試論綜合物探方法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

宋順昌

（貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院 貴州貴陽 550018）

試論綜合物探方法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

宋順昌

（貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院 貴州貴陽 550018）

物探技術(shù)就是當(dāng)前比較先進(jìn)的勘測(cè)方法，可以判斷地殼中巖石的物理屬性。本文先對(duì)煤礦采空區(qū)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)著綜合物探方法進(jìn)行了闡述，最后結(jié)合實(shí)例對(duì)綜合物探方法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了描述，供相關(guān)人士參考。

綜合物探；煤礦采空區(qū)；探測(cè)

1 引言

我國地大物博，煤炭的存儲(chǔ)量較大，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采礦技術(shù)水平有所提升，但也存在許多影響安全生產(chǎn)的危險(xiǎn)因素，比如說礦井水害。本文從煤礦采空區(qū)現(xiàn)狀分析入手，選擇合適的物探技術(shù)對(duì)其進(jìn)行綜合勘探，對(duì)采空區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而取得較好的地質(zhì)效果，為今后的煤炭礦井開采方案選擇提供理論實(shí)踐依據(jù)。

2 煤礦采空區(qū)的現(xiàn)狀

煤礦采空區(qū)的產(chǎn)生是因?yàn)榈刭|(zhì)運(yùn)動(dòng)或者人工作業(yè)導(dǎo)致地下出現(xiàn)了大范圍的空洞現(xiàn)象，采空區(qū)作業(yè)的危險(xiǎn)程度較高，在作業(yè)過程中容易出現(xiàn)作業(yè)人員和生產(chǎn)設(shè)備陷入采空區(qū)，從而導(dǎo)致大量的人員傷亡和設(shè)施損壞，使得企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益直接受損。采空區(qū)的顯著特點(diǎn)是隱蔽性非常強(qiáng)，同時(shí)其空間分布呈現(xiàn)不規(guī)律的狀態(tài)，這就給預(yù)防采空區(qū)發(fā)生礦難的防御工作的進(jìn)行帶來了很大的困難。怎樣識(shí)別和判斷采空區(qū)的地理位置、其空間結(jié)構(gòu)對(duì)于相關(guān)的工程技術(shù)人員來說是應(yīng)對(duì)采空礦難的核心問題。常見采空坍塌事故形成原因是煤礦地下開采過程中形成了大量的采場(chǎng)和通道，而這些空間沒有進(jìn)行及時(shí)的填充和修補(bǔ)，這就使得露天開采的過程中出現(xiàn)采空等安全事故的發(fā)生，工作人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全無法得到保障。

在我國的采礦行業(yè)當(dāng)中，其開始的時(shí)間比較早，早期的開采沒有形成相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和信息共享，所以相對(duì)而言其采礦的秩序不夠穩(wěn)定。總體上呈現(xiàn)開采地點(diǎn)比較隨意，采礦沒有計(jì)劃性，開采后沒有明顯標(biāo)記，整個(gè)礦產(chǎn)資源的分布和開采沒有詳細(xì)的檔案記載。現(xiàn)階段我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛發(fā)展，對(duì)于煤礦資源的需求量也增大很多，在原有的開采痕跡上進(jìn)一步開采，就使得采礦歷史性遺留的采空區(qū)嚴(yán)重威脅開采工作的平穩(wěn)進(jìn)行，采空后不處理，經(jīng)過自然環(huán)境的侵蝕作用造成礦柱變形、通道維護(hù)困難、井下冒落以及地表塌陷等都會(huì)造成嚴(yán)重的人員和物資損毀。采空區(qū)的不確定性和隱蔽性已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國煤礦開采的客觀作業(yè)環(huán)境，如何通過有效的現(xiàn)代技術(shù)手段來對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和安全防護(hù)是相關(guān)工作人員急需解決的問題。

3 綜合物探技術(shù)的相關(guān)評(píng)價(jià)

就目前來看，我國在采空區(qū)探測(cè)方面存在多種綜合物探技術(shù)手段，他們?cè)诩夹g(shù)層面各有優(yōu)勢(shì)，也存在問題。比如說較為流行的地震勘測(cè)、高密度電法、瞬變電磁法等等。本文將主要介紹這三種物探技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。

3.1 地震物探技術(shù)

地震物探技術(shù)所利用的并不是真實(shí)的地震，而是由人工制造的仿地震波。這種地震波會(huì)引起對(duì)煤層采空區(qū)上覆巖層的破壞，同時(shí)，地震波的強(qiáng)吸收衰減性，也使得采空區(qū)的反射波回饋頻率有所降低，使得采空區(qū)巖層的裂隙與圍巖碎塊產(chǎn)生波動(dòng)無序甚至畸變。相對(duì)來說，采空區(qū)下部巖層卻沒有明顯變化。所以當(dāng)煤層采空區(qū)頂板遭到破壞后，就應(yīng)該通過其剖面反射波組的變化情況來判斷煤層采空區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各種低頻干擾，從而識(shí)別煤層采空區(qū)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。相對(duì)而言，這種物探方法的缺點(diǎn)也很明顯。由于煤層采空區(qū)在受到強(qiáng)烈地震波坍塌之后，它的上覆巖層會(huì)遭受嚴(yán)重破壞，這時(shí)采空區(qū)的上層冒落帶和裂隙帶就會(huì)形成一個(gè)具有深層裂隙高度的破壞帶，它對(duì)地震波的傳播反饋會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)影響。這種影響甚至可以導(dǎo)致勘測(cè)者對(duì)于采空區(qū)的實(shí)際大小和異常大小出現(xiàn)識(shí)別誤差，對(duì)查明采空區(qū)區(qū)域的富水性也有嚴(yán)重影響。

3.2 高密度電技術(shù)

高密度電技術(shù)的主要目的是向地下供應(yīng)高壓直流電，靠測(cè)量和改變電機(jī)探測(cè)電性異常來引發(fā)電流場(chǎng)出現(xiàn)畸變，如圖1所示。它可以一次性進(jìn)行多裝置的數(shù)據(jù)采集，并通過計(jì)算比值參數(shù)來凸顯異常信息存在的各種特點(diǎn)。與電阻率物探法相同的是，它也通過采空區(qū)巖層的電阻率作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，所以也可以說，高密度電技術(shù)的根本就是電阻率法。這種方法的優(yōu)勢(shì)就在于對(duì)一些淺層地質(zhì)的異常分辨能力相當(dāng)強(qiáng)，而且具有良好的抗擾能力。但是它的缺點(diǎn)就是很容易受到高電阻屏蔽的影響，只能勘探較淺（不高于200m）的深度，再深層勘探分辨率就會(huì)極具下降1/3甚至1/2左右。

圖1 高密度電法試驗(yàn)剖面圖

3.3 瞬變電磁技術(shù)

瞬變電磁技術(shù)與地球物理電磁感應(yīng)探測(cè)有關(guān)，它基于時(shí)間域，由人工完成，如圖2所示。在此種方法中，不需要進(jìn)行低回回線甚至接地線源的連接，它會(huì)自動(dòng)向地下發(fā)送一組脈沖電磁場(chǎng)，然后利用線圈來觀測(cè)和感應(yīng)脈沖電磁場(chǎng)的地下渦流，從而解決一些電磁場(chǎng)中所出現(xiàn)的地質(zhì)問題。這種方法對(duì)地質(zhì)體的反映相當(dāng)靈敏，而且具有很高的縱橫向分辨率。它的勘測(cè)深度范圍大，可以從100～500m，而且它不會(huì)受到高電阻率的影響，工作效率極高。對(duì)于一些含水地質(zhì)體來說，它能夠快速發(fā)現(xiàn)采空區(qū)積水區(qū)中的電性異常反應(yīng)。但同時(shí)它的缺點(diǎn)就在于對(duì)高阻地質(zhì)體反映性差，這一點(diǎn)和高密度電法類似。

圖2 瞬變電磁法試驗(yàn)剖面（線框120×120）

4 實(shí)例應(yīng)用案例分析

某煤礦位于城市城鎮(zhèn)邊緣地區(qū)，其地質(zhì)條件較差，地貌形態(tài)屬中低山區(qū)，最高海拔高度+1890m，最低海拔高度+1686m，相對(duì)高差204m；地形大部分為庫車河流沖刷而形成的河床階地，地形較為平坦，多為第四系砂礫石及亞砂土所覆蓋。井田含煤地層為下侏羅統(tǒng)塔里奇克組，目前主采下10煤層，沒有直接頂，均為比較堅(jiān)硬的砂巖、砂礫巖基本頂，采用綜采放頂煤回采工藝，工作面開采高度平均5.5m，采放比1：1；上覆下5煤層原小窯開采結(jié)束。該礦為高瓦斯礦井，各煤層屬易自燃煤層，煤塵均具有爆炸危險(xiǎn)性。

4.1 火區(qū)情況

由于該礦區(qū)的建設(shè)時(shí)間比較長，其采空區(qū)面積比較法，且情況比較危機(jī)。煤層賦存不連續(xù)全區(qū)未采，礦井普遍存在漏風(fēng)現(xiàn)象。該火區(qū)的發(fā)生從1986年的井下開始，一直未得到根治，特別是開采下10煤層有直接威脅的各自燃隱患區(qū)域（火區(qū)）的面積大小與連通情況、周圍裂隙分布情況、火勢(shì)強(qiáng)度分布情況、高溫點(diǎn)分布情況、各火區(qū)CO、CO2和其它有毒有害氣體泄漏情況等都難能準(zhǔn)確給出。

4.2 火災(zāi)探測(cè)

該礦區(qū)利用綜合物探方法進(jìn)行火災(zāi)的探測(cè)，主要從以下幾個(gè)方面入手：①地形地質(zhì)測(cè)量，用全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量地表裂隙、高溫點(diǎn)3處，采用GPS圈定土源地面積7728m2，定位變壓器具體位置1處；測(cè)量供水管路全長1489m。②紅外成像，利用CAMTMPM675紅外成像儀，共完成地表紅外成像41張，接圖2張；拍攝勘查區(qū)數(shù)碼照片15張，接圖5張。由于采空區(qū)發(fā)火位置較深且時(shí)間較短，煤火燃燒體向圍巖及地表傳導(dǎo)的熱量有限，在紅外成像中熱異常較為微弱，僅在南區(qū)局部發(fā)現(xiàn)溫度異常。紅外拍攝過程中，背景溫度16～19℃，可以分辨出地表溫度異常點(diǎn)成線狀分布于1005綜放工作面中部老一號(hào)井采空范圍內(nèi)，面積約856m2。③地表踏勘和測(cè)溫，用全站儀對(duì)老一號(hào)斜井和1005綜放回采區(qū)地表進(jìn)行踏勘，用Nam-37紅外測(cè)溫儀對(duì)紅外成像中發(fā)現(xiàn)的溫度異常和地表塌陷裂隙區(qū)進(jìn)一步測(cè)量。通過踏勘，發(fā)現(xiàn)老一號(hào)斜井開采范圍地表裂隙6處，裂隙總長度320m，裂隙內(nèi)溫度16～19℃，在環(huán)境背景溫度范圍內(nèi)。其中1005采場(chǎng)地表溫度異常區(qū)呈帶狀垂直于煤層走向分布，在1005工作面中部，溫度20～70℃，有蒸汽冒出。

物探探測(cè)：

（1）物探選擇

為有效探測(cè)地表及深部火區(qū)的分布及狀況，物探選擇自然電位法、磁法、高分辨率電阻率法和活性炭吸附測(cè)氡法，工程量及選用儀器見表1。

表1 物探工作量表

（2）成果分析

本次勘探工作共布設(shè)10條測(cè)線，基本覆蓋全部勘探區(qū)范圍，采用四種物探方法及地質(zhì)調(diào)查等查明勘探區(qū)內(nèi)的物性異常分布狀況，推斷西北部和中部區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)燃燒形成的煤礦火區(qū)，見圖3。圖3中勘探區(qū)西北部，通過活性炭測(cè)氡法推斷該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)燃燒形成的煤礦火區(qū)，面積16666m2，東西寬75m，南北長165m。采空區(qū)著火點(diǎn)下限標(biāo)高+1686.5m左右，上限標(biāo)高+1698.6m左右。勘探區(qū)中部，通過活性炭測(cè)氡法推斷該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)燃燒形成的煤礦火區(qū)，面積15949m2，東西長122m，南北寬130m，采空區(qū)著火點(diǎn)下限標(biāo)高+1686.5m左右，上限標(biāo)高+1698.6m左右。以上兩處著火點(diǎn)之間測(cè)氡值分布均勻，無明顯氡異常值，以此推斷兩者貫通的可能性較小。

圖3 物探圈定火區(qū)范圍示意圖

4.3 火災(zāi)區(qū)域劃分

根據(jù)綜合物探得出的地質(zhì)報(bào)告來看，可以將該礦區(qū)的采空區(qū)火區(qū)分為三個(gè)部分：淺部露頭火區(qū)。該區(qū)段是綜合物探重點(diǎn)勘查區(qū)域，依據(jù)勘探結(jié)果分析，火區(qū)燃燒位于淺部，地表裂隙和塌陷發(fā)育，供氧充分，火勢(shì)猛烈，夜晚可見地表藍(lán)色火焰，白天從裂隙中也可見明火，地表最高溫度達(dá)到900℃，由于長期蓄熱，周圍圍巖蓄有大量的熱量。這類火區(qū)的面積約20000m2，火源深度約在0～30m之間。二類區(qū)域：位于國道西北側(cè)，主要是歷史上的老空區(qū)，無論是綜合物探還是生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告均證明該區(qū)域老空區(qū)普遍發(fā)火。該火區(qū)的深度在30～100m之間，由于受供氧條件的限制，火區(qū)的燃燒不象第一類火區(qū)那樣劇烈。這類火區(qū)的分布廣泛，與采空區(qū)分布相似。三類區(qū)域：主要為下5煤層露頭燒變區(qū)。該區(qū)勘探時(shí)裂隙發(fā)育，地表有返潮和蒸汽涌出，溫度為40～120℃。在滅火施工注水過程中，該區(qū)為煙氣主要涌出區(qū)域，陰雨天仍有氣體涌出，證明該區(qū)段與下5煤采空區(qū)溝通，是地表與老空區(qū)空氣貫通的主要通道。

5 結(jié)束語

綜上所述，由于煤礦開采歷史長久并且開采初始階段沒有形成秩序?qū)е碌拿旱V采空現(xiàn)象已經(jīng)成為現(xiàn)行煤礦開采的客觀條件，其采空現(xiàn)象對(duì)于一線作業(yè)人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全威脅十分嚴(yán)重，其工根本上是影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。如何采空進(jìn)行判定處理的研究的重點(diǎn)課題，現(xiàn)階段應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法、重力勘探法、磁法勘探法和電法勘探法等物理探測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行處理，取得了一定的成果。由此說明應(yīng)用科學(xué)技術(shù)手段來解決生產(chǎn)問題效果明顯，煤礦開采是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，采空現(xiàn)象出現(xiàn)也是必然而且與日增多，如何對(duì)其進(jìn)行科學(xué)有效的處理是需要長期研究的問題。

[1]王兆強(qiáng)，王國伍.論綜合物探法在煤礦防治水工作中的應(yīng)用[J].中國科技博覽，2013：86.

[2]溫來福，郝海強(qiáng)，劉志遠(yuǎn)，等.綜合物探在山西省某煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2014，01（01）：112～117.

[3]武秀芳，薛永軍.綜合物探方法在煤礦采空區(qū)勘測(cè)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2013，27（27）：50～51.

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A

1004-7344（2016）02-0170-02

2015-12-29

宋順昌（1986-），男，漢族，貴州貴陽人，助理工程師，本科，主要從事物探行業(yè)工作。