煤礦采空區(qū)物探方法探討

劉國平

【摘 要】大部分小煤礦沒有保留下準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，兼并重組整合煤礦普遍存在地質(zhì)勘查工作程度低、地質(zhì)情況不明，煤礦建設(shè)和生產(chǎn)存在安全隱患，將是制約安全生產(chǎn)的一大因素。因此進(jìn)行采空區(qū)探測工作十分必要，目前探測采空區(qū)的物探方法較多，如瞬變電磁法、三維地震法、活性炭測氡法等。

【關(guān)鍵詞】采空區(qū)；瞬變電磁法；三維地震；活性炭測氡

1.采空區(qū)形成機(jī)理

地下礦層采空后形成的空間稱為采空區(qū)。當(dāng)采空區(qū)出現(xiàn)后，打破了原有的應(yīng)力平衡，上覆巖層失去支撐，產(chǎn)生移動變形，直到破壞塌落。采空區(qū)塌陷后，形成采空塌陷區(qū)。以煤層采空塌陷區(qū)為例，可將它分為3個帶：①垮落帶：煤層采空上部巖層出現(xiàn)坍落；②斷裂帶：冒落帶上方巖體因彎曲變形過大，在采空區(qū)上方產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，兩側(cè)受到較大的剪應(yīng)力，因而巖體出現(xiàn)大量裂隙，巖石的整體性受到破壞；③彎曲帶：裂隙帶以上直到地面，在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生彎曲變形而未破裂。

2.采空區(qū)地球物理特征

2.1地震勘探的波組特征

煤層采空區(qū)塌陷垂直“三帶”示意由于煤層與其頂?shù)装鍘r層存在著較大的波速和密度差異，為一個非常明顯的波阻抗界面，能夠形成可檢測的反射波。采空區(qū)的存在，致使地層原有物性條件遭到破壞，在煤層反射波組中表現(xiàn)為反射波同相軸的彎曲、減弱，直到消失，同時煤層頂部結(jié)構(gòu)的不規(guī)則破壞，也將產(chǎn)生各種低頻干擾，因此用地震方法可以探測地下煤層采空區(qū)的分布。

（1）采空區(qū)地震時間剖面判識。在沉積穩(wěn)定煤層中掘進(jìn)的工作面，人為地造成煤層局部的不連續(xù)性，使得地層局部物性條件發(fā)生突變（煤巖—空腔），表現(xiàn)在地震時間剖面上，勢必造成在疊加剖面上的煤層反射波出現(xiàn)繞射波，在偏移時間剖面上則會出現(xiàn)“空白段”或“低能量”反射。

（2）采空區(qū)三維地震水平切片判識。三維地震水平切片是圈定采空區(qū)范圍的另一種簡單有效的方法。但其前提條件為：煤田三維地震資料在野外采集過程中無較大的“變觀”；資料處理中嚴(yán)格按照“高信噪比、高分辨率、高保真度”原則進(jìn)行。當(dāng)煤層沉積相對穩(wěn)定、煤層底板起伏形態(tài)局部變化相對平緩時，煤層反射波在水平切片中色彩穩(wěn)定，無顏色突變現(xiàn)象出現(xiàn)；反之，當(dāng)遇到采空區(qū)等地質(zhì)異常體時，煤層反射波在水平切片中色彩將會出現(xiàn)顏色突變現(xiàn)象。

（3）采空區(qū)地震屬性判識標(biāo)志。地震屬性是對地震數(shù)據(jù)的幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)特征的量度，地震屬性分析技術(shù)是貫穿于應(yīng)用研究、算法研究和綜合軟件系統(tǒng)的一種用來提取、存儲、顯示、分析、證實(shí)和評價地震屬性的技術(shù)。地震屬性的應(yīng)用包括： 由時間得到的屬性能提供構(gòu)造的信息；振幅屬性能提供地層和儲層的信息；頻率屬性能提供薄互層的信息等。因?yàn)閷傩苑治瞿軌驈目臻g上全局性地反映斷層、采空區(qū)及陷落柱等構(gòu)造的空間實(shí)際展布形態(tài)，被譽(yù)為地震解釋的“放大鏡”。在煤層沉積穩(wěn)定，無采空區(qū)等地質(zhì)異常分布，同時確保野外采集過程中無較大的“變觀”存在，資料處理中嚴(yán)格按照" 高信噪比、高分辨率、高保真度"原則進(jìn)行的前提下，屬性分析圖片中，煤層的屬性特征分布連續(xù)，當(dāng)遇到構(gòu)造、地質(zhì)異常、采空區(qū)的分布在水平切片上表現(xiàn)為規(guī)律性的、有一定展布規(guī)律的色彩變化。

2.2電性特征

瞬變電磁法是一種時間域的電磁勘探方法。在地表敷設(shè)不接地線框或接地電極，利用階躍波或其它脈沖電流場源激勵，在大地產(chǎn)生過渡過程場，斷電瞬間在大地中形成渦旋交變電磁場，此渦流場隨時間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭測量。這種由地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次感應(yīng)電磁場與地下介質(zhì)的導(dǎo)電性有關(guān)，根據(jù)它的衰減特征，可以分析計算地下介質(zhì)的電性，從而可以判斷它們的規(guī)模、產(chǎn)狀等信息。當(dāng)?shù)貙油暾?，沒有采空區(qū)時，電阻率斷面電性特征明顯。當(dāng)?shù)叵碌拿簩颖徊沙龊螅趲r層內(nèi)形成一個有一定規(guī)模的空間，與圍巖相比，采空區(qū)的電阻率為無窮大。但是隨著時間的推移，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，采空區(qū)的電阻率隨著發(fā)生變化，會出現(xiàn)相對高阻或低阻異常區(qū)。對于未充水采空區(qū)將呈現(xiàn)相對高阻特征，通過對比區(qū)內(nèi)地層的電性差異，可以尋找這種煤層采空區(qū)。對于充水采空區(qū)，由于地下水的流動性及電離作用，電阻率將呈現(xiàn)相對低阻的特征。分析對比電阻率參數(shù)，及區(qū)內(nèi)地層的電性差異，尋找低阻異常區(qū)可以尋找含水采空區(qū)的分布和劃分含水范圍。

2.3放射性特征

當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊沙龊笃渖细矌r層會破碎、斷裂，形成一定規(guī)模的裂隙帶，破壞了巖體中原有的天然應(yīng)力狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布，在裂隙周邊易形成一個應(yīng)力松動圈（即應(yīng)力降低了的區(qū)域） 。這種情況往往會促使巖體內(nèi)部的水分、氣體由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移。巖石破碎帶、斷裂形成之后，改變了地下地質(zhì)體的應(yīng)力分布狀態(tài)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而改變了地下氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境，對氡氣的運(yùn)移與富集具有一定的控制作用。主要表現(xiàn)為三個方面： 儲氣作用、集氣作用和通道作用，通過上述種種作用，氡射氣元素向巖石斷裂破碎帶運(yùn)移，在裂隙集聚，在地表形成一個與采空（破壞） 區(qū)形態(tài)相應(yīng)的氡異常區(qū)。在地表將活性炭測杯埋入地下40cm深的坑中，由于活性炭的強(qiáng)吸附作用，經(jīng)過一定采集時間（一般5～7d）的靜態(tài)累積吸附后，使得采集點(diǎn)附近的氡氣被吸附在活性碳中，通過探測氡的衰變子體釋放的特定能量γ譜線的計數(shù)，獲取該點(diǎn)的氡值信息，這樣能夠最大限度的消除氣象因素、釷射氣因素等造成的干擾。因此，通過這種靜態(tài)累積的能譜測量方式可以獲得氡濃度的信息（實(shí)際是測量氡衰變所釋放的γ射線的強(qiáng)度），達(dá)到圈定采空（破壞）區(qū)位置和范圍的目的。

3.結(jié)論

根據(jù)不同目的層埋深，結(jié)合三維地震、瞬變電磁、活性炭測氡勘探方法特點(diǎn)，選擇不同方法組合進(jìn)行勘探，能夠較好地解決了煤層采空破壞問題。經(jīng)過長時間生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)目前瞬變電磁處理軟件對規(guī)模較小的采空區(qū)處理出來的結(jié)果并不理想，對電磁環(huán)境較差、高壓線和人文設(shè)施等電磁噪聲較大的區(qū)域勘探效果不佳。由于我國現(xiàn)代化進(jìn)程比較快、礦業(yè)開采比較發(fā)達(dá)，使得瞬變電磁勘探區(qū)往往存在強(qiáng)的電磁干擾，而強(qiáng)噪聲背景下的弱信號往往蘊(yùn)含著重要信息。因此很有必要對以往勘探成果進(jìn)行深度研究，對后期數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，力爭解決瞬變電磁勘探資料去噪及弱信號提取技術(shù)問題。采用相關(guān)分析、小波分析等新方法研究 TEM 弱信號的提取問題，建立實(shí)用、有效的 TEM 探測弱信號處理方法技術(shù)是瞬變電磁法的一個發(fā)展方向。利用三維地震勘探技術(shù)探測煤田采空區(qū)位置和范圍已取得了很好的效果，但是對于采空區(qū)下組煤的探測還處于探索研究階段，這也將是三維地震勘探技術(shù)發(fā)展的一個方向?；钚蕴繙y氡探采空區(qū)存在一定的局限性，氡氣運(yùn)移受裂隙控制，隨裂隙的變化而變化，因此其異常不能準(zhǔn)確反映采空區(qū)平面位置，屬定性測量方法，僅能控制采空區(qū)范圍，難以確定采空區(qū)深度。另外活性炭測氡易受降水影響。多種勘探方法組合，解決采空區(qū)平面位置及埋藏深度勢必為采空區(qū)勘探的發(fā)展趨勢之一。

【參考文獻(xiàn)】

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