煤礦多層采空區勘察中綜合物探方法的應用

王 江,謝永毅,李志軍,高德健

（北京東方新星石化工程股份有限公司,北京100070）

采空區作為人類活動產生的潛在地質災害之一，給工程建設和人民的生命財產安全造成嚴重的威脅[1-2]。部分煤礦在大規模開采后形成多層采空區，多煤層的開采區域分布相對復雜，且地下巖層的因煤礦開采受到擾動，巖體出現變形和開裂。在未做支護的采空區甚至引起大面積的垮塌，引起層狀介質無序變化，增加了地球物理探測的難度。目前關于多層采空區方面的探測研究和工程應用相對較少，大多數物探方法僅能在一定程度上探明頂層采空區范圍，無法實現對各個煤層采空區的有效探測。因此多層采空區的探測是一個亟待解決的工程問題。

隨著應用地球物理勘探理論和技術的不斷進步，探測精度的逐漸提高，工程物探取得了長足的發展。劉菁華等人選用多種物探方法綜合探測營城某煤礦采空區，明確該采空區的在電阻率和氡濃度的異常場的特征[3]。付天光通過淺層地震法、瞬變電磁法相結合的方式探測采空區及積水情況的實例，取得了良好效果[4]。楊鏡明等人對不同深度的采空區空間分布采用高密度電法和瞬變電磁法探測，并檢測了采空區注漿處理效果[5]。李文分析了不同物探方法的特點，針對采空區不同類型進行綜合物探方法優化，以達到最好的探測效果[6]。李成友等人根據多層采空區的地球物理特征，利用瞬變電磁法探測出多層采空區的分布位置[7]。曹靜等人通過對多個煤層勘探數據分析，研究瞬變電磁法對多層采空區的響應特征，在多層采空區的地面探測中取得了良好的應用效果[8]。

地面物探方法因其高效、經濟、實用的特點，廣泛用于煤礦的采空區探測，但多層采空區探測的單一物探方法存在技術局限性和多解性問題。利用多種物探方法綜合探測煤礦多層采空區，既能發揮各個方法的優點，又可相互印證、互相補充。本文根據煤礦多層采空區地質和地球物理特征，選擇地震映像法和瞬變電磁法綜合探測，利用物探成果和鉆孔信息，查明多層采空區的分布范圍，為采空區的治理提供指導和依據。

1 工程地質概況和地球物理特征

1.1 工程地質概況

濟東煤田某煤礦位于泰山背斜的北翼，為山前沖洪積平原，地勢較平坦，地形起伏較小。地貌類型為剝蝕堆積地貌。區內地層屬魯西地層分區泰安地層，區內地層由上而下依次為：第四系大站組、石炭—二疊系月門溝群及奧陶紀馬家溝組。開采煤系屬華北型石炭—二疊系地層，煤系地層沉積基部為中奧陶統，上部為第四系的覆蓋層，整體由南向北傾斜。該煤礦區包含3個開采煤層：煤3層、煤9層和煤10-2層。煤3層開采厚度1.10～2.00m；煤9層開采厚度0.70～1.50m；煤10-2層開采厚度0.70～1.50m。采煤方法為走向長壁后退式，全部跨落法管理頂板。地下水主要賦存于煤3層采空區和煤9層采空區以及第四系含水層。第四系含水層與下伏各含水層露頭接觸，為煤系各含水層的補給源之一。

1.2 地球物理特征

煤礦區在開采后形成兩類采空區，一類是在支護充分或者開采時間較短時，采空區未坍塌填充空氣或者充水；另一類是采空區未做好支護導致頂板坍塌，形成冒落帶、裂隙帶，導致大量松散頂板巖塊、粘土碎屑等充填[9]。采空區頂部巖層受到破壞和擾動，巖體破碎，產生大量碎石、裂縫和裂隙，導致巖體波速和密度同完整圍巖相比存在很大的差異。因此采空區的地震時間剖面會表現出反射波(組)中斷，反射波頻率降低以及波形不規則、紊亂甚至產生畸變等特點[10]。當采空區范圍內充水時，電性剖面呈現局部低阻的情況；當采空區充水量較少或者無水時，電性剖面呈現局部高阻的情況。由于探測區域煤系各含水層的補給源充足，地下采空及塌陷區可能會大量充水，在電阻率剖面上將表現低電阻率值，能夠明顯區別于圍巖較高的電阻率值，為瞬變電磁法勘探提供很好的物性差異條件。

2 方法原理

2.1 地震映像法

地震映像法是近20年來發展起來的工程物探方法，該方法基于反射波法中得最佳偏移距技術的一種淺層地震勘探技術。野外數據采集裝備簡單，數據采集速度快，采集方式靈活，可利用不同類型波作為有效波，資料處理簡單，可避免因處理產生較大誤差。地震映像反射波法觀測系統見圖1。在現場勘探前需經場地的現場試驗工作確定最佳偏移距L。按觀測點距移動震源并保持相同的偏移距L，每次激發單道接收，為提高信噪比可多次激發疊加記錄。按照設計測線進行數據采集，便形成等偏移距連續地震波時間剖面。根據地震時間剖面上表現出反射波(組)中斷，反射波頻率降低以及波形不規則、紊亂甚至產生畸變等特征判定地下異常體位置和產狀。地震映像法可以利用多種彈性波作為有效波進行探測，如反射波、折射波、面波等，也可以只選則一種特定地震波進行勘探。

圖1 地震映像反射波法觀測系統

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)是一種時間域人工源的電磁法，受地形影響小，工作效率高，具有相對較高的抗干擾能力和分辨率，目前廣泛應用于采空區的探測，尤其對積水采空區探測具有明顯優勢。此方法在地面鋪設不接地回線或者接地電極，對鋪設裝置發射階躍電流，在斷電時激勵大地產生感應渦流場，通過不接地線圈或者接地電極探測二次渦流場（電場或者磁場）隨時間的衰減情況，從而獲取地下介質電性信息。

3 采空區綜合探測分析

3.1 現場施工方法

本次地震映像法選用的勘探設備為HX-DZ-02A型多道數字高分辨率地震儀，用100Hz檢波器采集地震記錄。經試驗得到最佳偏移距為15m。為保證較高的橫向分辨率設定測點距1.5m。測線東西向為22條，南北向為7條，測線累計長度為8745m。

瞬變電磁法采用加拿大GEONICS公司的PRO?TEM67D瞬變電磁儀，大定源回線裝置，發射外框大小為240m×240m，發射頻率為25Hz。測線走向為東西向，測點距10m，測線距25m，完成測線共計10條，全區物理點387個。

3.2 地震映像反射波法探測結果分析

煤礦采空區由第四系松散沉積物覆蓋，厚度13～31m，平均厚度20m，覆蓋層南薄北厚，地形總體平整，有利于地震勘探作業。地震映像法勘探實際測線29條。因篇幅限制，以測線EW2為例介紹探測的成果。圖2為EW2測線地震映像反射波法深度剖面。圖中紅色虛線為推測斷層F，淺藍色線圈為采空及塌陷區。推斷為采空及塌陷區位置反射波同相軸呈弧形彎曲、發生錯斷或者缺失，反射波形雜亂無序。根據收集的地質資料，推測頂層的位于水平距離在80～187m范圍的異常區為3層煤采空區，位于靠近斷層F兩側異常區為9層煤采空區。標高在-30m，水平距離30～90m范圍的異常區為10-2層煤采空及塌陷區。

3.3 瞬變電磁法探測成果分析

圖2 EW2測線地震映像勘探深度剖面

瞬變電磁法對煤礦采空及塌陷區的推斷解釋主要依據反演的視電阻率斷面等值線圖。本次瞬變電磁測線為10條，通過反演獲得相應的視電阻率剖面圖。圖3為測線L00視電阻率斷面等值線圖，實際勘探區域中測線L100與地震測線EW2為同一條物探測線。圖中橫坐標為測點號，也是實際距離，縱坐標為高程。從縱向上看，不考慮新生界地層，煤系地層視電阻率值由淺到深呈中低阻—高阻—低阻的變化特征。其中低阻為煤系地層的反映，低阻上的中高阻為煤9采空區頂板砂巖的反映，下部的高阻為奧陶系灰巖的反映。從縱向上看，圖中黑色圈閉為低阻異常體，在標高70m附近有2個低阻異常，分別在水平距離65～195m范圍之間，以及240～340m之間，推測為煤3采空區。在標高-18m附近有2個低阻異常，分別位于水平距離155～190m、240～278m點之間，推測為富含水的煤9采空區。在標高-50～110m處有2個范圍較大的低阻異常區域，分別位于水平距離0～200m、235～320m點之間，推測為富含水的煤10-2采空及塌陷區。圖中在210～240m范圍電性層位發生突變,推測為斷層或者斷裂帶F（紅色斜線）。

圖3 L100線視電阻率剖面圖

工程地質鉆孔勘探結果與綜合物探推斷結果基本一致。靠近物探測線的鉆孔有ZK06和ZK07，ZK06約位于測線水平位置293m處，ZK07約位于156m處。鉆孔ZK06標高59.44～60.14m為強風化的未開采煤層，巖芯呈碎巖沫狀，夾雜泥巖碎屑，煤層富含地下水；標高-40.26～-39.46m范圍為未開采煤層，該段巖芯呈碎塊狀，夾雜泥質碎屑，取芯率低。鉆孔ZK07中標高78.52～80.32m為3層煤采空區，僅采取巖芯20cm，且巖芯破碎，以粘性土為主；標高-24.68～-23.48m為9層煤采空區，該范圍未取到巖芯。

3.4 綜合物探結果分析

煤礦各層采空區分布范圍的推斷主要依據地震映像反射波法和瞬變電磁法的探測結果。每種物探方法有其各自的特點，地震映像反射波法對多層采空區的勘探成果相對直觀，能夠直接反映出采空區的頂板深度，但有效探測深度受震源激發能量的限制。瞬變電磁法對低阻異常體反映靈敏，探測深度較大，可彌補地震映像法因人工震源能量較弱導致勘探深度不足的缺陷，但分辨率相對較低。總體來講，2種方法均能反映頂層煤礦采空區范圍，反演剖面的異常位置吻合較好，但是對于深層，尤其是地下同時存在多個采空煤層時，各層的介質異常信息互相影響，單一勘探方法無法有效區分。多層采空區解釋方法是以地震映像法的解釋成果來確定采空區深度，以瞬變電磁法的勘探成果補充修正含水采空及塌陷區分布范圍，進一步細化采空區范圍和形態。同時結合地質資料和后續的鉆孔成果給出合理的地質解釋。

4 結論

煤礦區的多層采空區分布復雜，場地不穩定的因素較多，嚴重影響地面建筑和各類結構設施的穩定性以及人民生命財產安全。本文結合濟東煤田多層采空區的工程實例，分析了地震映像法和瞬變電磁法的綜合探測效果。研究結果表明，采用地震映像法和瞬變電磁法相結合的方式是有效探測多層采空區的物探組合。地震映像法對淺部頂層采空區的探測效果更直接，分辨率更高，而受震源激發能量的限制，下層或者埋深更深的采空區的效果相對較差。而在深層的采空區采用瞬變電磁法探測更加有效，尤其是對于富水煤層采空區及泥質填充的采空區低阻電性異常進行探測和評價。

盡管地震映像法和瞬變電磁法在多層采空區上取得了較好的效果，但對多個采空區并存的區域，各層采空區的異常特征互相影響導致分辨率降低。在具體推測非頂層采空區空間范圍時要注意頂層采空區的對下伏采空區異常特征的影響。