综合物探技术在整合煤矿复杂采空区勘探中的应用

王 晶，张建州，范庆荣，李海波

(山东省煤田地质局物探测量队，山东泰安271021)

地质与勘测

综合物探技术在整合煤矿复杂采空区勘探中的应用

王 晶，张建州，范庆荣，李海波

(山东省煤田地质局物探测量队，山东泰安271021)

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Technology in Prospecting Complex Gob in Integrated Coal Mine

小煤窑在整合前对采空区的勘查是安全生产中的一项非常重要的工作，采用物探技术对煤层多、煤层采空区不规则等复杂采空区进行勘查具有成本低、见效快、精度高的优势。通过三维地震和瞬变电磁法技术对张村井田中多煤层采空区进行勘探，基本查明了该井田采空区范围和剩余煤层赋存情况，从而为张村井田进一步整合复工提供参考。

采空区;三维地震;瞬变电磁法;勘探

煤矿采空区一直是煤矿安全开采的隐患，尤其在小煤窑较多、开采不规律的情况下，煤矿整合要更加注重对整合前小煤窑采空区的调查。为查明张村井田区内二1煤层、一4煤层和一2煤层的采空区范围、富水状况，在该井田进行了三维地震勘探和瞬变电磁法勘探工作，取得了良好的效果。

1 张村井田勘探区概况

(1)井田地表 张村井田地处太行山向华北平原过渡地带，属丘陵地形。区内冲沟发育、村庄较多、砖瓦厂、采石场遍布，同时地表许多区域遍布砾石，部分岩石出露地表，以及小煤窑开采不规则等。

(2)井田煤层赋存 张村井田主体为一断陷构造盆地，地层倾角一般在10～25°，局部达30°。轴部在勘查区中部偏西的断层处，呈浅部较缓、深部变陡的趋势，轴部最深处煤层埋深达850m，相对高差较大。地表井田地形总体呈西北高、西南低。钻孔资料显示，该井田实际主采煤层3层，且煤层十分不稳定，厚度0.8～6m。

(3)井田采空区 张村井田小煤窑没有完整的勘查资料，井口布置不规律。通过对现有该区资料分析发现，由于当时技术力量有限，现有资料的井口位置坐标因误差较大而无法利用。

(4)井田采空区主采煤层 该区主采煤层为石炭系太原组一2煤，全区可采;太原组一4煤，大部可采;二叠系山西组二1煤，局部可采。主要煤层埋深一般为150～800m，煤层埋深变化较大，原开采无规律，同时该井田构造复杂，小断层较多，导致采空区分布复杂。

2 煤层采空区的地质与地球物理特征

2.1 采空区地质特征

本区位于华北晚古生代聚煤盆地的南部，处于华北板块板内太行构造区太行断隆区东南部。太行断隆区地质演化大致可分为3个阶段:沉积埋藏阶段(C2～T)、抬升剥蚀阶段 (T3末～K)、局部沉降阶段 (R+Q)。区域地层属华北地层区太行小区地层，由老到新发育有太古界、下元古界、上元古界震旦系、下古生界寒武系和奥陶系、上古生界石炭系和二叠系、新生界古近系和新近系。

2.2 采空区的地震波特征［1］

煤层及含煤岩系由于成因不同而表现出不同的分布状态，多呈现为层状沉积、层状展布。正常情况下，煤层反射波是连续的、有规律的同相轴。当煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力状态，使原有地层错动、产生裂缝、发生塌陷等，此时煤层反射层的介质和形态、深度都有改变，困此反射波在频率、振幅及时间上都会出现异常。当采空区未被充填时，煤层反射波消失，当上覆地层塌落、回填，则采空区的反射波凌乱、一定范围内的反射波同相轴向下错动，呈现出松散、塌落形态。

2.3 采空区的电性特征［2］

瞬变电磁法是物探的主要手段之一，同地震勘探一样也是利用物性差异来了解地下地质体情况，这种差异体现在地质体的电性上。当煤层完整、没有开采时，该煤层层位的电阻率值起伏不大;当采空区保存完整且基本上未冲水时，在电性上为高电阻率值反映，而采空区或者采空后塌陷有导水裂隙而充水时，则表现为低电阻率值。根据张村井田现有开采资料可知，该区采空区基本都充水，所以该区的采空区应为低电阻率特征反映。

3 三维地震勘探在中深部采空区中的应用

3.1 三维地震野外施工观测系统

由于张村井田煤层深度变化较大，根据这种特点，在三维区野外数据采集阶段分别采用了3种8线8炮制观测系统。埋深200m以浅煤层区域观测系统采用横向炮距20m，纵向炮距40m、道距10m、48道接收，线距40m，24次覆盖的观测系统;煤层埋深200～350m，观测系统采用横向炮距20m，纵向炮距60m、道距10m、60道接收，线距40m，20次覆盖的观测系统;埋深350m以深，观测系统采用横向炮距20m，纵向炮距80m、道距20m、72道接收，线距40m，36次覆盖的观测系统。通过以上观测系统的选择，可以有效地提高张村井田中深部的采空区地震资料采集的质量，为地震资料内业采空区资料分析奠定了基础。

3.2 三维地震对单煤层采空区的识别

3.2.1 对上层煤采空区的识别

三维地震勘探具有高分辨率的特点，张村井田由于上层可采煤层二1煤较厚，开采工艺简单，所以大部分小煤窑把上层可采煤层开采完毕。时间剖面上3个主要开采煤层分别对应3个地震时间剖面同相轴层位 (分别为T21波、T14波、T12波)。当第1个时间剖面二1煤层 (T21)位被采空时，同相轴发生缺失 (见图1圈出采空区域)。

图1 上层煤采空区时间剖面

3.2.2 对下层煤采空区的识别

由于该区二1煤层较厚、较浅，局部区域厚度达6m，在村庄边缘如果开采二1煤，容易引起房屋塌陷等现象。所以在个别房屋、工厂等障碍物下发现开采下层煤层，保留上层煤的现象。同时张村井田二1煤很不稳定，在该勘探区南部二1煤没有达到可采厚度，也会出现开采下层煤保留上层煤的的迹象(见图2)。

图2 下层煤采空区时间剖面

3.3 三维地震对多煤层采空区的识别

3.3.1 对2层煤采空区的识别

张村井田由于很多小煤窑含水量特别大，给开采带来很大风险，尤其是一2煤和奥灰水只间隔20m左右，所以该区大部分小煤窑都只开采了上面2层煤。在三维地震时间剖面上显示为上2组煤层即二1煤、一4煤反射波缺失，下组一2煤反射波由于受到上面层位的屏蔽和本身煤层较薄的原因，在本区大部分区域反映不是很明显，但仍能够辨别出上2层煤开采完后一2煤层反射波组并没用发生采空的迹象 (见图3)。发现个别小煤窑上层二1煤保留，下2层煤被开采的痕迹。

图3 2层煤采空区在时间剖面上的显示

3.3.2 对3层煤采空区的识别

张村井田在南北边界露头处由于含水量小，开采容易，多个小煤窑发现二1煤、一4煤、一2煤3层可采煤层都被采空。在时间剖面上显示3组同相轴在遇到采空区时全部突然消失，在本区内岳阳矿小煤窑得到证实(见图4)。

图4 3层煤采空区时间剖面

4 瞬变电磁法在张村井田采空区中的应用

4.1 瞬变电磁法对采空区的识别［4］

根据测区特点分别对该区浅部和深部进行试验。首先在测区北部进行了试验工作，最终确定参数为:浅部频率6.25Hz，发射框400m×400m，增益21～23db，电流14～16.0A，积分时间30s 2次;深部频率6.25Hz，发射框600m×600m，增益21～23db，电流16～18.0A，积分时间30s 2次。

在8740～9060号测点之间，50～300m标高位置，二1煤、一4煤及奥陶系顶界面附近，视电阻率等值线向下凹，并在横向上有一定延展，电阻率值相对较低，推断该位置煤层已经被开采 (见图5)。正常情况下同一岩层的视电阻率值差异较小，但当某一地段岩层发生变动成为采空区富水时，其视电阻率值偏低，因此电性的差异在一定程度上反映采空区的情况。

图5 采空区在视电阻率拟断面图上的显示

4.2 瞬变电磁法和三维地震在二1煤层应用情况

地震和电法对采空区的勘探各有优势，地震可以有效地通过同相轴的强弱、断缺来判断采空区的位置，但易受上覆煤层的影响，对大倾角地质体进行勘探时选择的偏移量也带来较大误差，瞬变电磁法受建筑物干扰较严重，多解性更复杂，通过在该区运用2种不同物探方法相互验证，综合分析后可以更精确地查明煤矿采空区的分布范围。图6为二1煤层采空区范围俯瞰图 (空白部分为采空区范围)，通过电法进行验证后发现，瞬变电磁法勘探出的富水区域 (图7)基本和地震勘探成果吻合(勘探区中间深部没有进行瞬变电磁法勘探)。

图6 二1煤层地震采空区俯瞰

图7 二1煤层瞬变电磁顺层切片

综合分析该区二1煤层采空区和富水情况，分别包括测区北部富强、富达、山前、协和煤矿大部分区域，马务、东鑫、裴寨二号煤矿大部分区域和宏升煤矿小部分范围。测区北部富强、富达煤矿大部采空区电阻率低，山前、协和煤矿采空区富水性也较强，测区南部马务、东鑫、裴寨二号及宏升煤矿采空区电阻率较低，最低达20Ω·m，采空区全部充水，其中马务煤矿本次圈定富水异常区比地震推断采空区范围略大。

5 结论

在用物探方法对煤矿采空区进行勘探时，综合利用地震勘探和瞬变电磁法可以有效地提高勘探精度。张村井田通过后期的钻孔验证以及巷道掘进情况对比，物探的采空区范围和实际采空区范围吻合较好，充分证明了物探技术对采空区勘探的有效性。但物探技术也有其自身技术的局限性，当煤层较薄而且是下层煤时，地震反射波反映在时间剖面上能量较弱，同相轴连续性差，有时候会被误认为采空区;瞬变电磁法在采空区没有充水时勘探精度较低。因此，需要利用地震和电法2种物探方法进行综合分析，从而提高物探对复杂采空区的分辨率，保障煤矿安全生产。

［1］马 丽，刘 江，等.地震勘探在采空区探测方面的应用［J］.山西煤炭，2008(2):90－92.

［2］吴成平，胡祥云.采空区的物探勘查方法［J］.地质找矿论丛，2007，22(1):19－23.

［3］王 晶，山东省煤田地质局物探测量队.河南新乡焦煤矿业开发有限公司张村井田地震勘查报告［R］.山东泰安:山东省煤田地质局物探测量队，2011.

［4］冒我冬，山东省煤田地质局物探测量队.河南新乡焦煤矿业开发有限公司张村井田瞬变电磁勘查报告［R］.山东泰安:山东省煤田地质局物探测量队，2011.

［责任编辑:施红霞］

TD15 P631

B

1006-6225(2012)04-0021-03

2012－06－21

王 晶 (1983－)，男，江苏响水人，工程师，主要研究方向为煤矿地球物理勘探地震和电法方法。