震波具有很強的吸收、頻散衰減作用，在地震時間剖面上表現(xiàn)為反射波的頻率的降低。上述不同的地震反射波特征都是在地震時間剖面上識別煤層采空區(qū)的重要標志。

2.1.2采空區(qū)煤層頂板未塌陷。當(dāng)煤層采空區(qū)未被充填時，致使該區(qū)不能形成反射波或反射波很弱，采空區(qū)范圍內(nèi)振幅變?nèi)酰l率降低，導(dǎo)致煤層反射波凌亂及中斷變得不可連續(xù)追蹤，跨越采空區(qū)后，反射波（組）恢復(fù)正常特征。地震時間剖面上反射波不連續(xù)是識別煤層采空區(qū)的重要標志。反射波的振幅變?nèi)酰l率降低也是識別煤層采空區(qū)的參考標志。

2.2三維地震探查采空區(qū)的應(yīng)用實例

2.2.1井田地質(zhì)概況。井田位于閘河復(fù)向斜的中部，張莊向斜西翼，主體構(gòu)造為張莊向斜。褶曲和斷層在區(qū)內(nèi)均較發(fā)育。地層由老至新為石炭系、二疊系、第四系，其中石炭系、二疊系為本區(qū)含煤層地層。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為二疊系的上石盒子組、下石盒子組和山西組，含煤地層平均總厚993.50m。自上而下含1、2、3、4、5、6、7計七個煤（層）組，含煤5～13層，平均總厚5.74m，含煤系數(shù)0.58%。其中全區(qū)大部分可采和局部可采煤層有3、5煤層等二層，可采煤層平均總厚3.43m，占全部煤層總厚的60%，3煤層為主要可采煤層，平均厚3.10m，占可采煤層厚度的90%。

2.2.2應(yīng)用實例。生產(chǎn)工作方法采用束狀8線8炮制（中間發(fā)炮），24次覆蓋，384道接收，偏移距10m，炮點距20m，接收道距20m，接收線距40m，縱向炮排距80m，CDP網(wǎng)格10ｍ×10ｍ，采樣間隔1ms。

利用地震時間剖面解釋采空區(qū)，關(guān)鍵是利用煤層反射波在相位、頻率、振幅，波形等方面的變化識別采空區(qū)。圖１、圖2是金石煤礦的地震時間剖面，由圖中可以看出，在采空異常區(qū)段地震時間剖面上反射波特征表現(xiàn)為：（1）由于采空區(qū)對地震波具有很強的吸收、頻散衰減作用使反射波的頻率降低；（2）采空區(qū)對地震波的振幅衰減、波形改造畸變，造成反射波波形異常復(fù)雜無規(guī)律；（3）在地震反射波穿過采空區(qū)松散充填物時，反射波衰減強烈振幅降低，能量變?nèi)酢６^(qū)大面積反射波同相軸的連續(xù)性較好、能量、振幅和頻率等動力學(xué)特征值比較穩(wěn)定。利用地震時間剖面上反射波征結(jié)合屬性平面進行解釋，便會圈定采空異常區(qū)位置和

范圍。

圖1煤層被鄰近小煤窯開采后的形態(tài)

圖2煤層未被開采前的正常形態(tài)

3瞬變電磁法探查煤層采空區(qū)技術(shù)及應(yīng)用

3.1瞬變電磁法探查煤層采空區(qū)技術(shù)原理

瞬變電磁法（簡稱為TEM）屬時間域電磁感應(yīng)方法，是近幾十年迅速發(fā)展起來的一種新的電磁法。其探測原理是在發(fā)射回線上給一個電流脈沖方波，一般用方波后沿下降的瞬時產(chǎn)生一個向地下傳播的一次磁場。在一次場的激勵下地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度。在一次場消失后，該渦流不能立即消失，它將有一個衰減過程。該衰減過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向地表傳播。由地面的接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地下地質(zhì)體的電性分布情況。按不同的延遲時間測量二次感應(yīng)電動勢U（t），就得到了二次場隨時間衰減的特性曲線，用發(fā)射電流歸一化后成為U（t）／I特性曲線。

將瞬變電磁法應(yīng)用于采空區(qū)探測時所依據(jù)的地球物理前提，乃是采空區(qū)與圍巖的電阻率差異，即采空區(qū)相對于圍巖會產(chǎn)生高阻異常區(qū)或低阻異常區(qū)。采空區(qū)及巷道相對于圍巖來說，電性反映為高阻異常，采空區(qū)冒落塌陷后，其內(nèi)部充填松散物的電阻率與周圍介質(zhì)相比仍是相對高阻，只有采空區(qū)充水后與圍巖相比才為低阻

異常。

3.2瞬變電磁法探查采空區(qū)的應(yīng)用實例

本礦井地表地形平坦，地面標高：海拔35m左右。東部有奧陶系石灰?guī)r出露，構(gòu)成低山。閘河在本礦的南部自北向南流過，該河流為季節(jié)性河流，對開采淺部煤層可能有影響。礦井充水的通道主要有：構(gòu)造裂隙、采動冒落帶裂隙、斷層及巖溶陷落柱以及未封閉好的鉆

孔等。

依據(jù)本區(qū)實際地質(zhì)情況和地層結(jié)構(gòu)特征，有三大的電性層段，第一個電性層段是新生界地層，一般情況下新生界地層視電阻率相對較低，一般為幾到幾十歐姆米；第二個電性層段煤系地層，其視電阻率略高于新生界地層，但是遠比其下伏石炭、奧陶系地層低得多，一般視電阻率為十幾到幾十歐姆米，第三個電性層段為石炭、奧陶系地層，其巖性是石灰?guī)r、泥巖夾煤層，一般視電阻率為100～400歐姆米；基底奧陶系灰?guī)r，一般情況下其視電阻率大于500歐姆米，干燥狀態(tài)下其視電阻率更高，當(dāng)其裂隙發(fā)育并充水時，其視電阻率急劇

下降。

本次勘查所使用儀器為加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的PROTEM57-MKⅡ發(fā)射機、67模塊、PROTEM同時三分量數(shù)字接收機，3D-3接收探頭。主要工作參數(shù)如下：頻率2.5Hz，發(fā)射線框600m×600m，增益23，電流19.5A，積分時間30S。

具體到本次瞬變電磁勘探區(qū)，測區(qū)的水文地質(zhì)特征基本上確定了它的地球物理電性特征。當(dāng)老窯或采空區(qū)未積水時，空洞與圍巖相比呈明顯的高阻異常；當(dāng)采空區(qū)充水時，其與周圍正常地段相比呈明顯的低阻顯示，這就是利用瞬變電磁法探查煤層采空區(qū)的物理前提。如圖3為金石煤礦視電阻率斷面圖，由圖中可以看出，主要可采煤層3煤在采空區(qū)內(nèi)顯示為低阻異常，可推測為鄰近煤礦開采后積水所致，而其他正常地段電阻率變化相對穩(wěn)定，基本上可以說明煤層尚未被開采。

圖3瞬變電磁視電阻率斷面圖

4綜合應(yīng)用效果分析

利用三維地震時間剖面反射波的特征對煤層采空區(qū)進行解釋，結(jié)合瞬變電磁法視電阻率異常顯示特征，可以分別圈定采空區(qū)位置和范圍。當(dāng)兩者圈定位置和范圍高度吻合時，預(yù)示圈定的采空區(qū)有較高的可信度，可通過鉆探進一步進行驗證。當(dāng)兩者圈定位置和范圍相差較大時，則圈定的采空區(qū)值得懷疑，應(yīng)對產(chǎn)生差異的原因作具體分析，可進一步優(yōu)化解釋方案。

在本區(qū)實際綜合應(yīng)用中，當(dāng)沒有其他可靠資料進行確認時，考慮到謹慎性原則，暫且把三維地震和瞬變電磁圈定的采空區(qū)稱作疑似采空區(qū)。如圖4所示，當(dāng)出現(xiàn)（a）種情況時，即三維地震與瞬變電磁圈定的疑似采空區(qū)高度吻合時，采空區(qū)可信度較高，可通過鉆探進一步確認；當(dāng)出現(xiàn)其他兩種情況時，則圈定的采空區(qū)有很大的不確定性，不能排除多解性，多數(shù)情況是由于其它地質(zhì)因素所致，而采空區(qū)可能只是其中之一。

圖4三維地震與瞬變電磁采空區(qū)疊加示意圖

5結(jié)語

利用地震時間剖面上反射波特征對煤層采空區(qū)進行解釋，在理論技術(shù)上是可行的，通過實例說明了只要施工參數(shù)合理，施工嚴謹，資料處理精細，資料解釋方法手段多樣化，方法得當(dāng)，利用地震時間剖面上反射波征結(jié)合屬性平面解釋是能夠完成采空區(qū)解釋任務(wù)的，采用三維地震勘探方法探測采空區(qū)是最經(jīng)濟適用和行之有效的。

瞬變電磁法是煤礦水文地質(zhì)調(diào)查的有效手段，對煤礦防治水乃至煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。該法通過視電阻率異常區(qū)分析和尋找煤礦疑似采空區(qū)，能夠取得較好的地質(zhì)效果。應(yīng)用該法時應(yīng)注意數(shù)據(jù)采集只在發(fā)射線框中心1/3邊長范圍內(nèi)進行，嚴格按照施工規(guī)范取得好第一手資料，是取得好的地質(zhì)效果的關(guān)鍵。

地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)是影響煤礦生產(chǎn)效率的主要地質(zhì)因素，單一勘探方法存在多解性、不確定因素多等固有的局限性，只有采用綜合勘探方法才能更好的解決這兩大地質(zhì)問題，而三維地震和瞬變電磁法勘探相結(jié)合，能夠進行相互印證、優(yōu)勢互補，大大提高解釋成果的可靠性，也必將為高產(chǎn)高效礦井的生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)保障。綜合應(yīng)用兩種方法探查煤礦采空區(qū)時要注意：（1）嚴格按照施工規(guī)范要求取好、取準第一手資料；（2）相互結(jié)合，相互驗證，排除多解性，對生產(chǎn)礦井進行動態(tài)分析；（3）充分利用已知資料（如鉆探、測井、巷道、水文地質(zhì)等）進行綜合分析，避免解決地質(zhì)問題的片面性。

參考文獻

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[5]?樸化榮．電磁測深原理[M]．北京：地質(zhì)出版社，

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[6]?蔣幫遠．瞬變電磁法勘探[M]．北京：地質(zhì)出版社，

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[7]?石顯新．瞬變電磁法勘探中低阻層屏蔽問題研究

?[D]．西安：煤炭科學(xué)研究總院，2005．

作者簡介：展少輝（1978—），男，河北保定人，安徽省煤田地質(zhì)局物探測量隊工程師，研究方向：煤田地質(zhì)和地震勘探。

圖3瞬變電磁視電阻率斷面圖

4綜合應(yīng)用效果分析

利用三維地震時間剖面反射波的特征對煤層采空區(qū)進行解釋，結(jié)合瞬變電磁法視電阻率異常顯示特征，可以分別圈定采空區(qū)位置和范圍。當(dāng)兩者圈定位置和范圍高度吻合時，預(yù)示圈定的采空區(qū)有較高的可信度，可通過鉆探進一步進行驗證。當(dāng)兩者圈定位置和范圍相差較大時，則圈定的采空區(qū)值得懷疑，應(yīng)對產(chǎn)生差異的原因作具體分析，可進一步優(yōu)化解釋方案。

在本區(qū)實際綜合應(yīng)用中，當(dāng)沒有其他可靠資料進行確認時，考慮到謹慎性原則，暫且把三維地震和瞬變電磁圈定的采空區(qū)稱作疑似采空區(qū)。如圖4所示，當(dāng)出現(xiàn)（a）種情況時，即三維地震與瞬變電磁圈定的疑似采空區(qū)高度吻合時，采空區(qū)可信度較高，可通過鉆探進一步確認；當(dāng)出現(xiàn)其他兩種情況時，則圈定的采空區(qū)有很大的不確定性，不能排除多解性，多數(shù)情況是由于其它地質(zhì)因素所致，而采空區(qū)可能只是其中之一。

圖4三維地震與瞬變電磁采空區(qū)疊加示意圖

5結(jié)語

利用地震時間剖面上反射波特征對煤層采空區(qū)進行解釋，在理論技術(shù)上是可行的，通過實例說明了只要施工參數(shù)合理，施工嚴謹，資料處理精細，資料解釋方法手段多樣化，方法得當(dāng)，利用地震時間剖面上反射波征結(jié)合屬性平面解釋是能夠完成采空區(qū)解釋任務(wù)的，采用三維地震勘探方法探測采空區(qū)是最經(jīng)濟適用和行之有效的。

瞬變電磁法是煤礦水文地質(zhì)調(diào)查的有效手段，對煤礦防治水乃至煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。該法通過視電阻率異常區(qū)分析和尋找煤礦疑似采空區(qū)，能夠取得較好的地質(zhì)效果。應(yīng)用該法時應(yīng)注意數(shù)據(jù)采集只在發(fā)射線框中心1/3邊長范圍內(nèi)進行，嚴格按照施工規(guī)范取得好第一手資料，是取得好的地質(zhì)效果的關(guān)鍵。

地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)是影響煤礦生產(chǎn)效率的主要地質(zhì)因素，單一勘探方法存在多解性、不確定因素多等固有的局限性，只有采用綜合勘探方法才能更好的解決這兩大地質(zhì)問題，而三維地震和瞬變電磁法勘探相結(jié)合，能夠進行相互印證、優(yōu)勢互補，大大提高解釋成果的可靠性，也必將為高產(chǎn)高效礦井的生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)保障。綜合應(yīng)用兩種方法探查煤礦采空區(qū)時要注意：（1）嚴格按照施工規(guī)范要求取好、取準第一手資料；（2）相互結(jié)合，相互驗證，排除多解性，對生產(chǎn)礦井進行動態(tài)分析；（3）充分利用已知資料（如鉆探、測井、巷道、水文地質(zhì)等）進行綜合分析，避免解決地質(zhì)問題的片面性。

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作者簡介：展少輝（1978—），男，河北保定人，安徽省煤田地質(zhì)局物探測量隊工程師，研究方向：煤田地質(zhì)和地震勘探。

圖3瞬變電磁視電阻率斷面圖

4綜合應(yīng)用效果分析

利用三維地震時間剖面反射波的特征對煤層采空區(qū)進行解釋，結(jié)合瞬變電磁法視電阻率異常顯示特征，可以分別圈定采空區(qū)位置和范圍。當(dāng)兩者圈定位置和范圍高度吻合時，預(yù)示圈定的采空區(qū)有較高的可信度，可通過鉆探進一步進行驗證。當(dāng)兩者圈定位置和范圍相差較大時，則圈定的采空區(qū)值得懷疑，應(yīng)對產(chǎn)生差異的原因作具體分析，可進一步優(yōu)化解釋方案。

在本區(qū)實際綜合應(yīng)用中，當(dāng)沒有其他可靠資料進行確認時，考慮到謹慎性原則，暫且把三維地震和瞬變電磁圈定的采空區(qū)稱作疑似采空區(qū)。如圖4所示，當(dāng)出現(xiàn)（a）種情況時，即三維地震與瞬變電磁圈定的疑似采空區(qū)高度吻合時，采空區(qū)可信度較高，可通過鉆探進一步確認；當(dāng)出現(xiàn)其他兩種情況時，則圈定的采空區(qū)有很大的不確定性，不能排除多解性，多數(shù)情況是由于其它地質(zhì)因素所致，而采空區(qū)可能只是其中之一。

圖4三維地震與瞬變電磁采空區(qū)疊加示意圖

5結(jié)語

利用地震時間剖面上反射波特征對煤層采空區(qū)進行解釋，在理論技術(shù)上是可行的，通過實例說明了只要施工參數(shù)合理，施工嚴謹，資料處理精細，資料解釋方法手段多樣化，方法得當(dāng)，利用地震時間剖面上反射波征結(jié)合屬性平面解釋是能夠完成采空區(qū)解釋任務(wù)的，采用三維地震勘探方法探測采空區(qū)是最經(jīng)濟適用和行之有效的。

瞬變電磁法是煤礦水文地質(zhì)調(diào)查的有效手段，對煤礦防治水乃至煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。該法通過視電阻率異常區(qū)分析和尋找煤礦疑似采空區(qū)，能夠取得較好的地質(zhì)效果。應(yīng)用該法時應(yīng)注意數(shù)據(jù)采集只在發(fā)射線框中心1/3邊長范圍內(nèi)進行，嚴格按照施工規(guī)范取得好第一手資料，是取得好的地質(zhì)效果的關(guān)鍵。

地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)是影響煤礦生產(chǎn)效率的主要地質(zhì)因素，單一勘探方法存在多解性、不確定因素多等固有的局限性，只有采用綜合勘探方法才能更好的解決這兩大地質(zhì)問題，而三維地震和瞬變電磁法勘探相結(jié)合，能夠進行相互印證、優(yōu)勢互補，大大提高解釋成果的可靠性，也必將為高產(chǎn)高效礦井的生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)保障。綜合應(yīng)用兩種方法探查煤礦采空區(qū)時要注意：（1）嚴格按照施工規(guī)范要求取好、取準第一手資料；（2）相互結(jié)合，相互驗證，排除多解性，對生產(chǎn)礦井進行動態(tài)分析；（3）充分利用已知資料（如鉆探、測井、巷道、水文地質(zhì)等）進行綜合分析，避免解決地質(zhì)問題的片面性。

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作者簡介：展少輝（1978—），男，河北保定人，安徽省煤田地質(zhì)局物探測量隊工程師，研究方向：煤田地質(zhì)和地震勘探。