煤矿采空区物探方法探讨

刘国平

【摘 要】大部分小煤矿没有保留下准确的地质资料，兼并重组整合煤矿普遍存在地质勘查工作程度低、地质情况不明，煤矿建设和生产存在安全隐患，将是制约安全生产的一大因素。因此进行采空区探测工作十分必要，目前探测采空区的物探方法较多，如瞬变电磁法、三维地震法、活性炭测氡法等。

【关键词】采空区；瞬变电磁法；三维地震；活性炭测氡

1.采空区形成机理

地下矿层采空后形成的空间称为采空区。当采空区出现后，打破了原有的应力平衡，上覆岩层失去支撑，产生移动变形，直到破坏塌落。采空区塌陷后，形成采空塌陷区。以煤层采空塌陷区为例，可将它分为3个带：①垮落带：煤层采空上部岩层出现坍落；②断裂带：冒落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，因而岩体出现大量裂隙，岩石的整体性受到破坏；③弯曲带：裂隙带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而未破裂。

2.采空区地球物理特征

2.1地震勘探的波组特征

煤层采空区塌陷垂直“三带”示意由于煤层与其顶底板岩层存在着较大的波速和密度差异，为一个非常明显的波阻抗界面，能够形成可检测的反射波。采空区的存在，致使地层原有物性条件遭到破坏，在煤层反射波组中表现为反射波同相轴的弯曲、减弱，直到消失，同时煤层顶部结构的不规则破坏，也将产生各种低频干扰，因此用地震方法可以探测地下煤层采空区的分布。

（1）采空区地震时间剖面判识。在沉积稳定煤层中掘进的工作面，人为地造成煤层局部的不连续性，使得地层局部物性条件发生突变（煤岩—空腔），表现在地震时间剖面上，势必造成在叠加剖面上的煤层反射波出现绕射波，在偏移时间剖面上则会出现“空白段”或“低能量”反射。

（2）采空区三维地震水平切片判识。三维地震水平切片是圈定采空区范围的另一种简单有效的方法。但其前提条件为：煤田三维地震资料在野外采集过程中无较大的“变观”；资料处理中严格按照“高信噪比、高分辨率、高保真度”原则进行。当煤层沉积相对稳定、煤层底板起伏形态局部变化相对平缓时，煤层反射波在水平切片中色彩稳定，无颜色突变现象出现；反之，当遇到采空区等地质异常体时，煤层反射波在水平切片中色彩将会出现颜色突变现象。

（3）采空区地震属性判识标志。地震属性是对地震数据的几何学、运动学、动力学和统计学特征的量度，地震属性分析技术是贯穿于应用研究、算法研究和综合软件系统的一种用来提取、存储、显示、分析、证实和评价地震属性的技术。地震属性的应用包括： 由时间得到的属性能提供构造的信息；振幅属性能提供地层和储层的信息；频率属性能提供薄互层的信息等。因为属性分析能够从空间上全局性地反映断层、采空区及陷落柱等构造的空间实际展布形态，被誉为地震解释的“放大镜”。在煤层沉积稳定，无采空区等地质异常分布，同时确保野外采集过程中无较大的“变观”存在，资料处理中严格按照" 高信噪比、高分辨率、高保真度"原则进行的前提下，属性分析图片中，煤层的属性特征分布连续，当遇到构造、地质异常、采空区的分布在水平切片上表现为规律性的、有一定展布规律的色彩变化。

2.2电性特征

瞬变电磁法是一种时间域的电磁勘探方法。在地表敷设不接地线框或接地电极，利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励，在大地产生过渡过程场，断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场，此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头测量。这种由地下介质产生的二次感应电磁场与地下介质的导电性有关，根据它的衰减特征，可以分析计算地下介质的电性，从而可以判断它们的规模、产状等信息。当地层完整，没有采空区时，电阻率断面电性特征明显。当地下的煤层被采出后，在岩层内形成一个有一定规模的空间，与围岩相比，采空区的电阻率为无穷大。但是随着时间的推移，上覆岩层就会在地球重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，采空区的电阻率随着发生变化，会出现相对高阻或低阻异常区。对于未充水采空区将呈现相对高阻特征，通过对比区内地层的电性差异，可以寻找这种煤层采空区。对于充水采空区，由于地下水的流动性及电离作用，电阻率将呈现相对低阻的特征。分析对比电阻率参数，及区内地层的电性差异，寻找低阻异常区可以寻找含水采空区的分布和划分含水范围。

2.3放射性特征

当地下煤层被采出后其上覆岩层会破碎、断裂，形成一定规模的裂隙带，破坏了岩体中原有的天然应力状态，引起应力重新分布，在裂隙周边易形成一个应力松动圈（即应力降低了的区域） 。这种情况往往会促使岩体内部的水分、气体由高应力区向低应力区转移。岩石破碎带、断裂形成之后，改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。主要表现为三个方面： 储气作用、集气作用和通道作用，通过上述种种作用，氡射气元素向岩石断裂破碎带运移，在裂隙集聚，在地表形成一个与采空（破坏） 区形态相应的氡异常区。在地表将活性炭测杯埋入地下40cm深的坑中，由于活性炭的强吸附作用，经过一定采集时间（一般5～7d）的静态累积吸附后，使得采集点附近的氡气被吸附在活性碳中，通过探测氡的衰变子体释放的特定能量γ谱线的计数，获取该点的氡值信息，这样能够最大限度的消除气象因素、钍射气因素等造成的干扰。因此，通过这种静态累积的能谱测量方式可以获得氡浓度的信息（实际是测量氡衰变所释放的γ射线的强度），达到圈定采空（破坏）区位置和范围的目的。

3.结论

根据不同目的层埋深，结合三维地震、瞬变电磁、活性炭测氡勘探方法特点，选择不同方法组合进行勘探，能够较好地解决了煤层采空破坏问题。经过长时间生产实践发现目前瞬变电磁处理软件对规模较小的采空区处理出来的结果并不理想，对电磁环境较差、高压线和人文设施等电磁噪声较大的区域勘探效果不佳。由于我国现代化进程比较快、矿业开采比较发达，使得瞬变电磁勘探区往往存在强的电磁干扰，而强噪声背景下的弱信号往往蕴含着重要信息。因此很有必要对以往勘探成果进行深度研究，对后期数据进行精细处理，力争解决瞬变电磁勘探资料去噪及弱信号提取技术问题。采用相关分析、小波分析等新方法研究 TEM 弱信号的提取问题，建立实用、有效的 TEM 探测弱信号处理方法技术是瞬变电磁法的一个发展方向。利用三维地震勘探技术探测煤田采空区位置和范围已取得了很好的效果，但是对于采空区下组煤的探测还处于探索研究阶段，这也将是三维地震勘探技术发展的一个方向。活性炭测氡探采空区存在一定的局限性，氡气运移受裂隙控制，随裂隙的变化而变化，因此其异常不能准确反映采空区平面位置，属定性测量方法，仅能控制采空区范围，难以确定采空区深度。另外活性炭测氡易受降水影响。多种勘探方法组合，解决采空区平面位置及埋藏深度势必为采空区勘探的发展趋势之一。

【参考文献】

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

[2]傅淑芳，刘宝诚.地震学教程[M].北京：地震出版社，1991.