煤礦老空區(qū)綜合探測技術(shù)研究

張博輝，嚴(yán) 戈，張奮軒，王建虎，李 銘

（1.陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安 710001；2.西咸新區(qū)灃東新城自然資源局，陜西 西安 710116；3.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005）

0 引言

煤礦閉坑后，由于停止抽排水，廢棄巷道和采空區(qū)內(nèi)會(huì)富集大量地下水和有害氣體，對(duì)人員和設(shè)備有極大的潛在危害。尤其是開采年代久遠(yuǎn)的小煤礦，其開采狀況和范圍等沒有資料可查，地表又無明顯的坍陷跡象，老空區(qū)空間形態(tài)難以判斷，積水情況更無規(guī)律可循，一旦導(dǎo)通老空區(qū)，極易造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。如山西王家?guī)X煤礦老空區(qū)透水事故造成38人死亡。

由于老空區(qū)周邊地質(zhì)條件復(fù)雜，形成時(shí)間不明、開采背景條件不清，對(duì)老空區(qū)探測是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作。目前常用的采空區(qū)探測方法有物探和鉆探兩種［1］，物探分為電磁法和地震法等，相比于鉆探方法，物探方法成本低、周期短，因而是采空區(qū)探測常用的方法。張麗蕾［2］采用瞬變電磁法探測了某煤礦采空區(qū)富水性。但由于電阻率值的受控因素較多，所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性需要在實(shí)際工作中不斷驗(yàn)證和校正。李元杰［3］采用三維地震技術(shù)探測了小煤窯采空區(qū)，其結(jié)果與開采揭露情況基本相符。三維地震同樣容易受人類工程活動(dòng)的影響，存在多解性，其探測結(jié)果的可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。綜合應(yīng)用三維地震和瞬變電磁法確定采空區(qū)位置的正確率為67%，結(jié)合鉆孔驗(yàn)證是提高采空區(qū)探測準(zhǔn)確率的有效手段［4-6］。因此，采用多種方法的綜合探測采空區(qū)技術(shù)成為大部分研究所采用的方法。

由于歷史原因，過去20年內(nèi)，小煤窯在某國有大礦周邊常年開采淺部煤層，且可能存在越界采掘行為。這些開采活動(dòng)形成的采空區(qū)隱蔽性強(qiáng)，隨意性大，充水量不詳，為該國有礦后續(xù)的資源開發(fā)和采區(qū)布置帶來了極大的困擾。本文采用物探與鉆探相結(jié)合的方法，綜合探測老空區(qū)范圍和富水性，為礦井開采設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 地震條件

1.1 表層地震地質(zhì)條件

研究區(qū)地處毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原接壤地帶，地表基本被第四系松散沉積物所覆蓋，沖溝較多。地形復(fù)雜，溝梁縱橫，地形相對(duì)高差較大，最高點(diǎn)地表高程約為1 202 m，最低點(diǎn)高程約為1 004 m，最大高差約為198 m，如圖1所示。區(qū)內(nèi)有一條在建鐵路施工，另外，區(qū)內(nèi)西部邊界村莊較多，農(nóng)田植被較多，復(fù)雜的地形條件不僅給測線布設(shè)、儀器設(shè)備搬運(yùn)帶來相當(dāng)大的困難，而且給資料處理時(shí)靜校正工作增加了困難。綜上所述，該區(qū)表層地震地質(zhì)條件較差。

圖1 勘探區(qū)3D地形示意圖

1.2 淺部地震地質(zhì)條件

研究區(qū)淺部地層主要為風(fēng)積沙及第四系黃土層，根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料揭露，黃土層平均厚度約60 m。松散的黃土層及沙層對(duì)地震波的吸收衰減極為強(qiáng)烈。復(fù)雜多變的淺層地層結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的激發(fā)、接收均不利。淺層地震地質(zhì)條件也較差。

1.3 深部地震地質(zhì)條件

本區(qū)主要可采煤層厚度較厚，埋藏適中，煤層與圍巖的速度與密度差異明顯，是較好的波阻抗界面，可形成連續(xù)對(duì)比追蹤的反射波，本區(qū)深層地震地質(zhì)條件良好。

1.4 地震物探的技術(shù)難點(diǎn)

本區(qū)表層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，突出表現(xiàn)在低降速帶厚度變化大；表層巖性變化大；表層速度橫向變化大。從而帶來了如何合理確定激發(fā)參數(shù)，以保證激發(fā)效果和如何提高靜校正精度，提高地震剖面成像質(zhì)量問題。為此，針對(duì)性地制定了應(yīng)對(duì)的技術(shù)策略。

精細(xì)表層結(jié)構(gòu)調(diào)查：利用多方式進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查，提高表層調(diào)查的精度，查清不同地表巖性分區(qū)邊界，為激發(fā)參數(shù)設(shè)計(jì)和靜校正工作提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

針對(duì)性激發(fā)因素試驗(yàn)：針對(duì)不同的地表類型，進(jìn)行有針對(duì)性的激發(fā)因素試驗(yàn)，確定合理的激發(fā)因素設(shè)計(jì)模型。

分區(qū)設(shè)計(jì)激發(fā)因素：優(yōu)選激發(fā)點(diǎn)位，利用表層調(diào)查資料分區(qū)設(shè)計(jì)激發(fā)因素，保證在高速層中激發(fā)。

優(yōu)選靜校正方法：綜合對(duì)比高程、模型、大炮初至等不同靜校正方法，提高靜校正精度，確保地震剖面的成像效果。

2 老空區(qū)探測及成果

2.1 探測方法

本研究的目的是確定煤礦待采區(qū)相鄰地段有無越界開采，若有越界開采，需要圈定越界開采采空區(qū)分布范圍，為下一步開采設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)，保證采掘工作不受老空區(qū)及其積水的威脅。

在認(rèn)真分析研究區(qū)已有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，本研究以綜合勘查、綜合評(píng)價(jià)為原則，從經(jīng)濟(jì)、有效的角度出發(fā)，采用物探和鉆探相結(jié)合的方法綜合確定老空區(qū)。首先通過三維地震、瞬變電磁法對(duì)勘查區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)分布、積水情況，煤層上覆地層富水區(qū)進(jìn)行定性圈定，之后對(duì)物探圈定的采空區(qū)范圍用鉆探工程進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定采空區(qū)分布范圍、積水等分布情況。

2.2 物探工作布置

三維地震：依據(jù)設(shè)計(jì)，三維地震勘探工作量共計(jì)14束線，試驗(yàn)點(diǎn)1處，物理點(diǎn)30個(gè)，滿30次覆蓋面積為2.27 km2，CDP覆蓋面積為4.54 km2，線束物理點(diǎn)2 290個(gè)。

瞬變電磁法：電法勘探測線的布置一般是基本垂直于地質(zhì)構(gòu)造及地層走向布置，從而達(dá)到最佳的耦合效果，故本次瞬變電磁法測線呈東西向布設(shè)，基本垂直區(qū)內(nèi)地層走向，測網(wǎng)采用40 m×20 m的網(wǎng)度，即線距為40 m，點(diǎn)距為20 m。共設(shè)計(jì)瞬變電磁測線69條，坐標(biāo)點(diǎn)3 056個(gè)，試驗(yàn)點(diǎn)30個(gè)，檢查點(diǎn)120個(gè)，總計(jì)物理點(diǎn)3 206個(gè)，控制面積2.27 km2。

機(jī)械巖心鉆探：在物探解釋采空區(qū)范圍布設(shè)鉆孔。在工作區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)3組鉆孔，每組3個(gè)鉆孔（3鉆孔必須在一條直線上）。9個(gè)鉆孔預(yù)計(jì)單孔孔深為360 m，合計(jì)3 240 m（鉆孔組數(shù)、個(gè)數(shù)、進(jìn)尺以物探基礎(chǔ)上的鉆探設(shè)計(jì)和工程驗(yàn)收為準(zhǔn)）。

2.3 成果解釋

三維地震方法：三維地震資料解釋工作是在工作站上利用解釋系統(tǒng)完成的。在處理后的三維數(shù)據(jù)體上進(jìn)行人機(jī)交互解釋，可以將垂直剖面、水平切片和其它剖面結(jié)合在一起，更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)地下地層三維構(gòu)造。3#煤層反射波命名為T3波，它是本區(qū)主要的標(biāo)志層反射波之一，也是時(shí)間剖面對(duì)比解釋的主要依據(jù)之一。T3波在時(shí)間剖面上表現(xiàn)出能量強(qiáng)、信噪比高、連續(xù)性好的特點(diǎn)，易于連續(xù)追蹤識(shí)別。①在三維數(shù)據(jù)體中，切出聯(lián)接鉆孔密集的聯(lián)井剖面及其它聯(lián)井剖面，使各斷塊及層位閉合一致；②在聯(lián)井剖面大框架的基礎(chǔ)上，依80 m×160 m規(guī)則的CDP網(wǎng)格，參照聯(lián)井剖面大框架閉合點(diǎn)采用上述同相軸識(shí)別方法進(jìn)行閉合追蹤，然后加密至40 m×40 m的CDP網(wǎng)格，形成一個(gè)較完整的總體構(gòu)造框架；③加密至5 m×5 m的CDP網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)解釋。

三維地震成果：地震勘探在解釋過程中充分借鑒了瞬變電磁成果，最終在A區(qū)解釋了1處采空區(qū)，如圖2所示，位于A區(qū)中南部勘探邊界處，東西長約1 440 m，南北寬約310 m，面積約313 735 m2，該采空區(qū)最北部距南部井田邊界約310 m。采空大部地段為中高阻異常特征，僅在西部邊界附近表現(xiàn)為低阻特征，結(jié)合地質(zhì)資料，西部為煤層底板較低的地方，相比較而言其附近含水可能性較大。

瞬變電磁方法：瞬變電磁勘探成果分析推斷應(yīng)做到：①根據(jù)單點(diǎn)解釋判斷層位，確定深度解釋系數(shù)，對(duì)全區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度校正；②將校正后的數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，繪制等視電阻率斷面圖及平面圖；③根據(jù)平面異常及視電阻率等值線斷面變化特征，結(jié)合已知地質(zhì)資料和三維地震結(jié)果，最終確定采空區(qū)異常范圍。

圖2 三維地震確定采空區(qū)圖

瞬變電磁法成果：瞬變電磁測線344線位于研究區(qū)A區(qū)南部邊界距離井田邊界約90 m處，其上方存在地震解釋疑似采空段。由于本區(qū)地層電阻率差異較小，故結(jié)合二次電位值和視電阻率值進(jìn)行綜合分析。從圖3中可以看出地層從上到下視電阻率等值線變化特征為：①縱向上，視電阻率隨深度的增加呈先降低后升高變化，淺部中高阻電性層為直羅組和安定組地層的特征反映，而中部相對(duì)低阻層則為煤系地層反映，深部高阻層則為永坪組地層的特征反映；②橫向上，視電阻率等值線基本呈水平層狀，反映了地層層狀分布的特點(diǎn)；部分地段出現(xiàn)高阻凸起或者低阻凹陷，此類電性異常需結(jié)合地質(zhì)資料征集三維地震結(jié)果最終確定其異常特性。在344線共存在電性異常區(qū)三處，其中1400—2100段為低阻異常，但由于其附近村莊隧道影響較大，可靠性有所降低；2240—2980段和3100—3400段均為相對(duì)中阻異常，但異常3100—3400段表現(xiàn)為“漏斗狀”由淺到深均為低阻的特征反映，結(jié)合本區(qū)煤層為房柱式開采，完全塌陷的可能性較小，故分析認(rèn)為其為采空的可能性較小；而在2240—2980段三維地震在該段附近也有異常存在，綜合分析認(rèn)為該段異常為疑似采空的特征反映。

圖3 A區(qū)視電阻等值線斷面圖

電磁法解釋：圖4為3#煤視電阻率等值線平面綜合解釋成果圖。根據(jù)電法成果推斷解釋了2處采空異常，編號(hào)依次為YC-1、YC-2。另外，還解釋了3處3煤頂板巖層富水異常區(qū)，編號(hào)分別為FS-1、FS-2、FS-3，分析認(rèn)為掘進(jìn)至該位置處頂板會(huì)存在淋水現(xiàn)象，富水性相對(duì)較弱。①YC-1位于A區(qū)西部，為瞬變電磁反應(yīng)異常區(qū)，東西長約330 m，南北寬約316 m，面積104 498.83 m2，為一明顯的低阻異常；②YC-2位于A區(qū)中南部邊界范圍較大，東西長約1 020 m，南北寬約209 m，面積184 152 m2，基本呈東西向展布，為一中高阻異常。異常區(qū)富水性較弱，其范圍與三維地震解釋采空區(qū)范圍大部重疊；③FS-1、FS-2、FS-3為煤頂板巖層富水異常區(qū)，F(xiàn)S-1東西長約543 m，南北寬約222 m，面積79 373 m2；FS-2東西長約493 m，南北寬約357 m，面積118 102 m2；FS-3東西長約481 m，南北寬約963 m，面積299 403 m2，富水性相對(duì)較弱。

圖4 3#煤視電阻率等值線平面圖

物探采空區(qū)綜合解釋：結(jié)合地震勘探和瞬變電磁成果，最終圈定了1處疑似采空區(qū)（圖4 YC-2），其大部地段為中高阻異常特征，僅在西部邊界和中東部邊界附近表現(xiàn)為低阻特征，結(jié)合地質(zhì)資料西部邊界處為煤層底板較低的地方，相比較而言其附近含水可能性較大。

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法推斷了全區(qū)相對(duì)富水的地段。具體劃分富水原則為用平均值減去1/3的標(biāo)準(zhǔn)偏差，低于此值認(rèn)為相對(duì)富水，高于此值認(rèn)為相對(duì)不富水。

3 鉆孔驗(yàn)證

為了確認(rèn)物探解釋采空區(qū)范圍的可靠程度，采用機(jī)械巖心鉆探對(duì)物探解釋采空區(qū)范圍進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 鉆孔判斷采空區(qū)方法

驗(yàn)證原理：物探工程勘查結(jié)束后，采用機(jī)械巖心鉆探的方法對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證方法為通過施工鉆孔對(duì)物探成果進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)驗(yàn)證。根據(jù)物探解釋成果在疑似采空的地段施工驗(yàn)證鉆孔，若在物探解釋采空范圍內(nèi)驗(yàn)證鉆孔施工至采空區(qū)，則說明物探解釋的屬性、方法選擇正確，采空區(qū)范圍可靠；反之若一組鉆孔均未施工至采空區(qū)，則說明物探解釋采空區(qū)范圍不可靠，需重新分析解釋。

驗(yàn)證方法：①通過鉆探采取煤心、頂?shù)装鍘r心驗(yàn)證是否采空。煤心采取完整說明未采空，采取不到煤心視為采空；②鉆進(jìn)過程中若突然漏水并掉鉆，且只能采取煤層頂?shù)装宀糠謳r心，而煤心完全缺失或只能采取零星煤心，孔口出現(xiàn)負(fù)壓、吸風(fēng)即為采空。

保障措施：由于本區(qū)為房柱式開采形成的采空區(qū)，巷道較窄（小于4 m），因此物探確定孔位后為了保證驗(yàn)證率，孔位定測均采用RTK實(shí)測，根據(jù)反復(fù)試算，同時(shí)布置3個(gè)鉆孔（孔距28.8 m）即可判斷出采空區(qū)。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

在區(qū)內(nèi)共施工鉆孔6個(gè)，其中：

A區(qū)施工鉆孔4個(gè)（參數(shù)孔1個(gè)，驗(yàn)證孔3個(gè)）：YZ1號(hào)鉆孔為參數(shù)孔，YZ2號(hào)鉆孔施工至煤柱，YZ3號(hào)鉆孔施工至采空區(qū)，YZ4號(hào)鉆孔施工至采空區(qū)。通過3個(gè)驗(yàn)證鉆孔的施工，驗(yàn)證率為67%，說明本次A區(qū)物探解釋采空區(qū)采用的方法正確，手段合理，解釋范圍較可靠。

B區(qū)施工鉆孔2個(gè)：該鉆孔為采空區(qū)驗(yàn)證鉆孔，通過B區(qū)鉆孔的施工對(duì)三維地震初步解釋成果進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定B區(qū)無小煤礦越界開采情況。鉆孔施工情況見表1。

表1 驗(yàn)證鉆孔施工情況一覽表

4 結(jié)論

（1）利用物探手段解釋工作區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)范圍，根據(jù)物探解釋成果布設(shè)一定數(shù)量的驗(yàn)證鉆孔，輔以測井等勘查手段，對(duì)物探解釋采空區(qū)范圍進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)物探解釋采空區(qū)分布范圍進(jìn)行重新解釋，最終確定采空區(qū)分布范圍。該方法在探測煤礦采空區(qū)工作中可推廣使用。

（2）地下的煤層被采出后，在巖層內(nèi)形成一個(gè)有一定規(guī)模的空間，與圍巖相比，采空區(qū)的電阻為無窮大。但是隨著時(shí)間的推移，上覆巖層就會(huì)在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，地下水就會(huì)侵入，采空區(qū)的電阻率隨著發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)相對(duì)高阻或低阻異常區(qū)。同時(shí)煤系地層由于具備層狀分布的特點(diǎn)，正常地層情況下其在橫向上電性變化均一，如果存在采空塌陷就會(huì)出現(xiàn)電性異常，具體表現(xiàn)為電阻率等值線的扭曲、凹陷等特征，據(jù)此可以確定煤層采空的范圍。