試論綜合物探方法在煤礦采空區探測中的應用

宋順昌

（貴州省地礦局地球物理地球化學勘查院 貴州貴陽 550018）

試論綜合物探方法在煤礦采空區探測中的應用

宋順昌

（貴州省地礦局地球物理地球化學勘查院 貴州貴陽 550018）

物探技術就是當前比較先進的勘測方法，可以判斷地殼中巖石的物理屬性。本文先對煤礦采空區的現狀進行了分析，并對著綜合物探方法進行了闡述，最后結合實例對綜合物探方法在煤礦采空區探測中的應用進行了描述，供相關人士參考。

綜合物探；煤礦采空區；探測

1 引言

我國地大物博，煤炭的存儲量較大，隨著科學技術的發展，采礦技術水平有所提升，但也存在許多影響安全生產的危險因素，比如說礦井水害。本文從煤礦采空區現狀分析入手，選擇合適的物探技術對其進行綜合勘探，對采空區的應用進行準確預測，從而取得較好的地質效果，為今后的煤炭礦井開采方案選擇提供理論實踐依據。

2 煤礦采空區的現狀

煤礦采空區的產生是因為地質運動或者人工作業導致地下出現了大范圍的空洞現象，采空區作業的危險程度較高，在作業過程中容易出現作業人員和生產設備陷入采空區，從而導致大量的人員傷亡和設施損壞，使得企業的經濟效益直接受損。采空區的顯著特點是隱蔽性非常強，同時其空間分布呈現不規律的狀態，這就給預防采空區發生礦難的防御工作的進行帶來了很大的困難。怎樣識別和判斷采空區的地理位置、其空間結構對于相關的工程技術人員來說是應對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和通道，而這些空間沒有進行及時的填充和修補，這就使得露天開采的過程中出現采空等安全事故的發生，工作人員和生產設備的安全無法得到保障。

在我國的采礦行業當中，其開始的時間比較早，早期的開采沒有形成相應的行業標準和信息共享，所以相對而言其采礦的秩序不夠穩定。總體上呈現開采地點比較隨意，采礦沒有計劃性，開采后沒有明顯標記，整個礦產資源的分布和開采沒有詳細的檔案記載。現階段我國的經濟發展迅猛發展，對于煤礦資源的需求量也增大很多，在原有的開采痕跡上進一步開采，就使得采礦歷史性遺留的采空區嚴重威脅開采工作的平穩進行，采空后不處理，經過自然環境的侵蝕作用造成礦柱變形、通道維護困難、井下冒落以及地表塌陷等都會造成嚴重的人員和物資損毀。采空區的不確定性和隱蔽性已經成為現階段我國煤礦開采的客觀作業環境，如何通過有效的現代技術手段來對其進行預測和安全防護是相關工作人員急需解決的問題。

3 綜合物探技術的相關評價

就目前來看，我國在采空區探測方面存在多種綜合物探技術手段，他們在技術層面各有優勢，也存在問題。比如說較為流行的地震勘測、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手段的優勢與劣勢。

3.1 地震物探技術

地震物探技術所利用的并不是真實的地震，而是由人工制造的仿地震波。這種地震波會引起對煤層采空區上覆巖層的破壞，同時，地震波的強吸收衰減性，也使得采空區的反射波回饋頻率有所降低，使得采空區巖層的裂隙與圍巖碎塊產生波動無序甚至畸變。相對來說，采空區下部巖層卻沒有明顯變化。所以當煤層采空區頂板遭到破壞后，就應該通過其剖面反射波組的變化情況來判斷煤層采空區內部結構的各種低頻干擾，從而識別煤層采空區的實時狀態。相對而言，這種物探方法的缺點也很明顯。由于煤層采空區在受到強烈地震波坍塌之后，它的上覆巖層會遭受嚴重破壞，這時采空區的上層冒落帶和裂隙帶就會形成一個具有深層裂隙高度的破壞帶，它對地震波的傳播反饋會產生相當影響。這種影響甚至可以導致勘測者對于采空區的實際大小和異常大小出現識別誤差，對查明采空區區域的富水性也有嚴重影響。

3.2 高密度電技術

高密度電技術的主要目的是向地下供應高壓直流電，靠測量和改變電機探測電性異常來引發電流場出現畸變，如圖1所示。它可以一次性進行多裝置的數據采集，并通過計算比值參數來凸顯異常信息存在的各種特點。與電阻率物探法相同的是，它也通過采空區巖層的電阻率作為評判標準，所以也可以說，高密度電技術的根本就是電阻率法。這種方法的優勢就在于對一些淺層地質的異常分辨能力相當強，而且具有良好的抗擾能力。但是它的缺點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極具下降1/3甚至1/2左右。

圖1 高密度電法試驗剖面圖

3.3 瞬變電磁技術

瞬變電磁技術與地球物理電磁感應探測有關，它基于時間域，由人工完成，如圖2所示。在此種方法中，不需要進行低回回線甚至接地線源的連接，它會自動向地下發送一組脈沖電磁場，然后利用線圈來觀測和感應脈沖電磁場的地下渦流，從而解決一些電磁場中所出現的地質問題。這種方法對地質體的反映相當靈敏，而且具有很高的縱橫向分辨率。它的勘測深度范圍大，可以從100～500m，而且它不會受到高電阻率的影響，工作效率極高。對于一些含水地質體來說，它能夠快速發現采空區積水區中的電性異常反應。但同時它的缺點就在于對高阻地質體反映性差，這一點和高密度電法類似。

圖2 瞬變電磁法試驗剖面（線框120×120）

4 實例應用案例分析

某煤礦位于城市城鎮邊緣地區，其地質條件較差，地貌形態屬中低山區，最高海拔高度+1890m，最低海拔高度+1686m，相對高差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塔里奇克組，目前主采下10煤層，沒有直接頂，均為比較堅硬的砂巖、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性。

4.1 火區情況

由于該礦區的建設時間比較長，其采空區面積比較法，且情況比較危機。煤層賦存不連續全區未采，礦井普遍存在漏風現象。該火區的發生從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域（火區）的面積大小與連通情況、周圍裂隙分布情況、火勢強度分布情況、高溫點分布情況、各火區CO、CO2和其它有毒有害氣體泄漏情況等都難能準確給出。

4.2 火災探測

該礦區利用綜合物探方法進行火災的探測，主要從以下幾個方面入手：①地形地質測量，用全站儀極坐標法測量地表裂隙、高溫點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；拍攝勘查區數碼照片15張，接圖5張。由于采空區發火位置較深且時間較短，煤火燃燒體向圍巖及地表傳導的熱量有限，在紅外成像中熱異常較為微弱，僅在南區局部發現溫度異常。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成線狀分布于1005綜放工作面中部老一號井采空范圍內，面積約856m2。③地表踏勘和測溫，用全站儀對老一號斜井和1005綜放回采區地表進行踏勘，用Nam-37紅外測溫儀對紅外成像中發現的溫度異常和地表塌陷裂隙區進一步測量。通過踏勘，發現老一號斜井開采范圍地表裂隙6處，裂隙總長度320m，裂隙內溫度16～19℃，在環境背景溫度范圍內。其中1005采場地表溫度異常區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：

（1）物探選擇

為有效探測地表及深部火區的分布及狀況，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10條測線，基本覆蓋全部勘探區范圍，采用四種物探方法及地質調查等查明勘探區內的物性異常分布狀況，推斷西北部和中部區域為采空區燃燒形成的煤礦火區，見圖3。圖3中勘探區西北部，通過活性炭測氡法推斷該區域為采空區燃燒形成的煤礦火區，面積16666m2，東西寬75m，南北長165m。采空區著火點下限標高+1686.5m左右，上限標高+1698.6m左右。勘探區中部，通過活性炭測氡法推斷該區域為采空區燃燒形成的煤礦火區，面積15949m2，東西長122m，南北寬130m，采空區著火點下限標高+1686.5m左右，上限標高+1698.6m左右。以上兩處著火點之間測氡值分布均勻，無明顯氡異常值，以此推斷兩者貫通的可能性較小。

圖3 物探圈定火區范圍示意圖

4.3 火災區域劃分

根據綜合物探得出的地質報告來看，可以將該礦區的采空區火區分為三個部分：淺部露頭火區。該區段是綜合物探重點勘查區域，依據勘探結果分析，火區燃燒位于淺部，地表裂隙和塌陷發育，供氧充分，火勢猛烈，夜晚可見地表藍色火焰，白天從裂隙中也可見明火，地表最高溫度達到900℃，由于長期蓄熱，周圍圍巖蓄有大量的熱量。這類火區的面積約20000m2，火源深度約在0～30m之間。二類區域：位于國道西北側，主要是歷史上的老空區，無論是綜合物探還是生產地質報告均證明該區域老空區普遍發火。該火區的深度在30～100m之間，由于受供氧條件的限制，火區的燃燒不象第一類火區那樣劇烈。這類火區的分布廣泛，與采空區分布相似。三類區域：主要為下5煤層露頭燒變區。該區勘探時裂隙發育，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，該區為煙氣主要涌出區域，陰雨天仍有氣體涌出，證明該區段與下5煤采空區溝通，是地表與老空區空氣貫通的主要通道。

5 結束語

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導致的煤礦采空現象已經成為現行煤礦開采的客觀條件，其采空現象對于一線作業人員和生產設備的安全威脅十分嚴重，其工根本上是影響了企業的經濟效益。如何采空進行判定處理的研究的重點課題，現階段應用地質雷達法、重力勘探法、磁法勘探法和電法勘探法等物理探測方法對其進行處理，取得了一定的成果。由此說明應用科學技術手段來解決生產問題效果明顯，煤礦開采是國家經濟建設的需要，采空現象出現也是必然而且與日增多，如何對其進行科學有效的處理是需要長期研究的問題。

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

[2]溫來福，郝海強，劉志遠，等.綜合物探在山西省某煤礦采空區探測中的應用[J].工程地球物理學報，2014，01（01）：112～117.

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

P631

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，主要從事物探行業工作。