綜合物探方法在房采采空區(qū)勘查中的應(yīng)用研究

楊 勇 陳清通

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽區(qū)，100013)

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

綜合物探方法在房采采空區(qū)勘查中的應(yīng)用研究

楊 勇1,2陳清通1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽區(qū)，100013)

針對(duì)單一物探方法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的局限性和多解性問題，結(jié)合陜北侏羅紀(jì)煤田地質(zhì)及地球物理特性，綜合運(yùn)用瞬變電磁和可控源音頻大地電磁法對(duì)普泉煤礦勘探區(qū)內(nèi)淺埋房柱式采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。綜合探測(cè)成果對(duì)勘探區(qū)內(nèi)3-1煤層采空區(qū)和采空積水區(qū)的位置、深度、范圍等信息進(jìn)行了推斷解釋，與地質(zhì)資料和驗(yàn)證鉆孔鉆探成果基本吻合。研究結(jié)果表明：瞬變電磁和可控源音頻大地電磁法相結(jié)合的方法在淺埋房柱式采空區(qū)探測(cè)方面具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，能夠?yàn)槊旱V的安全生產(chǎn)和采空區(qū)的綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

瞬變電磁法 可控源音頻大地電磁法 淺埋煤層 房采采空區(qū) 綜合探測(cè)技術(shù)

煤礦采空區(qū)是指煤炭資源回采后不再維護(hù)的地下空間，不僅包含老窯、已經(jīng)報(bào)廢的井巷，還應(yīng)包含受開采擾動(dòng)影響、圍巖破壞形成的垮落帶及頂板破碎帶。煤礦采空區(qū)主要災(zāi)害類型為突水、有毒有害氣體集聚、自燃、地表大面積突然塌陷誘發(fā)礦震等，具有隱蔽性、復(fù)雜性、突然性和長期性等顯著特點(diǎn)。陜北侏羅紀(jì)煤田是我國主要的煤炭資源賦存區(qū)之一，早期存在許多采用巷采或房柱式開采的小煤窯，由于缺乏科學(xué)的開采規(guī)劃和長期有效的技術(shù)資料和檔案管理，遺留大量無法確定位置、深度、范圍的隱伏采空區(qū)，嚴(yán)重威脅著后期的煤礦開采安全，必須采取有效措施進(jìn)行超前探測(cè)和預(yù)警。在煤礦采空區(qū)勘查方面，地面物探作為快捷、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的探測(cè)手段得到了廣泛應(yīng)用。但單一物探方法普遍存在技術(shù)局限性和多解性問題，探測(cè)結(jié)果的可靠性有待提高，運(yùn)用兩種或兩種以上物探方法相結(jié)合進(jìn)行探測(cè)，可以發(fā)揮各個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)，通過相互印證又能彌補(bǔ)各自不足之處，是新形式下煤礦采空區(qū)探測(cè)的通常選擇。本文根據(jù)勘探區(qū)地質(zhì)及地球物理特性，選用瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法相結(jié)合的物探方法，對(duì)陜北侏羅紀(jì)煤田普泉煤礦計(jì)劃開采區(qū)域的上覆房柱采空區(qū)進(jìn)行綜合探測(cè)，通過物探資料的綜合解譯和鉆孔驗(yàn)證，查明了采空區(qū)及采空積水區(qū)的分布范圍及賦存狀態(tài)，為下組煤的規(guī)劃設(shè)計(jì)和安全回采提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 物探方法原理及適用條件分析

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的人工源時(shí)間域電磁探測(cè)方法，也稱時(shí)間域電磁法，利用接地線源或電偶極子，或利用不接地的回線或磁偶極子向地下發(fā)射一次脈沖電磁波作為激發(fā)場(chǎng)源，在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用接地電極或接收線圈觀測(cè)由地質(zhì)異常體受一次脈沖磁場(chǎng)激發(fā)而產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的二次渦流場(chǎng)。根據(jù)二次渦流場(chǎng)的衰減規(guī)律和時(shí)空分布特征可推測(cè)解譯地質(zhì)異常體的電性特征、位置、埋藏深度、幾何規(guī)模、產(chǎn)狀等，也可以將觀測(cè)得到的二次場(chǎng)衰減數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成視電阻率，并依據(jù)視電阻率的綜合反演結(jié)果推斷地質(zhì)異常體的物性特征和賦存狀態(tài)。在煤礦采空區(qū)探測(cè)過程中，如果采空區(qū)頂板垮落、完全充水或富含水，在電性剖面上會(huì)表現(xiàn)較為明顯的低電阻率特征；反之，則會(huì)表現(xiàn)為高電阻率異常反映特征。

1.2 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是人工源頻率域測(cè)深方法。由于不同頻率的電磁波在地下傳播有不同的趨膚深度，當(dāng)電阻率固定時(shí)，電磁波的探測(cè)深度與頻率成反比，低頻時(shí)探測(cè)深度深，高頻時(shí)探測(cè)深度淺，通過對(duì)不同頻率電磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量可以得到該頻率所對(duì)應(yīng)深度的地電參數(shù)，從而達(dá)到測(cè)深的目的。CSAMT法使用可控制的人工場(chǎng)源，信號(hào)強(qiáng)度大，抗干擾能力強(qiáng)；測(cè)量參數(shù)為電場(chǎng)與磁場(chǎng)之比，減少了地形的影響和外來的隨機(jī)干擾；利用改變頻率進(jìn)行不同深度的電測(cè)深，且一次發(fā)射可同時(shí)完成多個(gè)點(diǎn)的測(cè)深。CSAMT法對(duì)大地構(gòu)造反映較為明顯，采空區(qū)可以視為人為因素造成的構(gòu)造，所以該方法對(duì)煤礦采空區(qū)探測(cè)具有優(yōu)勢(shì)；另外，CSAMT法對(duì)低阻的反映比較靈敏，對(duì)于解釋積水采空區(qū)具有優(yōu)勢(shì)。

2 勘探區(qū)地質(zhì)及電性特征

2.1 勘探區(qū)地質(zhì)概況

勘探區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)新民區(qū)普泉煤礦，勘探面積為0.687 km2。該區(qū)地層總體為走向北東、傾向北西、傾角小于1°的單斜構(gòu)造。勘探區(qū)地表基本被新生界松散—半固結(jié)沉積物所覆蓋，基巖沿溝谷兩岸出露，出露的地層由老至新依次為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、新近系上新統(tǒng)靜樂組(N2j)、第四系(Q)。侏羅系中統(tǒng)延安組是勘探區(qū)的含煤地層，主要可采煤層為3-1煤層、4-2煤層、5-1煤層，煤層平均厚度分別為3.56 m、1.07 m、 3.11 m，埋藏深度分別為20～112 m、43～132 m、105～202 m，屬結(jié)構(gòu)簡單的穩(wěn)定可采煤層，頂板主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖及泥巖，底板主要為粉砂巖、泥巖。勘探區(qū)在資源整合前存在小煤窯房柱式開采3-1煤層的現(xiàn)象，是本次勘探的目標(biāo)層位。

2.2 勘探區(qū)地質(zhì)電性條件

井田內(nèi)ZK401鉆孔測(cè)井曲線和附近鉆孔電性綜合柱狀圖見圖1和圖2。

圖1 侏羅系煤系地層測(cè)井曲線

分析可知，第四系和新近系整體表現(xiàn)為高阻；侏羅系中統(tǒng)延安組上部為相對(duì)低阻反映，下部為相對(duì)中高阻反映。綜合分析認(rèn)為勘探區(qū)煤系地層具有層狀分布特征，如果沒有地質(zhì)構(gòu)造或采空區(qū)，電性反映呈現(xiàn)規(guī)律均一的響應(yīng)特征；反之，其電阻率與正常巖層電阻率會(huì)有明顯的差異。當(dāng)存在采空區(qū)且不含水時(shí)，采空區(qū)的視電阻率一般會(huì)高于正常煤層；當(dāng)存在采空區(qū)且含水時(shí)，采空區(qū)視電阻率通常會(huì)低于正常煤層。勘探區(qū)不同地質(zhì)條件下的電性差異為電法的應(yīng)用提供了良好的地球物理前提。

圖2 附近鉆孔電性綜合柱狀圖

3 勘探區(qū)綜合勘查分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工布置

本次瞬變電磁法和可控源大地電磁法探測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備均使用V8多功能電法儀。瞬變電磁法探測(cè)采用大定源回線裝置，發(fā)射外框大小為360 m×360 m，發(fā)射頻率為25 Hz，發(fā)射電流為施工中采用盡量大的供電電流，測(cè)線為N135°E，點(diǎn)距為20 m，線距為40 m；可控源音頻大地電磁法探測(cè)采用TM模式，收發(fā)距為6 km，發(fā)射極距為1.4 km，測(cè)線為N135°E，點(diǎn)距為30 m，線距為60 m。勘探區(qū)共布設(shè)瞬變電磁測(cè)線21條，生產(chǎn)物理點(diǎn)880個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)31個(gè)，測(cè)線總長17180 m；共布設(shè)可控源音頻大地電磁法測(cè)線14條，生產(chǎn)物理點(diǎn)398個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)15個(gè)，測(cè)線總長11520 m。

3.2 物探結(jié)果分析

3.2.1 瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果分析

瞬變電磁法對(duì)勘探區(qū)內(nèi)采空區(qū)及采空積水區(qū)的推斷解釋主要依據(jù)單點(diǎn)視電阻率反演數(shù)據(jù)結(jié)合整條測(cè)線的視電阻率斷面圖。本次瞬變電磁法探測(cè)獲得21條視電阻率剖面，其中，T8線反演電阻率斷面如圖3所示。T8線位于物探區(qū)域中部，地形整體較為平緩，局部有起伏。縱向上反演電阻率呈低阻—高阻—低阻的變化趨勢(shì)，與實(shí)際地質(zhì)層位的電性變化特征吻合。橫向上中部目標(biāo)煤層附近反演電阻率值整體呈現(xiàn)較低的電性特征，只在局部反映為高阻異常特征。

圖3 T8測(cè)線反演電阻率斷面圖

由圖3可以看出，T8測(cè)線共有3處低阻異常。T1號(hào)低阻異常位于3～11號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的目標(biāo)地層中，反演電阻率值較低，表現(xiàn)為較明顯的低阻異常特征，結(jié)合相關(guān)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘成果分析認(rèn)為，勘查區(qū)內(nèi)煤層略有起伏，整體表現(xiàn)為西北低、東南高，地表偶見裂縫，為水的積聚提供了有利條件，因此推斷其應(yīng)為3-1煤層采空區(qū)積水的電性反映；T2、T3號(hào)低阻異常分別位于27～38號(hào)、39～45號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的目標(biāo)地層中，反演電阻率值較低，表現(xiàn)為較明顯的低阻異常特征，根據(jù)相關(guān)資料，該兩低阻異常所在區(qū)域附近，地下有密集的3-1煤層老巷道，表明該處煤層應(yīng)已被開采，地表局部塌陷，為水的積聚提供了有利條件。綜上所述，推斷該兩處低阻異常應(yīng)為3-1煤層采空區(qū)積水的電性反映。

圖4 TEM電阻率異常區(qū)分布及范圍

根據(jù)以上解釋原則對(duì)其他測(cè)線進(jìn)行成果解釋，綜合分析形成瞬變電磁法探測(cè)成果。瞬變電磁法探測(cè)發(fā)現(xiàn)7處低阻異常區(qū)，總面積約0.3237 km2，異常區(qū)位置及范圍見圖4。

3.2.2 可控源音頻大地電磁法探測(cè)結(jié)果分析

可控源音頻大地電磁法探測(cè)資料的分析解釋原則與瞬變電磁法相同。本次探測(cè)繪制了14條可控源音頻大地電磁法視電阻率剖面圖，其中，具有代表性的C9測(cè)線反演電阻率斷面圖見圖5。

C9測(cè)線位于物探區(qū)域的中部，地形整體較為平緩，局部略有起伏。由圖5可知，縱向上反演電阻率變化規(guī)律與控制范圍內(nèi)地層縱向上電性變化規(guī)律吻合；橫向上反演電阻率整體呈現(xiàn)為左側(cè)低，中間和右側(cè)高的電性特征。C9測(cè)線共發(fā)現(xiàn)1處低阻異常。C1號(hào)低阻異常位于4～11號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的目標(biāo)地層中，該區(qū)域內(nèi)反演電阻率值較低，表現(xiàn)為較明顯的低阻異常特征，由收集到的地質(zhì)資料可知，勘查區(qū)煤層略有起伏，整體表現(xiàn)為西北低、東南高，該區(qū)域3-1煤層存在采空區(qū)，表明該處煤層應(yīng)已被開采，為水的積聚提供了有利條件。因此，推斷其為3-1煤層采空區(qū)積水的電性反映。

圖5 C9測(cè)線反演電阻率斷面圖

根據(jù)以上解釋原則對(duì)其他測(cè)線進(jìn)行成果解釋，綜合分析形成CSAMT法探測(cè)成果。CSAMT法探測(cè)發(fā)現(xiàn)4處低阻異常區(qū)，總面積約0.2957 km2，異常區(qū)位置及范圍見圖6。

圖6 CSAMT電阻率異常區(qū)位置和范圍

3.2.3 綜合探測(cè)成果分析

采空區(qū)和采空積水區(qū)的推斷主要依據(jù)瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法資料，根據(jù)兩種方法各自的特點(diǎn)，結(jié)合野外施工布置情況，以瞬變電磁法資料為主，確定異常區(qū)的性質(zhì)及分布特征；以可控源音頻大地電磁法資料為輔，進(jìn)行驗(yàn)證補(bǔ)充解釋。解釋過程中結(jié)合勘探區(qū)地質(zhì)采礦條件、開拓開采布局、采煤方法與工藝、地面鉆探資料、已知采空區(qū)分布及積水情況等，綜合分析物探成果中異常區(qū)的性質(zhì)及分布特征，以便提高推斷解釋成果的可靠性和準(zhǔn)確性。

經(jīng)過本次瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法綜合勘探數(shù)據(jù)的處理及綜合對(duì)比分析解釋，基本查明了勘查區(qū)內(nèi)3-1煤層采空積水區(qū)分布范圍，如圖7所示。由前述資料解釋成果可見，物探勘查區(qū)域內(nèi)有TEM低阻異常區(qū)7處，CSAMT低阻異常區(qū)4處。經(jīng)綜合分析，解釋推斷采空積水區(qū)7處，由于電法勘探均存在體積效應(yīng)，所以房柱式開采形成的局部采空區(qū)電性反映應(yīng)屬范圍性的，推斷的采空區(qū)也具區(qū)域性特征。根據(jù)推斷成果，勘探區(qū)內(nèi)3-1煤層基本采空，局部采空積水，積水面積合計(jì)約0.3911 km2。后期在勘探區(qū)內(nèi)施工了4個(gè)驗(yàn)證鉆孔，其中ZK-02、ZK-04號(hào)鉆孔揭露3-1煤層采空積水區(qū)，ZK-03號(hào)鉆孔揭露3-1煤層采空區(qū)，基本驗(yàn)證了本次探測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1)各種物探方法的應(yīng)用均需具備相應(yīng)的地球物理前提，單一方法往往存在較大的局限性，很難解決多解性問題。本文綜合運(yùn)用瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法對(duì)淺埋房柱式采空區(qū)分布進(jìn)行了探測(cè)，并根據(jù)兩種物探方法各自的特點(diǎn)進(jìn)行綜合解釋。綜合物探成果與地質(zhì)資料、驗(yàn)證孔鉆探成果基本吻合，說明采用綜合物探技術(shù)進(jìn)行探測(cè)和解釋是可行的，也是有效的。

(2)雖然瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法結(jié)合用于采空區(qū)探測(cè)可以取得較好的效果，但該技術(shù)也存在受環(huán)境噪聲干擾、探測(cè)深度與分辨率矛盾等問題，建議加強(qiáng)相關(guān)正反演技術(shù)研究，具體實(shí)施時(shí)加大數(shù)據(jù)采集量，進(jìn)一步提高探測(cè)效果。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Applicationandstudyofintegratedgeophysicalprospectingingobexplorationofroom-and-pillarsystem

Yang Yong1,2, Chen Qingtong1,2

(1. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. State Key Laboratory of Coal Resources High-Efficient Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China)

In order to solve the limitation and multiple solutions problems of single geophysical prospecting method in coal mine gob exploration, combined with the study on coal geology and geophysical characteristics of northern Shaanxi Jurassic coal field, shallow gobs of room-and-pillar system were explored by using transient electromagnetic method (TEM) and controlled source audio magnetotelluric method (CSAMT). The location, depth, range and other information of gob and water logged area in 3-1coal seam were inferred and interpreted, and the results basically matched with the geological data and hole drilling achievement. The study results showed that the integrated methods of TEM and CSAMT had great reliability and high accuracy in terms of shallow gob exploration of room-and-pillar system, which could provide a scientific basis for the safety production of coal mine and comprehensive treatment of gob.

TEM, CSAMT, shallow coal seam, gob of room-and-pillar system, integrated prospecting technology

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016ZX05045001-004)，國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404139)

楊勇,陳清通. 綜合物探方法在房采采空區(qū)勘查中的應(yīng)用研究[J]. 中國煤炭，2017，43(8):47-51. Yang Yong, Chen Qingtong. Application and study of integrated geophysical prospecting in gob exploration of room-and-pillar system[J] .China Coal，2017，43(8): 47-51.

P631

A

楊勇(1976-)，男，安徽淮南人，碩士，副研究員，主要從事工程地質(zhì)及災(zāi)害治理方面的研究與技術(shù)咨詢工作。