綜合物探手段在探測煤礦采空區的應用

葉一飛，王光宇，吳亞榮，楊喜平，張博龍

(1.陜西榆林能源集團郭家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000；2.陜西銀河煤業開發有限公司，陜西 榆林 719000；3.陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719099)

0 引言

地球物理勘探方法(或稱應用地球物理，簡稱“物探”)是以巖礦石等介質的物理性質差異為物質基礎，利用物理學原理，通過觀測和研究地球物理場的空間和時間分布規律以實現基礎地質研究、環境工程勘察和地質找礦等目的的一門應用科學。在地球物理勘探中，廣泛應用于各種巖礦石等介質的物理性質或物性參數。其中電法勘探是以地殼中巖礦石間的電性差異為基礎，通過觀測和研究天然電磁場和人工電磁場的空間與時間分布規律進行地質勘探、找礦等的一種物探方法[1]。電法勘探利用的參數較多，它應用范圍較廣，主要用于探查區域與深部地質構造、尋找油氣田、尋找金屬與非金屬礦產，解決水文地質和工程地質中的有關問題，以及工程建設中的路基、橋基和環境勘查中的一些問題[2]。微動勘探是指對天然場源微動信號進行數據處理提取Rayleigh波頻散信息，通過反演該信息獲得地下介質橫波速度結構，分析地質體與周圍介質的波速差異，從而查明或解決有關工程地質問題的一種物探技術，是一種環保、抗干擾能力強、探測深度大、適用范圍廣的新型物探技術[3]。

采用瞬變電磁、激電中梯和微動勘探綜合手段探查某煤礦采空區，由于試驗采空區和第1次探測采空區特性基本一致，導致第1次誤判，通過對物探手段組合和工作方法的改進，最終探查到采空區，為在類似條件下開展煤礦采空區的探測提供了借鑒。

1 勘探區概況

勘探區屬鄂爾多斯盆地沙漠區與黃土高原區接壤過渡地帶，自然地貌主要為河谷階地區和黃土梁峁區。根據資料在陰影部分可能存在采空區。通過對陰影部分地形地貌和人居環境的調查及分析后，選取A、B、C、D這4個區域開展物探工作，如圖1所示。

圖1 推測采空區(陰影部分)及4個物探工作區域

2 地質特征

2.1 勘探區地層

表1 含煤地層及上覆巖層特性

2.2 勘探區地球物理特性

根據已有的測井資料分析，本區各地層電阻率差異不大，大都在50～400 Ω·m之間，煤層電阻率較高，一般在400～1 000 Ω·m之間，最高可達1 800 Ω·m。但本區無論是地層或煤層，都比較穩定，煤層可能會形成層狀的高電阻率異常，未開采區一般不會形成局部電阻率異常。當地下煤層局部被開采后，在煤層內形成一定規模的空間，此時的采空區為空洞。從電性上分析，其電阻率表現為高阻反映，一般要比正常巖層的電阻率高3～5倍，有的可達10倍以上。但隨著時間的推移，其周圍的應力平穩狀態遭受破壞，產生局部的應力集中，采空區頂板在上覆巖層壓力的作用下，會發生變形、斷裂、位移、冒落，形成冒落帶，這樣上覆巖層就會在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，地下水就會侵入，同時地表水也有可能沿裂縫向采空區內滲漏，此時采空區的電阻率會隨之發生變化，表現為低電阻率異常反映，這時采空區電阻率的大小取決于其富水、充水狀況。這是瞬變電磁工作的物性基礎。

煤層極化率較高，采空后極化率降低，這是開展激發極化法工作的物性基礎；采空后形成的采空區、斷裂破碎帶和冒落帶會使巖石密度降低，形成低速異常，這是微動探測的物性基礎。

3 工作參數的試驗

3.1 瞬變電磁

開展物探工作前，在已知采空區地表進行瞬變電磁、激電中梯和微動探測的技術試驗。試驗主要采用瞬變電磁進行勘探，然后視激電中梯和微動探測手段對瞬變電磁異常進行驗證，再確定物探手段的組合方法，試驗的目的主要是確定進行瞬變電磁勘探時采用的發射框大小，采樣頻率和發射電流等參數[4]。

在已知采空區的試驗情況如下：用300 m×600 m和200 m×200 m發射框進行試驗，對比后發現200 m×200 m發射框受邊框影響明顯，異常形態復雜，對采空區范圍反映欠佳(左半部分紅色為已知采空區)，如圖2所示；用16 Hz和8 Hz采樣頻率進行試驗，對比后發現8 Hz采樣頻率結果異常較為凌亂，不能準確地反映已知采空區范圍(左半部分紅色為已知采空區)，如圖3所示；用10 A和20 A這2種不同發射電流進行試驗，對比后發現二者異常范圍幾乎一致，如圖4所示，說明瞬變電磁工作采用10 A或20 A的發射電流均可。

圖2 300 m×600 m和200 m×200 m發射框試驗對比

圖3 16 Hz和 8 Hz采樣頻率試驗對比

圖4 10 A和20 A 2種發射電流試驗對比

經分析對比，為保證采集數據質量，最終確定瞬變電磁的工作參數為：采用20 A發射電流，300 m×600 m發射框和16 Hz采樣頻率。

3.2 激電中梯

在相同的已知采空區，對激電中梯方法進行技術試驗，供電極距AB為900 m，測量極距MN取40 m，在未采段顯示高極化率，采空區顯示低極化率異常，視充電率對采空區反映良好，結果如圖5所示。激電中梯在未采段顯示高極化率，采空區顯示低極化率異常，電阻率異常不明顯，激電中梯可作為輔助手段對瞬變電磁異常進行驗證。根據試驗確定工作時供電極距AB選擇900～1 000 m，在A、B極間1/3地段觀測，MN距應適合關系式MN≥(1/50～1/30)AB，接收測量極距選40 m，供電脈沖寬度選2 s，點距20 m。

圖5 激電中梯試驗結果

3.3 微動測量試驗

采用三重圓臺陣，根據探測深度要求(約220 m)，確定三重圓臺陣半徑分別為r(12.5 m)、2r(25 m)、4r(50 m)，圓心處布設1臺數據采集器，圓周上布設3臺數據采集器，每個采集站連接一個2 Hz寬頻帶檢波器，共10個采集器，如圖6所示。根據試驗，確定每點采集時長大于50 min，采用4G數據實時監控系統，確保數據質量。

圖6 微動測量數據采集器布置

通過微動測量試驗并與瞬變電磁試驗進行對比，在已知采空區視電阻率顯示為高阻特征，對應微動測量為低速異常，未采段顯示為高速異常，界線明顯。2種方法在試驗區對應良好，可以為瞬變電磁佐證。

4 物探工作

4.1 測點布設

瞬變電磁的基本網度為20 m×20 m，測點為實地放樣標定，參考站接入陜西地理信息局提供的陜西CORS播發的數據作為參考站數據，布設采用實時動態(RTK)作業方式進行施測。為加快工作進展，采用2臺RTK進行定點施測作業，定點施測作業前，2臺RTK相互用已知控制點進行校驗，滿足本次設計及規范要求(水平精度：±10 mm+10-6；垂直精度：±20 mm+10-6)。具體做法是將各測點理論坐標輸入儀器，然后用RTK實時動態坐標放樣，依次放樣出各個測點實地位置，在實地打樁定點，各樁均捆綁測旗作為標記，方便在野外目視不佳的環境中快速找到測點，并且在測旗上注記測點點線號，方便記錄。

4.2 第1次物探工作

利用試驗確定的工作參數，在A、B、C區開展物探工作，其中A區地表環境復雜，測區地貌地物有壕溝，生長有灌木、雜草等，距離小河不遠，地表局部有受雨季影響形成的潮濕洼地，還有地形起伏較大的干燥沙漠區域，因此A區屬于物探環境最為復雜的區域。根據A區瞬變電磁煤層所在深度的視電阻率異常切片圖來看，區別非常明顯(紅色為高阻區)，如圖7所示。B區的探測范圍較小，從斷面圖特征來看(圖8)，煤層深度電阻率值較為平穩，沒有局部低阻異常出現，煤層深度視電阻率切片圖顯示視電阻率值范圍在53～56 Ω·m之間，等值線寬緩，推斷B區越界開采的可能性不大，推測沒有充水采空區存在；隨后對A區開展分析，推測A區的相對高阻區域可能是受到地表潮濕洼地的影響，因此未在A、B兩區實施鉆探驗證。

圖7 A區煤層深度瞬變電磁切片

圖8 B區煤層深度瞬變電磁切片

在C區實施瞬變電磁物探后，發現在1060線到1100線，1080點到1260點范圍內出現高阻異常，與已知采空區試驗獲得的采空區特征相似。經討論后，決定在C區高阻區進行鉆探驗證。根據調查收集的資料分析研究，鉆探驗證設計施工了3個鉆孔(ZK1、ZK2、ZK3)，鉆孔位置采用實時動態(RTK)方式進行施測，經鉆探驗證C區的高阻區，其并非采空區，如圖9所示。

圖9 C區高阻區及驗證鉆孔位置

4.3 分析第1次物探結果

由于第1次物探出現誤判的情況，分析原因主要有2個：①試驗的已知采空區為綜采工藝，坍塌、冒落帶范圍較大，并且是剛形成不久的采空區，且井下采空區沒有進行人為儲水的情況，采空區涌水為自流狀態，所以充水特征不明顯，采空區顯示為高阻。而推測采空區并非綜采工藝，坍塌、冒落帶范圍較小，且形成時間較長，充水特征與已知采空區不同，因此需探查的采空區與已知采空區所反映的物理特性不盡相同，可能會造成誤判；②由于C區測區較小，未能涵蓋實際的采空區，對性質相似的采空區異常特征缺少實際資料，且受到測區厚沙層的影響，按已知采空區異常試驗取得的物理特征進行推斷，可能會造成誤判。

4.4 第2次物探工作

基于上述情況，在C、D兩區開展補充物探工作即第2次物探，為重新認識采空區可能性提供依據，緊挨C區向南部延伸為D區范圍，在D測區采取了3種物探手段，分別是瞬變電磁、激電中梯和微動監測，物探工作參數與第1次物探工作參數保持一致。瞬變電磁顯示C區視電阻率在48 Ω·m以上，為高阻區，D區視電阻率大都在46 Ω·m以下，為低阻，且梯度帶特征明顯，進一步說明D區為可能存在采空區的可靠性。激電中梯在試驗采空區以視充電率小于15‰為采空區特征，充電率異常對采空區的反映較為明顯，視電阻率規律性不強，以此為依據，同樣在D區把視充電率小于15‰推測為采空區。由于地形起伏變化較大的地方對激電中梯測量結果的影響較大，D區南部由于溝壑縱橫，地形高差較大，圖面顯示規律性不強，但可作為瞬變電磁的輔助手段確定采空區大致范圍，如圖10所示。

圖10 C、D區煤層深度瞬變電磁切片

根據微動測量結果，用已知采空區試驗取得的參數，把低于1 000 m/s的橫波低速區推斷為采空區的反映，并且橫波速度小于1 400 m/s與瞬變電磁低阻范圍基本吻合，推測為疑似采空區。在實際應用中，微動測量雖然有分辨率高、受環境噪聲影響小、易于實施等優勢，但也受地表介質及地形影響，對采空區邊界的反映也存在不確定性，適合作為采空區探測的輔助手段，對瞬變電磁推斷的采空區進行佐證。對3種物探手段及組合方法探測分析后，確定結合瞬變電磁和微動測量的成果將推斷采空區分為Ⅰ級-可靠、Ⅱ級-較可靠、Ⅲ級-疑似3個等級。其中橫波速度小于1 000 m/s與瞬變電磁視電阻率值低于43 Ω·m范圍吻合段，推測為Ⅰ級采空區，性質可靠；瞬變電磁視電阻率值低于43 Ω·m，橫波速度小于1 400 m/s，推測采空的可能性較大，推測為Ⅱ級采空區，較為可靠；視電阻率在43～48 Ω·m之間，但是沒有低阻異常中心，范圍較小，不排除有采空的可能，由于沒有微動探測佐證，推測為Ⅲ級采空區，如圖11所示。

圖11 C、D區三級采空區推斷范圍

4.5 第2次鉆探驗證結果

為驗證改進物探組合方法探測采空區，考慮便于鉆探施工，在Ⅱ級采空區設計2個驗證鉆孔ZK4和ZK5，進行第2次鉆探驗證，根據鉆探過程中沖洗液漏失、掉鉆等情況，判斷是否探測到采空區[7，9]，鉆探過程及驗證結果見表2。

表2 驗證鉆孔特征及結果

經過2個鉆孔的鉆探驗證，確定了Ⅱ級-較可靠為采空區。

5 結論

(1)相同的物探工作參數下采空區顯示物理特征不一樣，根據分析這和采空區的充水特征有直接關系，為類似情況下開展物探工作提供寶貴經驗。

(2)根據物探結果將推斷采空區分為Ⅰ級-可靠、Ⅱ級-較可靠、Ⅲ級-疑似這3個等級，并經鉆探驗證Ⅱ級-較可靠存在采空區，說明Ⅰ級-可靠存在采空區是可以定性的。

(3)微動測量在采空區部位顯示中低速異常區(橫波速度1 400 m/s以下)，與瞬變電磁相對低阻范圍基本吻合，可作為本區采空區探測的配套手段；激電中梯由于地形的原因，異常范圍邊界欠清晰，僅可以作為輔助手段，因此在類似條件下采空區最佳探測方法為瞬變電磁+微動測量。