煤礦老空區(qū)地面探測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

李 文

(煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京100013)

煤礦開采后形成采空區(qū)。在上世紀(jì)80年代,不少煤礦均采用較為落后的“房柱式”或“巷柱式”的炮采采煤方法,小窯、小煤礦星羅棋布,礦井開挖無設(shè)計(jì)、無圖紙、無記錄,小窯的采空區(qū)范圍和狀態(tài)都沒有詳細(xì)記錄和數(shù)據(jù)[1,2]。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,這些老采空區(qū)有些頂板已垮落,造成地表塌陷;有些頂板尚未垮落,從地表看不到老空區(qū)存在;有些老空區(qū)已自燃,有些老空區(qū)正在著火;有些老空區(qū)已積水等等。上述問題業(yè)已或必將為上下煤層及鄰近區(qū)域開采帶來重大的安全隱患。2007年3月14日內(nèi)蒙鄂爾多斯市西梁圪旦煤礦104盤區(qū)采空區(qū)突然發(fā)生頂板大面積垮落,沖擊氣浪造成井下1人重傷事故;2010年3月28日13時(shí)40分,中煤集團(tuán)華晉焦煤公司王家?guī)X礦發(fā)生透水事故,造成153人被困井下,經(jīng)初步推斷就是由于掘進(jìn)過程中與原有老空區(qū)積水貫通所致,盡管救援非常成功,但造成的損失是巨大的,由此也造成了惡劣的社會(huì)影響。有鑒于此,煤礦老空區(qū)探測(cè)業(yè)已引起社會(huì)和煤炭行業(yè)的高度重視。本文在分析煤礦老空區(qū)地球物理特征的基礎(chǔ)上,介紹了4種地面探測(cè)技術(shù),并結(jié)合探測(cè)實(shí)例,總結(jié)了各探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用效果,為今后老空區(qū)探測(cè)提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 煤礦老空區(qū)地球物理特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中,煤層被開采后形成采空區(qū),破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)。當(dāng)開采面積較小時(shí),由于殘留煤柱較多,壓力轉(zhuǎn)移到煤柱上,未引起地層塌落、變形,采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來;但多數(shù)采空區(qū)在重力和地層應(yīng)力作用下,頂板塌落,形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。這些地質(zhì)因素的變化,使得采空區(qū)及其上部地層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化,主要表現(xiàn)為[1-3]:

1)煤層采空區(qū)冒落帶與完整地層相比,巖性變得疏松、密實(shí)度降低,其內(nèi)部充填的松散物的視電阻率明顯高于周圍介質(zhì),在電性上表現(xiàn)為高阻異常;煤層采空區(qū)裂隙帶與完整地層相比,巖性沒有發(fā)生明顯的變化,但由于裂隙帶內(nèi)巖石的裂隙發(fā)育,裂隙中的充入空氣致使導(dǎo)電性降低,在電性上也表現(xiàn)為高阻異常;煤層采空區(qū)冒落帶和裂隙帶若有水注入,使得松散裂隙區(qū)充盈水分達(dá)到飽和的程度,會(huì)引該區(qū)域的電導(dǎo)率迅速增加,表現(xiàn)為其視電阻率值明顯低于周圍介質(zhì),在電性上表現(xiàn)為低阻異常。這種電性變化為以導(dǎo)電性差異為應(yīng)用前提的高密度電法、瞬變電磁法和 EH-4大地電磁法等方法的應(yīng)用提供了地球物理應(yīng)用前提。

2)煤層采空區(qū)與完整地層相比,地層變得疏松,介質(zhì)的密度降低,同時(shí)使傳播于其中的地震波速度下降。而它不論被什么介質(zhì)所充填,在其邊緣部位都存在一個(gè)明顯的波阻抗反射界面,采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)和圍巖介質(zhì)的波速存在明顯的差異。淺震地震法正是利用這一物理前提來探測(cè)煤礦老空區(qū)的。

2 煤礦老空區(qū)地面探測(cè)技術(shù)

目前煤礦老空區(qū)地面探測(cè)技術(shù)主要包括地球物理探測(cè)法和鉆孔鉆探法。鉆孔鉆探法作為一種最為直觀的探測(cè)方法,具有探測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì),但鉆孔鉆探畢竟只是“一孔之見”,且工程量大、進(jìn)度慢、控制范圍小的缺點(diǎn)也顯而易見。因此,煤礦老空區(qū)地面探測(cè)往往采用以地球物理探測(cè)方法為主,鉆探驗(yàn)證為輔的技術(shù)方法。目前煤礦老空區(qū)地面探測(cè)比較成熟的方法主要有以下4種。

2.1 高密度電法

高密度電阻率法是常規(guī)電阻率法的一個(gè)變種,就其原理而言,仍是以巖石的電性差異為基礎(chǔ)的一類勘探方法。通過觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電場(chǎng)的分布規(guī)律來推斷煤礦老空區(qū)是否存在。它實(shí)際上是一種陣列勘探方法,野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極 (幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上,然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集,當(dāng)將測(cè)量結(jié)果送入微機(jī)后,還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。

高密度電法探測(cè)具有以下特點(diǎn)[4,5]:①電極布設(shè)一次完成,可減少因電極設(shè)置而引起的故障和干擾,可進(jìn)行野外數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集;②能有效的進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量;③可以對(duì)資料進(jìn)行預(yù)處理并顯示剖面曲線形態(tài),脫機(jī)處理后還可自動(dòng)繪制和打印各種成果圖件;④與傳統(tǒng)電阻率法相比,成本低、效率高,信息豐富,解釋方便,探測(cè)能力顯著提高。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法,簡(jiǎn)稱 TEM,屬于電磁感應(yīng)類探測(cè)方法,它遵循電磁感應(yīng)原理,其機(jī)理就是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場(chǎng)效應(yīng),即利用一個(gè)不接地的回線或磁偶極子 (也可以用接地線源電偶極子)向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場(chǎng)源 (習(xí)慣上稱為“一次場(chǎng)”),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,脈沖電磁波結(jié)束以后,地層或地質(zhì)目標(biāo)體 (煤礦老空區(qū))在激發(fā)場(chǎng) (即“一次場(chǎng)”)的作用下,其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流,產(chǎn)生電磁場(chǎng) (習(xí)慣上稱為“二次場(chǎng)”),這種渦流有空間特性和時(shí)間特性。通過觀測(cè)和研究“二次場(chǎng)”的空間分布特性和時(shí)間特性,可以推測(cè)解譯地層或老空區(qū)的幾何和物性特征。

瞬變電磁法探測(cè)具有如下特點(diǎn)[6-7]:①觀測(cè)的是“二次場(chǎng)”即純異常場(chǎng),不存在一次場(chǎng)的背景干擾;②對(duì)高阻層的穿透能力強(qiáng),對(duì)低阻層有較高的分辨能力;③可采用同點(diǎn)組合裝置 (中心回線或重疊回線)進(jìn)行觀測(cè),與探測(cè)目標(biāo)達(dá)到最佳耦合,取得異常響應(yīng)強(qiáng),形態(tài)簡(jiǎn)單;④地形影響小,測(cè)量簡(jiǎn)單,工作效率高。

2.3 EH-4大地電磁法

EH-4大地電磁法屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測(cè)深系統(tǒng),深部構(gòu)造通過天然背景場(chǎng)源成像 (M T),其訊息源為 10Hz～100k Hz,淺部構(gòu)造則通過一個(gè)新型的便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1k～100k Hz人工電磁訊號(hào),補(bǔ)償天然訊號(hào)的不足,從而獲得高分辨率的成像。

EH-4大地電磁法具有以下特點(diǎn)[8,9]:①采用人工場(chǎng)源與天然場(chǎng)源共同作用的方式,人工場(chǎng)源彌補(bǔ)了天然場(chǎng)源的在某些頻段的不足,使該系統(tǒng)在10Hz～100k Hz的范圍內(nèi)獲得連續(xù)的有效信號(hào)。人工場(chǎng)源對(duì)解決淺部地質(zhì)問題尤為有用;②受高阻覆蓋層影響小,在玄武巖覆蓋地區(qū)、基巖大面積出露地區(qū),甚至在某些沙漠覆蓋區(qū),均能有效地勘探地下深部地質(zhì)信息;③測(cè)量系統(tǒng)和發(fā)射裝置都比較輕便,測(cè)量速度快;④具有較高的分辨率,為勘探某些小的地質(zhì)構(gòu)造和區(qū)分電阻率差異不大的地層提供了可能性。

2.4 淺層地震法

淺層地震法主要依據(jù)是通過追蹤被采煤層的反射波,視其在勘查剖面上的變化來確定采空區(qū)是否存在,并圈定其邊界。眾所周知:采空區(qū)形成了和地層完全不同的波阻抗差異。同時(shí),采空區(qū)易形成自然塌陷,即煤層頂板和上覆地層自然塌陷充填采空區(qū),致使上覆地層松散。因此,由于采空區(qū)的存在,在沿測(cè)線進(jìn)行地震反射波法勘探時(shí)煤層的地震反射波會(huì)出現(xiàn)以下變化:①不能形成能量強(qiáng)、連續(xù)性較好的反射波組;②反射波組能量明顯減弱或消失;③反射波的頻率變低;④采空區(qū)下部煤層的反射波組能量變?nèi)?連續(xù)性變差。

淺層震法探測(cè)具有以下特點(diǎn)[10]:①對(duì)地層及連續(xù)地質(zhì)體有較好的反映,可進(jìn)行連續(xù)勘探;②與一般地震勘探相比,觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活,道間距小,采樣間隔小,效率高。

3 煤礦老空區(qū)地面探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某礦區(qū)經(jīng)過多年整合開采,致使老空區(qū)分布情況不詳,給未來煤層開采帶來較大的安全隱患。為了查清勘探區(qū)內(nèi)老空區(qū)分布情況,采用高密度電法、瞬變電磁法、EH-4大地電磁法和淺層地震法等綜合物探方法進(jìn)行了地面探測(cè),取得了較好的探測(cè)效果。

圖1為采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的W GMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)反演的視電阻率綜合剖面,可以看出,在測(cè)線140～210m之間視電阻率較高,推斷為老空區(qū)引起的異常,且老空區(qū)不含水。

圖2為采用加拿大 Geonics公司生產(chǎn)的PROTEM-57瞬變電磁儀反演得到的視電阻率綜合剖面,可以看出,在測(cè)線100～300m之間視電阻率較高,推斷為老空區(qū)引起的異常,且老空區(qū)不含水。

圖3為采用美國(guó) Geometrics公司和 EM I公司聯(lián)合研制的雙源型EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀反演的視電阻率綜合剖面,可以看出,在測(cè)線510～590m,650～800m之間視電阻率較高,推斷為老空區(qū)引起的異常,且老空區(qū)不含水。

圖4為采用美國(guó) HPI公司生產(chǎn)的S-Land全數(shù)字化地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的反射時(shí)間剖面,可以看出,在測(cè)線100～340道之間有明顯的反射同相軸缺失,連續(xù)性較差,推斷為老空區(qū)。

圖1 高密度電法視電阻率綜合剖面

圖2 瞬變電磁法視電阻率綜合剖面

圖3 EH4大地電磁法視電阻率綜合剖面

圖4 淺層地震法反射時(shí)間剖面

5 結(jié)語

1)一般來說,高密度電法、淺層地震法適合近地表淺層 (200m以淺)老空區(qū)探測(cè);瞬變電磁法適合中等深度 (600m以淺)老空區(qū)探測(cè);EH-4大地電磁法適合大深度 (1000m以淺)老空區(qū)探測(cè)。

2)對(duì)于探測(cè)深度不大、地形起伏較小、地面導(dǎo)體分布較多和高壓線分布區(qū)域,適宜采用高密度電法或淺層地震法進(jìn)行探測(cè)。

3)對(duì)于玄武巖覆蓋地區(qū)、基巖大面積出露地區(qū)等高阻屏蔽層地區(qū)和地形起伏較大區(qū)域,適宜采用瞬變電磁法或EH-4大地電磁法進(jìn)行探測(cè)。

4)若老空區(qū)充水可能性大,適宜采用對(duì)低阻反應(yīng)靈敏的瞬變電磁法或EH-4大地電磁法進(jìn)行探測(cè);若老空區(qū)不含水,適宜采用對(duì)高阻反應(yīng)靈敏的高密度電法進(jìn)行探測(cè);對(duì)于局部小范圍老空區(qū)(如房柱式老空區(qū))且埋深較淺、地表無松散層、聲音干擾較小,適宜采用淺層地震法進(jìn)行探測(cè)。

5)對(duì)于地形地質(zhì)條件復(fù)雜、探測(cè)精度要求較高的區(qū)域,為保證探測(cè)效果,除加密測(cè)點(diǎn)外,建議采用至少兩種及以上地面綜合探測(cè)方法重復(fù)布置,相互驗(yàn)證。

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