综合物探法在矿井地质灾害勘查中的应用研究

冯军宏　艾晓康　苏鹏

[摘要]本篇介绍了采区地震勘探、瞬变电磁法的工作原理，并分析了其在煤矿地质灾害勘查中的应用及其效果。综合运用采区地震勘探、瞬变电磁法等工作方法，可以实现优势互补，提高物探的解释精度，查明煤矿地质灾害问题，对于矿山安全生产具有重要意义。

[关键词]综合物探法 煤矿地质灾害 地震勘探、瞬变电磁法 采空区

[中图分类号] P694 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-249-1

在煤炭开采过程中，断层、陷落柱、含水层（体）是不可忽视的灾害性地质异常体，它们破坏了煤层的连续性，严重降低了机械化采煤的效率，甚至可能引发透水、瓦斯突出等事故，给煤矿的安全生产带来威胁；煤矿采空区沉降对工农业生产和人民生活造成极大的影响或威胁，也对现有煤矿开采形成安全隐患。随着煤矿采掘机械化，开采规模、开采强度和深度的加大，煤矿地质灾害问题越来越突出，查明煤矿的地质灾害问题，对于安全生产意义重大。综合物探法在煤矿地质灾害勘查中应用十分广泛，研究综合物探法应用原理，及各类地质灾害中的优缺点，具有重要意义。

1常用综合物探方法介绍

1.1采区地震勘探

三维地震勘探提供剖面的、平面的、立体的地下地质构造图像，提高了对地下地质构造复杂多变地区地震勘探的精度。三维地震勘探可完成如下煤矿采区勘探任务：查出埋深1000m以内，落差大于3～5m的断层；查出主要煤层起伏大于5m的褶曲、主要可 采煤层底板深度，解释误差小于1% ～1.5% ；查出直径大于20m的主要煤层陷落柱；解释主要可采煤层厚度变化；预测主要可采煤层的分叉、合并带、冲刷缺失带；查明主要可采煤层的地下露头位置；划分奥陶纪灰岩岩溶裂隙发育带；圈定 主要可采煤层的自燃火烧区范围；对岩浆岩影响可采煤层的范围、焦化带进行划分；查明新生界厚度，对底部含、隔水层做出评价等，是常用的物探方法。

1.2瞬变电磁法

瞬变电磁法 （简称TEM）通过在不接地回线中或接地电极间供以方波电流，向地下间歇性地发送一次电磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场（按指数规律衰减），二次场的大小与地下地质体的电性有关。低阻地质体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大。高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，从而可以探测采空区及相关地质问题。该法基本不受地形影响，能克服高阻屏蔽层的影响，对低阻含水体特别灵敏，受体积效应影响小，纵横向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高，对水的探测有一定的效果。但探测地下采空区时只能给出地面位置与范围，不能进行定量解释（深度的计算）。且遇到周边或地表有金属结构和高压输电线时，测量数据会受到干扰，应用时受到了一定的限制。

2综合物探法的应用效果

2.1采区地震勘探应用效果

一般情况下，煤层与其围岩存在着明显的波阻抗差异， 一般当煤层厚度大于lm时，便可形成良好的煤层反射波。但是当有陷落柱、煤层采空及其顶板遭受破坏后，在地震时间剖面上表现反射波组的中断或消失，同时煤层顶部结构的不规则破坏，也将产生各种低频干扰，这些可作为识别陷落柱、采空区是否存在的标志。陷落柱柱体由块度大小不均，排列杂乱无章的上覆地层塌陷物充填胶结而成，充填物成分复杂、 松散、密度小、速度低，陷落柱附近及顶部围岩多为煤系地层的砂岩、泥岩或煤层，其沉积稳定，速度、密度与陷落柱相比，在横向和纵向上都存在明显的差异。根据三维地震解释成果，结合矿井生产与钻孔资料，对三维地震成果进行验证。三维地震成果与矿井和验证孔资料吻合很好，给矿方提供了极有价值的地质资料，矿方在生产中提前采取了防治措施，避免了巨大的经济损失。

2.2瞬变电磁法应用效果

采空区积水后及构造、陷落柱赋水其电阻率值比围岩的电阻率值明显降低，为瞬变电磁法勘探提供了良好的物性条件。通过利用瞬变电磁法，在探测采空区、构造、陷落柱是否富水，预防煤矿水害方面取得的地质成果得到了矿方开拓资料的验证、认可和好评。

2.2.1瞬变电磁法探测陷落柱

一般认为，煤田陷落柱形成与奥灰岩溶裂隙有关，由于岩溶裂隙的发育和扩大，周围地层受重力作用而塌落下沉，因此，陷落柱内部充填物常常成分复杂、比较松散，正常的地层沉积层序被打乱，陷落柱与煤层的接触边界存在明显的密度、速度、电性等物性差异。可以从电性剖面图中得到反映，陷落柱的低阻电性特征非常明显，与已知陷落柱位置、 大小及特征非常吻合。电性特征将为相邻工作区域的分析解释提供物性解释依据。

2.2.2瞬变电磁法勘察采空区

采空区上方的岩层由于没有下方支撑力的作用，因此容易在重力的挤压下发生塌陷变形，从而出现缝隙或者直接受压破碎，这种岩层变化很容易让地下水携带大量电解质通过岩层的缝隙和破碎处进入采空区，长此以往，在长期水解作用下，采空区的周围岩层会被电解从而产生游离状态的铁离子和钙离子，此时充水的采空区就具有了低阻高极化率的典型特征，而围岩本身在不充水的状态下具有电阻率高，低级化率的特征，若围岩受压变形越明显时其自身电阻率就越高，利用这种采空区岩层和周围围岩的电性特征差异，就可以利用瞬变电磁法对采空区的含水量及采空区的具体边界位置进行精确定位。

3结论

安全是煤炭企业发展的前提和保证，在工程实践中必须全面、系统地分析煤矿地质灾害与地质风险防治中的地球物理特征，合理布置综合物探方法，从不同物性特征研究煤矿煤层结构与岩性、水文地质、陷落柱与煤层的小构造，运用多学科的技术和手段进行处理和解释，才能取得较好的地质效果。物探方法具有多解性，在反演和解释过程中，常常会遇到多种解释结果，在这种情况下就需要和钻探方法结合，获取钻探的验证资料，或者选取两种不同原理的物探方法，互相弥补各自的不足，达到优势互补，从而有效避免单种物探方法的多解性和不确定性，获得较为理想的解释，提高物探的解释精度。

参考文献

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