煤礦采空區常用地球物理探測技術分析對比

馮 鵬，宋春華，韓沙沙

（1山東金嶺鐵礦有限公司，山東 淄博255084；2中煤地質工程總公司上海分公司，上海200135）

煤礦采空區常用地球物理探測技術分析對比

馮 鵬1，宋春華2，韓沙沙2

（1山東金嶺鐵礦有限公司，山東 淄博255084；2中煤地質工程總公司上海分公司，上海200135）

結合實例重點分析了電剖面法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、三維地震法、測氡法等常用物探技術的工作原理、應用情況及優缺點。隨著勘探精度要求的提高以及采空區問題的復雜性和難度，單一物探方法已不能完全滿足要求，建議采用多種物探方法相結合的方式提高探測的準確性。

煤礦采空區；物探技術；電剖面法；電磁法；三維地震法；測氡法

1 前言

近年來隨著煤礦上組煤層煤炭資源的開采殆盡，越來越多的煤礦開始開采下組煤，而在上部煤層形成的采空區越來越多，對下組煤的安全開采帶來很大的隱患。采空區的探測方法多種多樣，目前國內外主要是以采空區調查、工程鉆探、地球物理探測為主，輔以變形觀測、水文試驗等。

探測煤礦采空區的物探方法主要分為以下幾類：1）重力勘探。采空區因開采形成質量虧損，從而形成低重力異常，探測重力異常，從而確定采空區的分布、大小、邊界等。2）電法勘探。電法勘探是通過探測采空區與圍巖的電性差異來確定采空區的位置和大小，尤其探測積水采空區效果明顯。主要的探測方法有電剖面法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法等。3）地震勘探。地震勘探是通過探測采空區與周圍地震的彈性差異來確定采空區的位置分布，其控制采空區的邊界效果較好。4）測氡法。測氡法是一種放射性測量方法。在采空區的上方會形成氡的富集，而在附近區域氡的含量會明顯變少，通過測量氡含量的多少可確定采空區的位置。本研究結合實例重點對常用的幾種物探技術進行分析。

2 常用采空區物探技術分析

2.1 電剖面法

2.1.1 工作原理

電剖面法采用固定極距的電極排列，即針對某一深度沿測線逐點供電和測量，獲得視電阻率剖面曲線，以了解地下一定勘探深度內沿測線方向上巖石的電性變化。正常情況下地層的電性變化有一定的規律性，反映在視電阻率剖面圖上為視電阻率值變化穩定，等值線呈似層狀分布，變化平緩。當存在采空區時，視電阻率值將發生明顯變化，從而達到探測采空區的目的。

2.1.2 實例分析

研究區概況：研究區位于黑龍江省雞西市某煤礦，在穆棱河南側的沖積河漫灘和北側古老的麻山群變質巖所形成的山峰之間。主要地層由上到下分別為第四系、樺山群、白堊系穆棱組和城子河組、麻山群。其中白堊系穆棱組和城子河組為主要含煤地層，巖性以砂巖為主。研究區內主要開采煤層為城子河組4、9煤。經前期采空區調查，發現區內小煤窯星羅棋布，淺層煤層已基本采空。

采集裝置：三級聯合剖面法，AB/2=200m。圖1為測線L5240電剖面法視電阻率曲線。圖中曲線1表示

圖1 L5240電剖面法視電阻率曲線

2.1.3 優缺點分析

電剖面法裝置較為簡單，施工方便，采空區邊界清晰易辯。但其垂向只能測1個深度的數值，數據少，不適合于傾角大的地層。

2.2 瞬變電磁法（TDEM）

2.2.1 工作原理

瞬變電磁法是在地表敷設不接地線框，輸入階躍電流，當回線中電流突然斷開時，在下半空間就要激勵起感應渦流以維持斷開電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈在地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，可用以研究淺層至中深層的地電結構[2]。由于地層的沉積是連續而穩定的，所以橫向上的電性差異應該很小。采空區的存在則會打破這一平衡，使其相對于圍巖出現或高阻（不含水采空區）或低阻（積水采空區）的現象，這便是采用瞬變電磁法探測采空區的理論基礎。

2.2.2 實例分析

研究區概況：研究區位于黑龍江省雙鴨山市某煤礦，區內地表平整，均為農田，無電線和建筑物干擾。主要地層由上到下分別為第四系、樺山群、白堊系穆棱組和城子河組、麻山群。其中白堊系穆棱組和城子河組為主要含煤地層，巖性以砂巖為主，主要開采煤層為城子河組1、3上、6、8、12煤，淺部煤層小窯已基本采空。

主要施工參數：大定源回線裝置采集，發射線框600m×600m，發射頻率8.33 Hz，發射電流10 A。

圖2為L580瞬變電磁法視電阻率剖面圖和地質剖面圖，圖中存在兩處明顯的低阻異常，一處位于1煤和3上煤深度，樁號340～660之間，該異常呈長條狀圈閉，且形狀順著煤層方向，視電阻率值在20～40Ω·m之間，明顯小于背景電阻率。推斷在該位置，1煤或3上煤存在采空積水。另一處位于8煤深度，樁號720～780之間，該異常呈圓形圈閉，視電阻率值＜40Ω·m。通過對比相同位置采集的直流電測深法資料和可控源音頻大地電磁法資料，發現在第一處異常區均有異常反應，表明推斷較可靠[3]。

圖2 L580瞬變電磁法視電阻率剖面圖和地質剖面圖

2.2.3 優缺點分析

瞬變電磁法具有施工效率高，高阻圍巖尋找低阻體靈敏、分辨能力強、剖面測量與測深同時完成等優點，同時瞬變電磁法異常顯現明顯（尤其對于積水的采空區），為最常用的采空區探測手段。但是瞬變電磁法存在淺層探測盲區的缺點，這大大縮小了其有效勘探深度，同時瞬變電磁法的低阻層向下“延滯”現象也比較明顯，不利于區分多層采空區。

2.3 可控源音頻大地電磁法（CSAMT）

2.3.1 工作原理

當地層電阻率固定時，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比，高頻時探測深度淺，低頻時探測深度深。可以通過調整供電頻率的高低，得到不同深度的地電信息，從而達到垂向頻率測深的目的，根據所測視電阻率特征，了解地下地質體的產狀和特征，分析推斷構造帶空間分布形態及地層巖體之間接觸關系。

2.3.2 實例分析

研究區概況：研究區與2.2.2為同一個研究區。

主要施工參數：收發距離為12 km，工作頻率1.33333～9600 Hz，采集時間 40min。

圖3為L420線CSAMT和TDEM視電阻率剖面圖和地質剖面圖，對比TDEM，CSAMT視電阻率剖面圖中顯示的整體地層呈層性更好，地層傾斜方向與實際地層傾斜情況吻合度高。CSAMT在1煤和3上煤深度，樁號360～620區域，同樣也存在著異常反映，只是沒TDEM反映明顯。

圖3 L420線CSAMT和TDEM視電阻率剖面圖和地質剖面圖

2.3.3 優缺點分析

CSAMT是20世紀80年代才開始真正發展起來的地球物理新技術，具有工作效率高、勘探深度范圍大、受地形影響小等優點，同時因CSAMT具有垂向分辨率高的優點，為解決多層采空區的探測問題提供了思路。但由于其技術（尤其是處理技術）還不是非常成熟，在淺層的探測應用效果并不好。隨著煤層開采的越來越深，CSAMT資料處理技術的越來越成熟，相信會得到越來越多的重視和應用。

2.4 三維地震法

2.4.1 工作原理

在地表以人工方法激發地震波，在向地下傳播時，遇有介質性質不同的巖層分界面，地震波將發生反射與折射，在地表或井中用檢波器接收這種地震波，通過對地震波記錄進行處理和解釋，用以推斷界面深度、構造形態及其物性參數。煤層采空區引起的上覆巖層破壞對地震波有很強的吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，破碎圍巖及裂隙對地震波衰減還表現為反射波波形變得不規則、紊亂甚至產生畸變，而采空區下方則由于巖層相對完整而變化不明顯。即在地震時間剖面上采空區位置出現了連續煤層反射波組的中斷或消失。

2.4.2 實例分析

研究區概況：研究區位于山西省朔州市某煤礦，區內地表大部分被黃土覆蓋，地勢總體呈北高、南低之趨勢。主要地層由上到下分別為第四系，第三系上新統靜樂組，二疊系上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組，奧陶系馬家溝組。主要開采煤層為 4、5、8、9、11 煤，其中 4、9 煤局部已被采空，且存在小窯越界開采的情況。

主要施工參數：10線8炮束狀觀測系統，960道中間放炮接收，線距40m，道間距10m，炮間距80m，24次覆蓋（4橫向×6縱向）。

圖4為采空區在地震時間剖面上的反映，圖中CDP112～198之間位置，9號煤層所對應的反射波消失，和兩側反射波存在明顯的不連續，而在其下部奧灰頂界面附近，出現一組能量非常強的反射波。

圖4 采空區在地震時間剖面上的反映

2.4.3 優缺點分析

三維地震法勘探精度高，對構造體的位置、形狀等的分析判斷都有很高準度，已廣泛應用于煤炭、油氣等資源勘探中。在采空區探測中，也能較為準確地判斷出采空區邊界，但無法確定采空區的積水情況，同時因為勘探成本較高，所以三維地震法很少被用來做采空區探測。

2.5 測氡法

2.5.1 工作原理

氡（222Rn）是鈾（238）系的唯一呈氣態的無色無味的放射性惰性氣體，是鐳的衰變產物，其化學性質十分穩定，但物理性質十分活潑，能溶于水、油等液體中[4]。氡活動性強，具有很強的遷移能力，可以很容易由地下深部經過巖石進入地表土壤中。采空區的存在，改變了原有的地層應力結構，使氡開始向采空區運移、聚集，同時由于其很強的向上運移能力，使采空區上方形成氡的富集區，而在其附近地段氡含量明顯減少[5]。通過分析氡含量橫向上的差異可確定采空區的位置。

2.5.2 實例分析

研究區概況：研究區位于山西省呂梁市柳林縣某煤礦，區內地表為典型的梁峁狀黃土丘陵地貌。主要地層由上到下分別為第四系；第三系；二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組；石炭系太原組、本溪組；奧陶系峰峰組、上馬家溝組。主要開采煤層為 4、5、8、9、10 煤，淺層煤已被局部采空。

主要施工參數：活性炭測氡法。

圖5為1線氡值剖面圖，圖中1～15號點氡值大多超過270個計數/3min，且起伏明顯，而16～20號點氡值較1～15號點明顯偏低，且連續穩定，故推斷1～15號點位置存在采空區。對比同期施工的瞬變電磁法和已知資料，反映的采空區位置基本一致，表明推斷較為可靠[6]。

圖5 某煤礦1線氡值剖面圖

2.5.3 優缺點分析

測氡法具有成本低、操作簡單、不受電磁及地形影響等優點，但只能確定采空區的平面位置，無法判斷采空區的垂深和積水情況。

3 結語

各種采空區物探技術方法各有優缺點，都不能完美地解決所有的地質問題。隨著勘探工作的不斷深入，安全高效生產對勘探的精度要求不斷提高，待解決問題的復雜性和難度加大，單一物探方法已不能完全滿足新形勢的要求，多種物探方法相結合的方式能大大提高探測的準確性。

目前，筆者認為較為完善的施工手段應該遵循下面幾個流程：

1）進行采空區調查和收集相關已知資料，通過分析收集到的資料確定物探方案。2）選擇物探施工手段，可采取三維地震和測氡法，初步確定采空區的位置或深度，再采用電法、電磁法確定采空區的積水性和深度（采取電法和電磁法相結合的手段可進一步提高解釋的精度），運用各種數學方法對多種屬性進行綜合分析，調整處理參數，從而獲得最終的采空區及積水范圍分布規律。3）采用鉆探手段對物探確定的采空區進行驗證。

[1]韓沙沙.黑龍江龍煤礦業集團股份有限公司雞西分公司某煤礦水文地質補充勘探地面物探報告[R].上海：上海中煤物探測量有限公司，2014.

[2] 李貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安：陜西科學技術出版社，2002.

[3]韓沙沙.急傾斜區安全開采方案論證（某煤礦西一采區急傾斜煤層淺部積水區探測）技術方案施工工程報告[R].北京：中國煤炭地質總局特種技術勘探中心，2016.

[4] 劉鴻福.氡及其子體運移的實驗研究與機理探討[D].太原：太原理工大學，1997.

[5]宋英慧.綜合物探技術在煤礦采空區中的探測中的應用[J].山西煤炭，2011，31（5）：73-75.

[6]高建.山西省柳林縣兼并重組整合煤礦區水文地質補充勘探和頂底板水害評價及防治對策綜合研究地面物探報告[R].北京：中國煤炭地質總局特種技術勘探中心，2012.

Analysis and Comparison of Geophysical Detection Techniques Used in Coal Goafs

FENG Peng1,SONG Chunhua2,HAN Shasha2
（1 Shandong Jinling Iron Ore Co.,Ltd.,Zibo 255084,China;2 China Coal Geological Engineering Corporation Shanghai Branch,Shanghai 200135,China）

Composed with some practical examples,the working principle,application and their advantages and disadvantages of sectionmethod,transient electromagneticmethod and controlled source audio-frequencymagnetotelluricmethod,3d seismicmethod and radonmeasurementmethod commonly used geophysical exploration techniques were analyzed.With the improvement of exploration precision,there aremore complexity andmore difficulty problems for goafs,so the single geophysical explorationmethods did not fullymeet the requirements.To improve the accuracy of detection,using a combination of a variety of geophysical explorationmethods is recommend.

coal goaf;geophysical technology;electrical profiling;electromagneticmethod;3d seismicmethod;radonmeasurement

P631

A

1004-4620（2017）04-0005-04

2017-04-05

馮鵬，男，1988年生，2012年畢業于山東科技大學地球物理學專業。現為山東金嶺鐵礦生產技術中心助理工程師，從事物探工藝技術及管理工作。