煤矿老空区地面探测技术及其应用

2011-12-06李文

中国矿业 2011年5期

李文

(煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京100013)

煤矿开采后形成采空区。在上世纪80年代,不少煤矿均采用较为落后的“房柱式”或“巷柱式”的炮采采煤方法,小窑、小煤矿星罗棋布,矿井开挖无设计、无图纸、无记录,小窑的采空区范围和状态都没有详细记录和数据[1,2]。据现场调查,这些老采空区有些顶板已垮落,造成地表塌陷;有些顶板尚未垮落,从地表看不到老空区存在;有些老空区已自燃,有些老空区正在着火;有些老空区已积水等等。上述问题业已或必将为上下煤层及邻近区域开采带来重大的安全隐患。2007年3月14日内蒙鄂尔多斯市西梁圪旦煤矿104盘区采空区突然发生顶板大面积垮落,冲击气浪造成井下1人重伤事故;2010年3月28日13时40分,中煤集团华晋焦煤公司王家岭矿发生透水事故,造成153人被困井下,经初步推断就是由于掘进过程中与原有老空区积水贯通所致,尽管救援非常成功,但造成的损失是巨大的,由此也造成了恶劣的社会影响。有鉴于此,煤矿老空区探测业已引起社会和煤炭行业的高度重视。本文在分析煤矿老空区地球物理特征的基础上,介绍了4种地面探测技术,并结合探测实例,总结了各探测技术的应用效果,为今后老空区探测提供一定的借鉴经验。

1 煤矿老空区地球物理特征

煤层赋存于成层分布的煤系地层中,煤层被开采后形成采空区,破坏了原有的应力平衡状态。当开采面积较小时,由于残留煤柱较多,压力转移到煤柱上,未引起地层塌落、变形,采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来;但多数采空区在重力和地层应力作用下,顶板塌落,形成冒落带、裂隙带和弯曲带。这些地质因素的变化,使得采空区及其上部地层的地球物理特征发生了显著变化,主要表现为[1-3]:

1)煤层采空区冒落带与完整地层相比,岩性变得疏松、密实度降低,其内部充填的松散物的视电阻率明显高于周围介质,在电性上表现为高阻异常;煤层采空区裂隙带与完整地层相比,岩性没有发生明显的变化,但由于裂隙带内岩石的裂隙发育,裂隙中的充入空气致使导电性降低,在电性上也表现为高阻异常;煤层采空区冒落带和裂隙带若有水注入,使得松散裂隙区充盈水分达到饱和的程度,会引该区域的电导率迅速增加,表现为其视电阻率值明显低于周围介质,在电性上表现为低阻异常。这种电性变化为以导电性差异为应用前提的高密度电法、瞬变电磁法和 EH-4大地电磁法等方法的应用提供了地球物理应用前提。

2)煤层采空区与完整地层相比,地层变得疏松,介质的密度降低,同时使传播于其中的地震波速度下降。而它不论被什么介质所充填,在其边缘部位都存在一个明显的波阻抗反射界面,采空区内介质和围岩介质的波速存在明显的差异。浅震地震法正是利用这一物理前提来探测煤矿老空区的。

2 煤矿老空区地面探测技术

目前煤矿老空区地面探测技术主要包括地球物理探测法和钻孔钻探法。钻孔钻探法作为一种最为直观的探测方法,具有探测精度高的优势,但钻孔钻探毕竟只是“一孔之见”,且工程量大、进度慢、控制范围小的缺点也显而易见。因此,煤矿老空区地面探测往往采用以地球物理探测方法为主,钻探验证为辅的技术方法。目前煤矿老空区地面探测比较成熟的方法主要有以下4种。

2.1 高密度电法

高密度电阻率法是常规电阻率法的一个变种,就其原理而言,仍是以岩石的电性差异为基础的一类勘探方法。通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来推断煤矿老空区是否存在。它实际上是一种阵列勘探方法,野外测量时只需将全部电极 (几十至上百根)置于测点上,然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现数据的快速和自动采集,当将测量结果送入微机后,还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。

高密度电法探测具有以下特点[4,5]:①电极布设一次完成,可减少因电极设置而引起的故障和干扰,可进行野外数据的快速和自动采集;②能有效的进行多种电极排列方式的扫描测量;③可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态,脱机处理后还可自动绘制和打印各种成果图件;④与传统电阻率法相比,成本低、效率高,信息丰富,解释方便,探测能力显著提高。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法,简称 TEM,属于电磁感应类探测方法,它遵循电磁感应原理,其机理就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应,即利用一个不接地的回线或磁偶极子 (也可以用接地线源电偶极子)向地下发射脉冲电磁波作为激发场源 (习惯上称为“一次场”),根据法拉第电磁感应定律,脉冲电磁波结束以后,地层或地质目标体 (煤矿老空区)在激发场 (即“一次场”)的作用下,其内部会产生感生的涡流,产生电磁场 (习惯上称为“二次场”),这种涡流有空间特性和时间特性。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性,可以推测解译地层或老空区的几何和物性特征。

瞬变电磁法探测具有如下特点[6-7]:①观测的是“二次场”即纯异常场,不存在一次场的背景干扰;②对高阻层的穿透能力强,对低阻层有较高的分辨能力;③可采用同点组合装置 (中心回线或重叠回线)进行观测,与探测目标达到最佳耦合,取得异常响应强,形态简单;④地形影响小,测量简单,工作效率高。

2.3 EH-4大地电磁法

EH-4大地电磁法属于部分可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统,深部构造通过天然背景场源成像 (M T),其讯息源为 10Hz～100k Hz,浅部构造则通过一个新型的便携式低功率发射器发射1k～100k Hz人工电磁讯号,补偿天然讯号的不足,从而获得高分辨率的成像。

EH-4大地电磁法具有以下特点[8,9]:①采用人工场源与天然场源共同作用的方式,人工场源弥补了天然场源的在某些频段的不足,使该系统在10Hz～100k Hz的范围内获得连续的有效信号。人工场源对解决浅部地质问题尤为有用;②受高阻覆盖层影响小,在玄武岩覆盖地区、基岩大面积出露地区,甚至在某些沙漠覆盖区,均能有效地勘探地下深部地质信息;③测量系统和发射装置都比较轻便,测量速度快;④具有较高的分辨率,为勘探某些小的地质构造和区分电阻率差异不大的地层提供了可能性。

2.4 浅层地震法

浅层地震法主要依据是通过追踪被采煤层的反射波,视其在勘查剖面上的变化来确定采空区是否存在,并圈定其边界。众所周知:采空区形成了和地层完全不同的波阻抗差异。同时,采空区易形成自然塌陷,即煤层顶板和上覆地层自然塌陷充填采空区,致使上覆地层松散。因此,由于采空区的存在,在沿测线进行地震反射波法勘探时煤层的地震反射波会出现以下变化:①不能形成能量强、连续性较好的反射波组;②反射波组能量明显减弱或消失;③反射波的频率变低;④采空区下部煤层的反射波组能量变弱,连续性变差。

浅层震法探测具有以下特点[10]:①对地层及连续地质体有较好的反映,可进行连续勘探;②与一般地震勘探相比,观测系统设计灵活,道间距小,采样间隔小,效率高。