綜合物探技術在煤礦采空區的應用研究

吳西全 邱云海 康元欣

（江西省地質礦產勘查開發局物化探大隊江西南昌330000）

綜合物探技術在煤礦采空區的應用研究

吳西全 邱云海 康元欣

（江西省地質礦產勘查開發局物化探大隊江西南昌330000）

煤炭資源是人們賴以生存的重要能源之一。隨著煤炭的逐漸開采，礦區中采空區的數量變得越來越多。為了保證后續開采工作的順利進行，需要應用綜合物探技術對采空區進行探察。本文從煤礦采空區的概念入手，對綜合物探技術在煤礦采空區中的應用進行研究。

綜合物探技術；煤礦；采空區；應用

前言

隨著煤礦開采的不斷深入，已經形成的采空區數量越來越多。采空區是引發煤礦生產事故的主要因素之一，探測煤礦采空區具有一定的現實意義。與一般的探測技術相比，綜合物探技術具有高效、低成本等優勢，將這種技術應用在煤礦采空區中可以實現探測質量的提升。

1 煤礦采空區

1.1 煤礦采空區的概念

煤礦采空區是指，在開采煤礦的過程中，當煤礦被采出后，開采人員沒有對產生空間區域進行處理而形成的一種采空區。由于該位置煤礦缺失，其上覆巖層支撐力的消失會對該位置的整體地應力平衡產生影響。為了保持平衡，該位置的應力會發生變化，通過重新分布實現新應力平衡的產生[1]。

1.2 煤礦采空區的特征

煤礦采空區的特征主要包含以下幾種：

1.2.1 水文特征

從煤礦采空區水文特征中可以分析出該采空區發生地面沉降的可能性。例如，如果某采空區的水文結構由具有良好透水性特點的含水層以及隔水性能較好的隔水層組成時，該采空區很容易產生地面沉降。這種現象的發生原理為：當對該地質層的地下水進行抽排處理時，隔水層中的孔隙水會逐漸向含水層流動，因此引發地面沉降現象。

1.2.2 地球物理特征

就采空區而言，當采空區充水，其電阻率值相對于圍巖較低；相反，當采空區中不含水，采空區電阻率值相對較高。所以，可以利用采空區與圍巖的電性差異，運用物探手段對其進行探測。

1.2.3 地表特征

就煤礦采空區的非連續變形破壞方面而言，地表特征主要品包含塌陷槽以及地表裂縫等。其中，塌陷槽通常出現在特殊地質傾斜礦層的開采過程中，其引發原因主要是淺部均勻度較低、松散砂層進入井下等；地表裂縫通常出現在中傾斜礦層的開采過程中，在地表移動盆地邊緣拉伸變形的情況下，會產生一定數量的地表裂縫[2]。

2 綜合物探技術在煤礦采空區中的應用

這里主要以某礦區為例，從以下幾種綜合物探技術入手，對其在煤礦采空區中的應用進行研究：

2.1 礦區概況

該礦區地形為丘陵地形，就開礦工作區而言，按照從新到老的順序，可以將該工作區的地層分布排列為：二疊系下統山西組、上統上石盒子組；上統太原組；寒武系地層。就采空區探測區而言，其地質特點為：隔水層具有良好的隔水性能、且結構較為簡單；煤層底板穩定性較高；含水層含水量較少[3]。

2.2 瞬間電磁法在煤礦采空區中的應用

2.2.1 瞬間電磁法的原理

這種方法的原理是：在磁偶源的作用下完成地下一次脈沖磁場的建立。當該磁場處于間歇期時，通過所處地質體中的感應渦流的接收產生一種感應電磁場，該磁場會隨著時間的變化發生相應的變化。在這種情況下，接收線圈所測得的感應電磁場空間分布形態即可以表示異常體的空間分布情況。

2.2.2 瞬間電磁法的實現裝置

瞬間電磁法在煤礦采空區探測過程中應用涉及的裝置主要包含以下兩種：第一，測深裝測量裝置。在實際的采空區探測過程中，探測人員通常使用線源裝置、中心回線裝置以及磁偶元偶極裝置實現探測目的。在這些測深裝置中，線源裝置的探測深度范圍處于1km以上；中心回線裝置的探測深度范圍處于1km以下；磁偶元偶極裝置的探測深度通常處于500m以下。

2.2.3 瞬間電磁法在煤礦采空區中的應用

這里利用PROTEM67D瞬變電磁勘探系統實現探測目的。在確定發射線框面積時，這里將煤礦采空區探測區域目標層的實際埋深作為主要的參考依據，將線框面積確定為550×550m2。應用瞬變電磁法之后，某條線的視電阻率斷面圖如圖1所示。就線而言，其2520～2600測點范圍中，從200m深度位置等值線的上方來看，其在相同深度上表現出一定的低阻異常，同時該位置的下彎也表現出明顯的低阻異常，因此，可以將該位置判斷為采空區。在對該位置進行鉆探之后發現，該位置的確存在采空區，且該采空區的塌陷情況較為嚴重。瞬變電磁法的應用優勢在于，它能夠將煤礦中的低阻現象靈敏地反映出來。但這種探測方法在縱向方面的分辨率中存在一定問題，應用該方法無法獲得精確的探測厚度。上述例子中的采空區塌陷破碎體的實際厚度小于50m[4]。

圖1 瞬變電磁法某線的視電阻率斷面圖

2.3 高密度電法在煤礦采空區中的應用

2.3.1 高密度電法的特點

從本質上講，可以將高密度電法看成是一種結合電測深與電剖面的探測方法。這種探測方法的特點是：抗干擾能力強、數據采集精度高、觀測點密度高等。高密度電法的特點使得其在煤礦采空區中的應用能夠更加真實地將縱向變化特征和橫向變化特征反映出來。

2.3.2 高密度電法應用涉及的裝置

高密度電法涉及的裝置種類較多，其中常用裝置主要有三極裝置、溫納排列裝置等。

2.3.3 高密度電法在煤礦采空區中的應用

這里使用偶極-偶極裝置完成高密度電法對測區的探測，儀器則是WGMD-9系統。在該方法的應用過程中，將隔離系數的最大值控制為30，按照分布式進行布線，兩個偶極之間的距離為6m。就該超高密度電法系統的應用而言，供電電壓和時間分別為420V和120ms。該方法對測區的視電阻率斷面圖如圖2所示。從該圖中可以看出，該測區的異常區域主要集中在紅線圈定范圍中。在本次探測過程中，高密度電法的控制深度約為20m。從后續的鉆探過程中發現，該測區采空區的實際塌陷范圍與高密度電法的測量結果大致相符，實際塌陷厚度為26m。高密度電法適宜被應用在采空區深度較淺的煤礦探測中。當采空區的深度范圍大于80m時，應用高密度電法很難獲得精確的探測結果[5]。

圖2 高密度電法某線的視電阻率斷面圖

3 結論

采空區的存在可能引發塌陷等現象，進而影響煤礦開采人員的人身安全。對此，需要將綜合物探技術應用在煤礦采空區的探測工作中。相比之下，瞬間電測法的應用能夠提供較為精確的橫向分辨率，但其在縱向方面的分辨率準確率較差。高密度電法更加適宜被應用在深度較淺的煤礦采空區探測中。

[1]胡承林.綜合物探技術在煤礦采空區的應用研究[D].成都理工大學，2011.

[2]李洪嘉.綜合物探技術在煤礦采空區探測中的應用研究[D].吉林大學，2014.

[3]李洪嘉，閆紹波，張超.綜合物探技術在煤礦采空區探測中的應用研究[J].工程地球物理學報，2014，05：714～720.

[4]劉海濤，楊娜，董哲，呂月.綜合物探方法在煤礦采空區探測中的應用[J].工程地球物理學報，2011，03：362～365.

[5]王晶，張建州，范慶榮，李海波.綜合物探技術在整合煤礦復雜采空區勘探中的應用[J].煤礦開采，2012，04：21～23+86.

P631.3+25

A

1004-7344（2016）30-0187-02

2016-10-8