綜合物探方法在靈新煤礦采空區(qū)探查中的應(yīng)用

梅超++路躍++職榮軍

摘 要：采空區(qū)的存在對煤礦區(qū)生產(chǎn)、人民財(cái)產(chǎn)安全和工程建設(shè)造成極大的安全隱患。有效地探測采空區(qū)成為解決上述問題的關(guān)鍵。該文從采空區(qū)地球物理特征入手，采用三維地震、高密度電法的綜合物探方法對采空區(qū)進(jìn)行探測。三維地震勘探技術(shù)可查明直徑大于20m的陷落柱，控制采空區(qū)邊界，平面位置誤差不大于20m。高密度電法是剖面法和電測深法的集中，在原理上與普通電阻率法相同，是一種陣列勘探方法，不同點(diǎn)是該方法在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點(diǎn)；它具有較高的分辨能力，且勘探效率高，結(jié)合鉆孔資料能進(jìn)行一、二維反演，圈定電阻率異常區(qū)，從而確定采空區(qū)范圍及充水情況。

關(guān)鍵詞：物探技術(shù) 高密度電法 三維地震勘探 采空區(qū)

中圖分類號：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0099-02

靈新煤礦隸屬神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，為國有企業(yè)礦井。為了礦井采掘接續(xù)的安排，要開拓布置新的工作面。新工作面為原磁窯堡鎮(zhèn)所在地，現(xiàn)地面建筑物大部分已搬遷，該區(qū)域地質(zhì)工作程度較低，分布有大量的老窯采空區(qū)，老窯集水情況不明。所以準(zhǔn)確的查明老窯采空區(qū)和老窯集水情況對采區(qū)的開采及安全尤為重要。

1 煤層采空區(qū)的地質(zhì)特征

勘探區(qū)內(nèi)主要為原磁窯堡煤礦開采后遺留老窯采空區(qū)，主要開采上含煤組二、六煤層。開采方式通常為沿煤層露頭下掘斜井。解放前后開采的極少數(shù)小窯（如48、58號小窯）則用小型豎井。因受開采技術(shù)限制，開采深度一般僅為40米左右，最深也不超過80米，沿走向最大長度可達(dá)百米左右。

2 煤層采空區(qū)的三維地震探查技術(shù)及應(yīng)用

2.1 煤層采空區(qū)地震時(shí)間剖面的技術(shù)分析

對比性研究三維地震時(shí)間剖面后，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)時(shí)間剖面會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象：反射波同相軸下凹時(shí)間發(fā)生延遲、反射波同相軸中斷、不連續(xù)，等。換言之，不同煤層采空區(qū)的地質(zhì)特征與不同的地震反射波特征相對應(yīng)，這屬于三維震探查老窯采空區(qū)的技術(shù)分析原理。煤層采空不外乎兩種情況，其一是采空區(qū)上覆巖層塌陷，另外是煤層頂板未塌陷。

先看采空區(qū)上覆巖層塌陷。當(dāng)遇到采空區(qū)面積較大，時(shí)間較長時(shí)，上覆地層塌落、回填則采空區(qū)在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)在幾個(gè)方面：第一，反射波在一定范圍內(nèi)同相軸有下凹趨勢，這是由于采空區(qū)塌陷變形，采空區(qū)上部出現(xiàn)速度降低，時(shí)間延遲造成的下拉現(xiàn)象，反射波同相軸相位在地震時(shí)間剖面上出現(xiàn)明顯滯后。第二，當(dāng)煤層采空區(qū)上部巖層裂縫發(fā)生波的散射時(shí)，反射波的振幅及波形在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為，振幅降，反射波波形變得不規(guī)則、產(chǎn)生畸變。第三，由于煤層采空區(qū)引起的上覆巖層破壞區(qū)對地震波具有很強(qiáng)的吸收、頻散衰減作用，反射波頻率變化在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為反射波的頻率的降低。在地震時(shí)間剖面上識(shí)別煤層采空區(qū)時(shí)，可將上述不同的地震反射波特征作為重要標(biāo)志。

2.2 三維地震探查采空區(qū)的應(yīng)用實(shí)例

2.2.1 井田地質(zhì)概況

靈新煤礦位于鄂爾多斯地臺(tái)西緣褶皺沖斷帶上，依據(jù)本次三維地震勘探成果和鉆探揭露資料，均表明補(bǔ)勘區(qū)內(nèi)構(gòu)造線總體走向?yàn)榻媳?，且向南傾伏，傾伏角0～10°?？碧絽^(qū)內(nèi)的向斜兩翼不對稱，向斜西翼北部傾角較緩，南部傾角較陡，傾角12～30°；向斜西翼地層產(chǎn)狀10°左右，東翼地層產(chǎn)狀75°左右。礦區(qū)大部分面積被第四系地層所覆蓋，屬隱伏式煤田。根據(jù)鉆孔揭露顯示，補(bǔ)勘區(qū)內(nèi)地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)上田組（T3y）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、中統(tǒng)直羅組（J2z）、第四系（Q）。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y），鉆孔揭露厚度，最小314.08m，最大352.58m，平均厚度338.42m。

2.2.2 應(yīng)用實(shí)例

三維線束方向基本垂直地層走向，采用10線10炮觀測系統(tǒng)不對稱激發(fā)，全區(qū)共布設(shè)線束10束。本區(qū)設(shè)計(jì)布置三維線束10束，生產(chǎn)物理點(diǎn)2470個(gè)；布置試驗(yàn)點(diǎn)4個(gè)，試驗(yàn)物理點(diǎn)40個(gè)；試驗(yàn)線1束，試驗(yàn)合格轉(zhuǎn)為生產(chǎn)物理點(diǎn)。小折射2個(gè)，物理點(diǎn)4個(gè)；機(jī)動(dòng)物理點(diǎn)80個(gè)，全區(qū)共布設(shè)物理點(diǎn)為2594個(gè)。識(shí)別煤層采空區(qū)的重要標(biāo)志是在地震時(shí)間剖面上反射波不連續(xù)。識(shí)別煤層采空區(qū)的參考標(biāo)志是反射波振幅變?nèi)?，頻率降低。其波組特征與正常煤層地段存在差異，且存在時(shí)間延長等多種現(xiàn)象，因而地質(zhì)形態(tài)在時(shí)間剖面上因采空區(qū)地球物理特征的變化而變化。當(dāng)大面積采空時(shí)，其采空區(qū)解釋方法不能僅依靠常規(guī)單層煤層的反射波特征加以判定，需結(jié)合整套地層的波組關(guān)系及其他手段進(jìn)行。由于采空區(qū)對地震波的吸收和散射，使得反射波組在時(shí)間剖面上出現(xiàn)零亂、消失的現(xiàn)象，據(jù)此可以圈定采空破壞區(qū)的范圍。在采空破壞區(qū)內(nèi)，由于煤層的不規(guī)則采掘，出現(xiàn)煤層采空、煤層變薄、留設(shè)煤柱以及局部殘留等現(xiàn)象，反射波在時(shí)間剖面上表現(xiàn)為同相軸扭曲、振幅變?nèi)趸蛳В部赡苌蓮?qiáng)反射波，相對煤層反射波來說，該反射波表現(xiàn)為，時(shí)間上延長，振幅增強(qiáng)，頻率降低，延續(xù)相位能量增強(qiáng)等特征。對地震波的傳播產(chǎn)生一定的影響，并導(dǎo)致采空區(qū)地震異常范圍與實(shí)際煤層采空區(qū)的大小存在誤差的原因是：煤層采空并塌陷后形成的上覆巖層破壞范圍通常會(huì)在采空區(qū)上方形成由冒落和裂隙帶構(gòu)成的具有一定裂陷高度和角度的破壞帶。根據(jù)以上方法，本次三維地震勘探圈出了二煤采空區(qū)邊界。對采空區(qū)內(nèi)部可能存在的留設(shè)煤柱和部分未采空區(qū)域反映不清，沒有給予解釋。六煤層與二煤層間距較小，二煤采空區(qū)對六煤層影響較大，二煤層采空區(qū)下六煤層反射能量弱且不連續(xù)，本次勘探?jīng)]有解釋六煤層可能存在的采空區(qū)。

3 高密度電法探查煤層采空區(qū)技術(shù)及應(yīng)用

3.1 高密度電法探查煤層采空區(qū)技術(shù)原理

高密度電阻率法是電剖面法和電測深法的集中，原理上與普通電阻率法相同，是一種陣列勘探方法，不同點(diǎn)是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點(diǎn)。用于野外測量時(shí)，全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，通過電極轉(zhuǎn)換器和主機(jī)即可實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)采集剖面中不同電極距、不同電極排列方式的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（1）采用溫納（WN）裝置，電極總數(shù)120（根據(jù)情況可調(diào)），隔離系數(shù)n（min）=1；n（max）=16（根據(jù)情況可調(diào)）。它的電極排列規(guī)律為：A、M、N、B（其中供電電極為A、B，測量電極為M、N），隨著極距系數(shù)逐漸由n由n（MIN）增大到n（MAX），四個(gè)電極之間的間距也被均勻拉開，測量斷面為倒梯形。

（2）單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測量（S3P）裝置，電極總數(shù)120（根據(jù)情況可調(diào)），隔離系數(shù)n（min）=1；n（max）=20（根據(jù)情況可調(diào)）。它的電極排列規(guī)律是：N、M、A、（其中A、B是供電電極，B置于無窮遠(yuǎn)，M、N是測量電極），N、M不動(dòng)，A逐點(diǎn)向右移動(dòng)，得到一條滾動(dòng)線：接著N、M、A同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)電極，M、N不動(dòng)，A逐點(diǎn)向右移動(dòng)，再得到一條滾動(dòng)線：這樣持續(xù)滾動(dòng)測量下去，即得到矩形斷面。

3.2 高密度電法的探查采空區(qū)的應(yīng)用實(shí)例

在進(jìn)行靈新煤礦二煤采空區(qū)解釋時(shí)，主要以二煤的電性特征進(jìn)行分析。通過臨近的剖面與連井剖面的對比，推斷全區(qū)的深度調(diào)整系數(shù)為1.0。平面等值線圖是通過求出每個(gè)測點(diǎn)上指定深度上的反演視電阻率值，結(jié)合剖面圖進(jìn)行二煤采空區(qū)范圍的解釋工作。采空區(qū)的分布主要在D7線到D31線。在平面圖件的解釋中，以ρS=30Ω·m為閾值劃分采空區(qū)與未采空區(qū)，結(jié)合剖面圖解釋成果，將采空區(qū)進(jìn)行合理連接形成最終的解釋成果。

如圖1所示，為Geogiga RTomo軟件顯示的剖面垂直切片示意圖，能夠通過各個(gè)角度較直觀地看出剖面圖異常區(qū)的聯(lián)系，對采空區(qū)的解釋有很好的參考意義。

4 綜合應(yīng)用效果分析

對煤層采空區(qū)進(jìn)行解釋時(shí)可利用三維地震時(shí)間剖面反射波的特征，再結(jié)合高密度電磁法視電阻率異常顯示特征，即可分別圈定采空區(qū)位置和范圍。當(dāng)兩者圈定位置和范圍吻合度較高時(shí)，預(yù)示著采空區(qū)的圈定有較高的可信度，進(jìn)而可通過鉆探進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)兩者圈定位置和范圍有較大差異時(shí)，則采空區(qū)的圈定值得懷疑，應(yīng)具體分析差異產(chǎn)生的原因，從而進(jìn)一步優(yōu)化解釋方案。

采空區(qū)在未充水時(shí)，通常表現(xiàn)為高阻異常區(qū)，當(dāng)其充水時(shí)，它的電阻率會(huì)急劇下降，低于其圍巖，表現(xiàn)為低阻異常區(qū)。從解釋成果圖可以看出，7個(gè)采空區(qū)域均有條帶狀分布特征，且都表現(xiàn)為ρS<30Ω·m，由此推斷采空區(qū)均充水。未發(fā)現(xiàn)未充水采空區(qū)。最基本的問題是有效數(shù)據(jù)的分辨。不僅指本方法，其它物探方法也如此。在數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，我們必須能有效地分辨：采集到的數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)，簡單講就是：原始數(shù)據(jù)是否真實(shí)？一些技術(shù)人員需要得到高密度電阻率法解釋方面的幫助，可實(shí)際上，其原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量太差，根本無法進(jìn)行資料解釋，原始數(shù)據(jù)不行，就是再高級的大師也無法幫忙。如果在得到此類數(shù)據(jù)卻不自知的話，其后果可想而知。這種情況在初學(xué)者中很普遍，在一些多年的“老手”也會(huì)存在，如果其未對此進(jìn)行過深入思考的話。

不同觀測方式對數(shù)據(jù)成果的影響：目前，高密度電阻率法儀器發(fā)展迅猛，高密度儀器幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有的電阻率法觀測?？傮w上，該研究者比較贊同對高密度電阻率法觀測方式的兩大分類：剖面類觀測方式和測深類觀測方式。因此，對現(xiàn)場作業(yè)及處理進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按如下原則對觀測裝置做出選擇：當(dāng)場地條件許可時(shí)，盡量采用剖面類觀測方式，特別是首選四極剖面裝置，因?yàn)檫@種觀測方式正是集中了電剖面和電測深法的優(yōu)點(diǎn)，而其采集點(diǎn)分布更為均勻合理，在不少場合、不同要求的勘探項(xiàng)目中均可取得好的效果。在剖面觀測時(shí)，解釋資料的反演應(yīng)以二維剖面為主，單點(diǎn)測深、水平曲線分析為輔。而當(dāng)場地限制只能采用測深類裝置時(shí)，應(yīng)盡可能改善各點(diǎn)的接地條件，解釋資料的反演應(yīng)以單點(diǎn)測深反演為主，二維剖面為輔，特別是解釋出直立狀接觸帶時(shí)，切記要謹(jǐn)慎。

本區(qū)實(shí)際綜合應(yīng)用時(shí)，當(dāng)無其他可靠資料進(jìn)行確認(rèn)時(shí)，鑒于謹(jǐn)慎性原則，應(yīng)暫把三維地震和高密度電法圈定的采空區(qū)稱作疑似采空區(qū)。當(dāng)三維地震與瞬變電磁圈定的疑似采空區(qū)吻合度較高時(shí)，即可認(rèn)定采空區(qū)可信度較高，并通過鉆探進(jìn)一步確認(rèn)；當(dāng)其他兩種情況出現(xiàn)時(shí)，則采空區(qū)的圈定有很大的不確定性，并不排除多解性，很多情況是由其它地質(zhì)因素導(dǎo)致，而采空區(qū)僅為可能之一。

5 結(jié)語

對煤層采空區(qū)利用地震時(shí)間剖面反射波特征進(jìn)行解釋，在技術(shù)上理論是可行的，而實(shí)例說明只要選用合理的施工參數(shù)，進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厥┕?，對資料采取精細(xì)地處理，運(yùn)用多樣化得當(dāng)?shù)馁Y料解釋方法和手段，利用地震時(shí)間剖面上反射波特征，結(jié)合屬性平面解釋，是可以完成采空區(qū)解釋任務(wù)的，而最經(jīng)濟(jì)適用和行之有效的探測采空區(qū)方法是采用三維地震勘探。

影響煤礦生產(chǎn)效率的主要地質(zhì)因素是地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)，單一勘探方法存在固有的局限性為：多解性、不確定因素多，等，為了更好的解決這兩大地質(zhì)問題只有采用綜合勘探方法，而結(jié)合三維地震和高密度電法進(jìn)行勘探，能夠?qū)崿F(xiàn)相互印證、得到優(yōu)勢互補(bǔ)，從而顯著提高解釋成果的可靠性，進(jìn)而對高產(chǎn)高效的礦井生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)保障。探查煤礦采空區(qū)時(shí)，綜合運(yùn)用兩種方法要注意：（1）嚴(yán)格按照施工要求，規(guī)范地做好數(shù)據(jù)采集工作；（2）對生產(chǎn)礦井進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，結(jié)合相互驗(yàn)證，排除多解性；（3）為避免解決地質(zhì)問題的片面性，應(yīng)充分利用已知資料（如鉆探、測井、巷道、水文地質(zhì)，等）進(jìn)行綜合分析。

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