綜合物探在煤田采空區勘查中的應用

曹永剛(吉林省煤田地質局物測隊，吉林 長春 130000)

0 引言

煤炭是我國的主要能源之一，煤礦開采后會形成采空區，由此對生態環境造成一定破壞。為減輕采空區的影響和危害，需要采取有效的方法，對采空區進行探測，此項工作成為地質勘探的重要任務。下面就綜合物探在煤田采空區勘查中的應用展開分析探討。

1 勘查區域基本情況介紹

本次研究中所選的勘查區域為某煤田，在勘查區的東部存在出露煤層，巖性相對比較復雜。在勘查區的西部，分布有沖洪積物，以風化巖、砂礫石為主，厚度從0～10m不等。在礫石層內賦存有潛水，水層相對較薄，多分布于沖溝之內，以季節性賦水為主。由該煤田的開采資料可知，在對煤炭資源進行開采時，受地下水的影響比較嚴重，并且曾經發生過涌水事故，礦井的涌水量約為30m3/d。在該勘查區域范圍內的地表水流均不具備常年性，以斷斷續續的形式為主，雨水及其他地表水全部都是以下滲的方式補給地下水。在該勘查區的含水層之間，存在一些透水性比較差的泥質粉砂巖，各層間的水力聯系變得比較微弱。通過對勘查區內的巖石進行取樣測試可知，層狀結構是基巖的主要結構形式，巖石的質地相對比較軟弱，為典型的軟質巖體，力學強度比較高。

2 綜合物探在煤田采空區勘查中的應用

2.1 勘查區綜合物探的可行性

在煤礦采空區勘查中，采用某種物探方法進行勘查，雖然可以使操作過程變得簡單，但由于單一的物探方法具有多解性的特點，所以很難保證勘查結果的準確性。為解決這一問題，可以采用多種物探方法相結合，對采空區進行探測，從而使勘查結果更加準確[1]。本次采用的物探方法為高密度電法、瞬變電磁法，并配合地震反射波法。選取具有代表性兩條測線，用上述方法進行探測，對結果進行對比驗證。其中高密度電法、地震反射波法、瞬變電磁法的勘探深度分別控制在100m、150～200m和300～400m，這樣做的主要目的是為了對解釋效果進行對比驗證。采空區內巖石視電阻率＞60Ω·m，密度在1.4～1.8g/cm3的煤巖，波阻抗為16.8～32.4(104g/s·cm2)，密度在2.31～2.57g/cm3的泥、砂巖的波阻抗為55.4～90.0(104g/s·cm2)。在對該勘查區的基本特征進行分析后得出如下結果：具備采用多種物探方法進行探測的前提條件，綜合物探在該采空區勘查中具有良好的可行性[2]。

2.2 綜合物探的應用

2.2.1 高密度電法

高密度電法歸屬于陣列勘探方法的范疇，其應用優勢體現在電極可一次性布設完成，避免了多次布設產生的干擾問題，為快速測量提供了條件；可對多種電極排列方式進行掃描測量，能夠準確獲得豐富的地電斷面結構特征；信息豐富、解釋方便。在對本文中的勘查區進行高密度電發探測時，選用的儀器型號為WGMD-9，這是一套超級高密度電法系統，上電開機后，可對勘查區內的相關數據進行自動采集，施測方式為高密度α排列，當測線的長度比較長時，可以進行分布式測量，這樣可以使探測的有效范圍與瞬變電磁法的測線相重合[3]。

(1)測線A。該條測線的點間距按照5.0m進行布設，剖面的總層數為19層，整條測線的實際長度為990m。圖1為綜合物探成果斷面示意圖。

圖1 測線A高密度電法和瞬變電磁法的成果斷面示意圖

從圖1中可以看出，斷面的高程變化在760～865m這一區間范圍內，本次探測的實際深度在105m左右，視電阻率值的變化區間在5.0～275Ω·m，通過不同的色級對視電阻率值進行表示，按照從小到大的順序，色級由深藍到大紅。在淺表分布有漸變藍色，視電阻率值的變化區間在5.0～30Ω·m，這是該勘查區內潮濕巖層的電性反應所致。不同的測線長度對應的高程均不相同，但卻都出現高阻異常封閉圈，視電阻率值的變化區間在100～280Ω·m。引起高阻異常的原因與煤礦采空之后所形成的空體有關[4]。全部異常均反映在瞬變電磁剖面圖上。

(2)測線B。該條測線的點間距按照10m進行布設，剖面的總層數與測線A相同，即19層，整條測線的實際長度比測線A短100m，為890m。圖2為綜合物探成果斷面示意圖。

從圖2中可以清楚的看到，斷面的高程變化在770～875m這一區間范圍內，本次探測的實際深度約為105m，視電阻率的變化區間在8.0～300Ω·m，通過不同的色級對視電阻率值進行表示，按照從小到大的順序，色級由深藍到大紅。在淺表分布有漸變藍色，視電阻率值的變化區間在8.0～35Ω·m，這是該勘查區內潮濕巖層的電性反應所致。整條測線上，有兩處出現高阻異常封閉圈，一處為240～335m，另一處在430～540m，視電阻率值的變化區間在80～300Ω·m。引起高阻異常的原因與煤礦采空之后所形成的空體有關。全部異常均反映在瞬變電磁剖面圖上。由高密度電阻率反演圖可知，高阻異常半封封閉圈出現在測線的640～735m上，但該異常卻并未呈現在瞬變電磁剖面圖上。通過對相關資料進行分析后得出如下結論：該異常為煤礦采空區的宏觀反應所致。

2.2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種利用脈沖磁場，探測介質電阻率的物探方法，通過該方法可獲得不同深度的地電特征。其優點體現在探測效率高，對低阻體具有非常高的敏感性，是煤田勘探的首選方法之一，不會受到地形的影響，可以提供大量有利用價值的信息。

(1)剖面A。該剖面上的測點按照10m間距進行布設，整個剖面的長度為540m，剖面的具體方向為北東15°。將測點的間距設置為橫軸，高程設定為縱軸，選用1:2000的比例尺。圖3為剖面A瞬變電磁物探成果斷面示意圖。

圖3 剖面A瞬變電磁物探成果斷面示意圖

從圖3中可以看出，該斷面的高程變化在650～860m這一區間范圍內，本次探測的實際深度為210m，視電阻率值的變化區間在8.0～125Ω·m。高阻半封閉圈出現在240～340m，視電阻率值的變化區間在45～65Ω·m，主要為煤層的電性反應所致。高阻封閉圈出現在450～576m，其上下兩側的視電阻率等值線存在明顯的異常波動現象，經過推測后得出如下結果：采空區是引起高阻封閉圈的主要原因。

(2)剖面B。該剖面上的測點按照10m間距進行布設，整個剖面的長度為520m，剖面的具體方向為北東15°。將測點的間距設置為橫軸，高程設定為縱軸，選用1:2000的比例尺。圖3為剖面A瞬變電磁物探成果斷面示意圖。

從圖4中能夠清楚的看到，該斷面的高程變化在660～857m這一區間范圍內，本次探測的實際深度為197m，視電阻率值的變化區間在7.0～125Ω·m。高阻半封閉圈出現在240～297m，視電阻率值的變化區間在48～59Ω·m，主要為煤層的電性反應所致。高阻封閉圈出現在453～576m，其上下兩側的視電阻率等值線存在明顯的異常波動現象，經過推測后得出如下結果：采空區是引起高阻封閉圈的主要原因。

圖4 剖面B瞬變電磁物探成果斷面示意圖

2.2.3 地震反射波法

在本次勘查工程中，選擇地震反射波法作為輔助方法，由該方法獲得的結果可用于地層巖性的判斷。選用的地震儀型號為WZG-24A，探測深度控制在150～200m，以對比的方法驗證瞬變電磁法的結果。觀測方法為24道6次覆蓋，采集到的相關數據通過VISTA軟件進行處理。為確保最終結果的準確性，在數據處理時，需要先進行頻帶濾波和疊前去噪，并在水平疊加和時深轉換后得出最終的測量結果。

(1)測線A。該測線的總長度為500m，根據勘查區的地質資料，在共反射點上，連續性比較好的反射波同相軸出現在CDP125-145這個區間內，由剖面解釋可以初步推斷出其反映的是含煤地層。在共反射點上，存在三處同相軸錯斷比較嚴重的部位，經過推斷認為是采空區引起。該探測結果與其他兩種方法所得的結果基本相同。

(2)測線B。該測線的總長度與測線A相同，即500m。通過對勘查區已有的地質資料進行分析，得出如下結果：在共反射點上連續性較好的反射波同相軸出現在CDP130-159這一區間范圍內，推斷其反映的是含煤地層。在共反射點上有兩處比較嚴重的同相軸錯斷，經推測是采空區引起，這個結果，與其他兩種物探方法有良好的對應關系。

3 結語

綜上所述，在對煤田采空區進行勘查的過程中，可以對高密度電法和瞬變電磁法進行聯合使用，由此能夠進一步提升探測結果的準確性。未來一段時期，要不斷加大對物探技術的研究力度，除對現有的技術進行持續優化外，還應加快開發一些新的技術，從而使其能夠更好地為采空區探測服務。