煤田水害探測(cè)方法應(yīng)用對(duì)比分析

李 彥 星

(山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院，山西 晉中 030600)

煤田水害探測(cè)方法應(yīng)用對(duì)比分析

李 彥 星

(山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院，山西 晉中 030600)

基于煤田水害常用地面地球物理探測(cè)方法，對(duì)比分析了多種物探方法的特點(diǎn)及局限性，得出各個(gè)探測(cè)方法探測(cè)水害的應(yīng)用條件、應(yīng)用范圍及應(yīng)用效果，并通過(guò)煤田積水采空區(qū)、富水區(qū)域探測(cè)實(shí)例，表明利用綜合地球物理探測(cè)方法，可以有效避免單一方法有局限性和有假異常等問(wèn)題出現(xiàn)，可提高勘探精度，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。

三維地震勘探，直流電測(cè)深，瞬變電磁法，氡值測(cè)量法，積水采空區(qū)

0 引言

1 煤田“水害”及地球物理特征

就“水害”問(wèn)題而言，集中于我國(guó)中、東部地區(qū)石炭～二疊含煤地層，主要有上覆第四系巨厚松散層含水、下伏富水極強(qiáng)的奧陶灰?guī)r層含水，以上含水層對(duì)煤層開(kāi)采的威脅主要由構(gòu)造導(dǎo)通或由于煤層頂?shù)装鍛?yīng)力、壓力造成突水危險(xiǎn)，此外由于歷史原因老窯、煤層采空形成的“水害”也是煤田開(kāi)采的主要安全隱患。

目前，我國(guó)探測(cè)“水害”主要有地震法[3]、直流電測(cè)深[4，5]、瞬變電磁法[6]、測(cè)氡法[7]等多種物探手段，均取得了較好的探測(cè)效果，綜合地球物理探測(cè)也較多。

煤田地質(zhì)構(gòu)造和采空區(qū)地球物理特征表現(xiàn)為：構(gòu)造或煤田采空區(qū)會(huì)導(dǎo)致地震波阻抗的變化；富水或積水采空區(qū)域會(huì)有電阻率明顯降低的變化；富水或積水采空區(qū)會(huì)有大量裂隙，產(chǎn)生有氡氣運(yùn)移通道空間，導(dǎo)致氡氣聚集。以上各地球物理特征差異是物探方法探測(cè)“水害”的物理前提。

2 方法簡(jiǎn)介

1)三維地震勘探[8，9]：利用人工震源，可布設(shè)上萬(wàn)道數(shù)字采集站采集，生成高密度、小面源、高疊加、全方位地震反射信息，利用多種處理手段，得到精細(xì)高質(zhì)量的地質(zhì)地震數(shù)據(jù)體，可查明煤層中落差5 m左右斷層，直徑15 m左右陷落柱[10](見(jiàn)圖1)。

2)直流電測(cè)深[11]：煤田水文探測(cè)較多采用對(duì)稱四極排列，稱為對(duì)稱四極直流測(cè)深法。AB為發(fā)射源，MN為測(cè)量極，其中AB極與MN為倍數(shù)關(guān)系，在AB極距離短時(shí)，電流分布淺，ρs曲線主要反映淺層情況；AB極距離大時(shí)，電流分布深，ρs曲線主要反映深部地層的影響。也可演變?yōu)闀r(shí)下常用的高密度電阻率法。可以可靠推斷地層厚度，探測(cè)深部地質(zhì)構(gòu)造(見(jiàn)圖2)。

3)瞬變電磁法[12]：屬時(shí)間域電磁法，在地面人工激發(fā)電磁場(chǎng)關(guān)斷后產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，接收二次磁場(chǎng)的變化，反映地下地質(zhì)體的電性分布情況(見(jiàn)圖3)。

4)氡值測(cè)量法[13]：通過(guò)地表埋置活性炭杯，測(cè)量勘探區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)的氡值，經(jīng)處理分析，得到氡值異常，從而圈定異常區(qū)域(見(jiàn)圖4)。

3 對(duì)比分析

以上四類物探手段是國(guó)內(nèi)探測(cè)煤田采空區(qū)使用較多的勘探方法。從圖1～圖4可以看出利用每種方法不同的探測(cè)屬性，可以得到不同的探測(cè)結(jié)果，均取得了較好的探測(cè)效果。

1)三維地震根據(jù)探測(cè)網(wǎng)格的不同探測(cè)精度不同。目前煤田“3D3C”高密度三維地震可探測(cè)平面擺動(dòng)5 m，落差5 m左右的斷層，探測(cè)精度與準(zhǔn)確性極高，但是探測(cè)富水積水性則是此方法的短板，無(wú)法識(shí)別構(gòu)造或采空區(qū)是否積富水。如今三維地震處理手段較多[14]，效果較好，幾乎可在任何地表開(kāi)展勘探工作。同時(shí)地震法也是深部地球物理勘探的重要方法，勘探深度較大。因此地震法是地球物理方法最為重要的手段。三維地震施工，所需設(shè)備多，人員多，物資消耗大，施工效率相對(duì)較低，是各方法中勘探費(fèi)用最高的探測(cè)方法。

為了便于比較，我們同樣使用相同的數(shù)據(jù)，采用目前高精度傳統(tǒng)學(xué)習(xí)隨機(jī)森林算法和邏輯回歸算法對(duì)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，便于形成對(duì)比，以檢驗(yàn)本文算法的優(yōu)勢(shì)。

2)直流電測(cè)深不同極距探測(cè)不同深度，也可沿測(cè)線剖面測(cè)量。探測(cè)方法由于深度的加深，會(huì)產(chǎn)生“體積效應(yīng)”導(dǎo)致垂向分辨力降低，可識(shí)別深部較大范圍積富水區(qū)域。受方法所限，若在復(fù)雜地表開(kāi)展勘探工作，資料會(huì)受地形影響，只適合于平坦地形勘查。直流電測(cè)深，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，人員較少，物資消耗較少，施工效率相對(duì)較低，但由此方法發(fā)展而來(lái)的高密度法施工效率較高，勘探費(fèi)用較低。

3)瞬變電磁法，可一次采集多個(gè)時(shí)窗數(shù)據(jù)，探測(cè)不同深度，也可沿測(cè)線剖面測(cè)量。該探測(cè)方法對(duì)高阻體反應(yīng)不靈敏，并且早期數(shù)據(jù)受關(guān)斷影響會(huì)產(chǎn)生勘探“盲區(qū)”。對(duì)低阻體探測(cè)敏感效果明顯[15]，但會(huì)有屏蔽現(xiàn)象產(chǎn)生，導(dǎo)致垂向分辨力降低。可較準(zhǔn)確識(shí)別積富水區(qū)域。此方法由于對(duì)發(fā)射源要求較低，可在復(fù)雜地表開(kāi)展勘探工作，資料受地形影響較小。瞬變電磁，所需設(shè)備簡(jiǎn)單、人員較少，物資消耗較少，裝置多為中心回線，施工效率較高，但勘探費(fèi)相對(duì)較低。

4)氡值測(cè)量法，可從平面氡值分布查明積富水區(qū)域，但沒(méi)有垂向分辨能力，受天氣、溫度、地表?xiàng)l件制約較大。但受電磁人文等干擾因素較小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，施工簡(jiǎn)單，效率較高，勘探費(fèi)用低。

表1 探測(cè)煤田水害物探方法綜合對(duì)比一覽表

從對(duì)比分析表1，其將各方法優(yōu)缺點(diǎn)細(xì)化，基本分為較好、一般、較差、無(wú)四級(jí)。由表1可知：

1)平面、垂向分辨能力由高至低依次為：三維地震法>瞬變電磁法>直流電測(cè)深>氡值測(cè)量法。

2)富水分辨力由高至低依次為：瞬變電磁>直流電測(cè)深>氡值測(cè)量>三維地震法。

3)從勘探應(yīng)用范圍由廣泛到局部依次為：三維地震=瞬變電磁>直流電測(cè)深>氡值測(cè)量法。

4)施工效率與經(jīng)濟(jì)性高度相似，由高至低依次為：直流電測(cè)深>瞬變電磁>氡值測(cè)量>三維地震法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文各方法探測(cè)資料，均為我國(guó)東部典型石炭～二疊含煤地層，集中于山西地區(qū)沁水煤田，資料局限性較大；同時(shí)我國(guó)探測(cè)煤田“水害”的方法也不拘泥于以上幾種方法，呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的局面。這均是今后進(jìn)一步分析的方向。

在探測(cè)煤田水害時(shí)，要廣泛收集資料，選擇合理經(jīng)濟(jì)的物探方法。最好綜合利用各方法優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到事半功倍的效果。互相驗(yàn)證的物探資料，可減少多解提高物探成果準(zhǔn)確性，為煤礦安全生產(chǎn)提供有力保障。

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Comparative and analysis on the application of use geophysical method detecting water hazards in coal mine

Li Yanxing

(CoalGeologyGeophysicalSurvey&MappingInstituteofShanxiProvince,Jinzhong030600,China)

Based on the geophysical detecting methods of water hazards in coal mine, through the contrast analysis of the characteristics of various geophysical exploration methods. It is concluded that the detection method to detect the application conditions, application scope and application of water hazards in coal mine. With the detection case, the results show that using comprehensive geophysical detection methods, can effectively make up for a single method has limitations, can improve the exploration precision, provided the safeguard for coal mine safety production.

3D seismic exploration, DCSM, TEM, radon measurement, water-accumlating gob

2015-03-07

李彥星(1980- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)14-0061-02

P319

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