综合物探方法在灵新煤矿采空区探查中的应用

梅超++路跃++职荣军

摘 要：采空区的存在对煤矿区生产、人民财产安全和工程建设造成极大的安全隐患。有效地探测采空区成为解决上述问题的关键。该文从采空区地球物理特征入手，采用三维地震、高密度电法的综合物探方法对采空区进行探测。三维地震勘探技术可查明直径大于20m的陷落柱，控制采空区边界，平面位置误差不大于20m。高密度电法是剖面法和电测深法的集中，在原理上与普通电阻率法相同，是一种阵列勘探方法，不同点是该方法在观测中设置了高密度的观测点；它具有较高的分辨能力，且勘探效率高，结合钻孔资料能进行一、二维反演，圈定电阻率异常区，从而确定采空区范围及充水情况。

关键词：物探技术 高密度电法 三维地震勘探 采空区

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0099-02

灵新煤矿隶属神华宁夏煤业集团有限责任公司，为国有企业矿井。为了矿井采掘接续的安排，要开拓布置新的工作面。新工作面为原磁窑堡镇所在地，现地面建筑物大部分已搬迁，该区域地质工作程度较低，分布有大量的老窑采空区，老窑集水情况不明。所以准确的查明老窑采空区和老窑集水情况对采区的开采及安全尤为重要。

1 煤层采空区的地质特征

勘探区内主要为原磁窑堡煤矿开采后遗留老窑采空区，主要开采上含煤组二、六煤层。开采方式通常为沿煤层露头下掘斜井。解放前后开采的极少数小窑（如48、58号小窑）则用小型竖井。因受开采技术限制，开采深度一般仅为40米左右，最深也不超过80米，沿走向最大长度可达百米左右。

2 煤层采空区的三维地震探查技术及应用

2.1 煤层采空区地震时间剖面的技术分析

对比性研究三维地震时间剖面后，发现采空区时间剖面会出现如下现象：反射波同相轴下凹时间发生延迟、反射波同相轴中断、不连续，等。换言之，不同煤层采空区的地质特征与不同的地震反射波特征相对应，这属于三维震探查老窑采空区的技术分析原理。煤层采空不外乎两种情况，其一是采空区上覆岩层塌陷，另外是煤层顶板未塌陷。

先看采空区上覆岩层塌陷。当遇到采空区面积较大，时间较长时，上覆地层塌落、回填则采空区在地震时间剖面上表现在几个方面：第一，反射波在一定范围内同相轴有下凹趋势，这是由于采空区塌陷变形，采空区上部出现速度降低，时间延迟造成的下拉现象，反射波同相轴相位在地震时间剖面上出现明显滞后。第二，当煤层采空区上部岩层裂缝发生波的散射时，反射波的振幅及波形在地震时间剖面上表现为，振幅降，反射波波形变得不规则、产生畸变。第三，由于煤层采空区引起的上覆岩层破坏区对地震波具有很强的吸收、频散衰减作用，反射波频率变化在地震时间剖面上表现为反射波的频率的降低。在地震时间剖面上识别煤层采空区时，可将上述不同的地震反射波特征作为重要标志。

2.2 三维地震探查采空区的应用实例

2.2.1 井田地质概况

灵新煤矿位于鄂尔多斯地台西缘褶皱冲断带上，依据本次三维地震勘探成果和钻探揭露资料，均表明补勘区内构造线总体走向为近南北，且向南倾伏，倾伏角0～10°。勘探区内的向斜两翼不对称，向斜西翼北部倾角较缓，南部倾角较陡，倾角12～30°；向斜西翼地层产状10°左右，东翼地层产状75°左右。矿区大部分面积被第四系地层所覆盖，属隐伏式煤田。根据钻孔揭露显示，补勘区内地层由老至新依次为：三叠系上统上田组（T3y）、侏罗系中统延安组（J2y）、中统直罗组（J2z）、第四系（Q）。含煤地层为侏罗系中统延安组（J2y），钻孔揭露厚度，最小314.08m，最大352.58m，平均厚度338.42m。

2.2.2 应用实例

三维线束方向基本垂直地层走向，采用10线10炮观测系统不对称激发，全区共布设线束10束。本区设计布置三维线束10束，生产物理点2470个；布置试验点4个，试验物理点40个；试验线1束，试验合格转为生产物理点。小折射2个，物理点4个；机动物理点80个，全区共布设物理点为2594个。识别煤层采空区的重要标志是在地震时间剖面上反射波不连续。识别煤层采空区的参考标志是反射波振幅变弱，频率降低。其波组特征与正常煤层地段存在差异，且存在时间延长等多种现象，因而地质形态在时间剖面上因采空区地球物理特征的变化而变化。当大面积采空时，其采空区解释方法不能仅依靠常规单层煤层的反射波特征加以判定，需结合整套地层的波组关系及其他手段进行。由于采空区对地震波的吸收和散射，使得反射波组在时间剖面上出现零乱、消失的现象，据此可以圈定采空破坏区的范围。在采空破坏区内，由于煤层的不规则采掘，出现煤层采空、煤层变薄、留设煤柱以及局部残留等现象，反射波在时间剖面上表现为同相轴扭曲、振幅变弱或消失，也可能生成强反射波，相对煤层反射波来说，该反射波表现为，时间上延长，振幅增强，频率降低，延续相位能量增强等特征。对地震波的传播产生一定的影响，并导致采空区地震异常范围与实际煤层采空区的大小存在误差的原因是：煤层采空并塌陷后形成的上覆岩层破坏范围通常会在采空区上方形成由冒落和裂隙带构成的具有一定裂陷高度和角度的破坏带。根据以上方法，本次三维地震勘探圈出了二煤采空区边界。对采空区内部可能存在的留设煤柱和部分未采空区域反映不清，没有给予解释。六煤层与二煤层间距较小，二煤采空区对六煤层影响较大，二煤层采空区下六煤层反射能量弱且不连续，本次勘探没有解释六煤层可能存在的采空区。

3 高密度电法探查煤层采空区技术及应用

3.1 高密度电法探查煤层采空区技术原理

高密度电阻率法是电剖面法和电测深法的集中，原理上与普通电阻率法相同，是一种阵列勘探方法，不同点是在观测中设置了高密度的观测点。用于野外测量时，全部电极（几十至上百根）置于剖面上，通过电极转换器和主机即可实现快速自动采集剖面中不同电极距、不同电极排列方式的相关数据。

（1）采用温纳（WN）装置，电极总数120（根据情况可调），隔离系数n（min）=1；n（max）=16（根据情况可调）。它的电极排列规律为：A、M、N、B（其中供电电极为A、B，测量电极为M、N），随着极距系数逐渐由n由n（MIN）增大到n（MAX），四个电极之间的间距也被均匀拉开，测量断面为倒梯形。

（2）单边三极连续滚动式测量（S3P）装置，电极总数120（根据情况可调），隔离系数n（min）=1；n（max）=20（根据情况可调）。它的电极排列规律是：N、M、A、（其中A、B是供电电极，B置于无穷远，M、N是测量电极），N、M不动，A逐点向右移动，得到一条滚动线：接着N、M、A同时向右移动一个电极，M、N不动，A逐点向右移动，再得到一条滚动线：这样持续滚动测量下去，即得到矩形断面。

3.2 高密度电法的探查采空区的应用实例

在进行灵新煤矿二煤采空区解释时，主要以二煤的电性特征进行分析。通过临近的剖面与连井剖面的对比，推断全区的深度调整系数为1.0。平面等值线图是通过求出每个测点上指定深度上的反演视电阻率值，结合剖面图进行二煤采空区范围的解释工作。采空区的分布主要在D7线到D31线。在平面图件的解释中，以ρS=30Ω·m为阈值划分采空区与未采空区，结合剖面图解释成果，将采空区进行合理连接形成最终的解释成果。

如图1所示，为Geogiga RTomo软件显示的剖面垂直切片示意图，能够通过各个角度较直观地看出剖面图异常区的联系，对采空区的解释有很好的参考意义。

4 综合应用效果分析

对煤层采空区进行解释时可利用三维地震时间剖面反射波的特征，再结合高密度电磁法视电阻率异常显示特征，即可分别圈定采空区位置和范围。当两者圈定位置和范围吻合度较高时，预示着采空区的圈定有较高的可信度，进而可通过钻探进一步进行验证。当两者圈定位置和范围有较大差异时，则采空区的圈定值得怀疑，应具体分析差异产生的原因，从而进一步优化解释方案。

采空区在未充水时，通常表现为高阻异常区，当其充水时，它的电阻率会急剧下降，低于其围岩，表现为低阻异常区。从解释成果图可以看出，7个采空区域均有条带状分布特征，且都表现为ρS<30Ω·m，由此推断采空区均充水。未发现未充水采空区。最基本的问题是有效数据的分辨。不仅指本方法，其它物探方法也如此。在数据采集现场，我们必须能有效地分辨：采集到的数据是否为有效数据，简单讲就是：原始数据是否真实？一些技术人员需要得到高密度电阻率法解释方面的帮助，可实际上，其原始数据的质量太差，根本无法进行资料解释，原始数据不行，就是再高级的大师也无法帮忙。如果在得到此类数据却不自知的话，其后果可想而知。这种情况在初学者中很普遍，在一些多年的“老手”也会存在，如果其未对此进行过深入思考的话。

不同观测方式对数据成果的影响：目前，高密度电阻率法仪器发展迅猛，高密度仪器几乎可以实现所有的电阻率法观测。总体上，该研究者比较赞同对高密度电阻率法观测方式的两大分类：剖面类观测方式和测深类观测方式。因此，对现场作业及处理进行设计时，应按如下原则对观测装置做出选择：当场地条件许可时，尽量采用剖面类观测方式，特别是首选四极剖面装置，因为这种观测方式正是集中了电剖面和电测深法的优点，而其采集点分布更为均匀合理，在不少场合、不同要求的勘探项目中均可取得好的效果。在剖面观测时，解释资料的反演应以二维剖面为主，单点测深、水平曲线分析为辅。而当场地限制只能采用测深类装置时，应尽可能改善各点的接地条件，解释资料的反演应以单点测深反演为主，二维剖面为辅，特别是解释出直立状接触带时，切记要谨慎。

本区实际综合应用时，当无其他可靠资料进行确认时，鉴于谨慎性原则，应暂把三维地震和高密度电法圈定的采空区称作疑似采空区。当三维地震与瞬变电磁圈定的疑似采空区吻合度较高时，即可认定采空区可信度较高，并通过钻探进一步确认；当其他两种情况出现时，则采空区的圈定有很大的不确定性，并不排除多解性，很多情况是由其它地质因素导致，而采空区仅为可能之一。

5 结语

对煤层采空区利用地震时间剖面反射波特征进行解释，在技术上理论是可行的，而实例说明只要选用合理的施工参数，进行严谨地施工，对资料采取精细地处理，运用多样化得当的资料解释方法和手段，利用地震时间剖面上反射波特征，结合属性平面解释，是可以完成采空区解释任务的，而最经济适用和行之有效的探测采空区方法是采用三维地震勘探。

影响煤矿生产效率的主要地质因素是地质构造和水文地质，单一勘探方法存在固有的局限性为：多解性、不确定因素多，等，为了更好的解决这两大地质问题只有采用综合勘探方法，而结合三维地震和高密度电法进行勘探，能够实现相互印证、得到优势互补，从而显著提高解释成果的可靠性，进而对高产高效的矿井生产提供可靠的地质保障。探查煤矿采空区时，综合运用两种方法要注意：（1）严格按照施工要求，规范地做好数据采集工作；（2）对生产矿井进行动态分析，结合相互验证，排除多解性；（3）为避免解决地质问题的片面性，应充分利用已知资料（如钻探、测井、巷道、水文地质，等）进行综合分析。

参考文献

[1] 韩少明，魏书宏.小窑采空区在地震勘探时间剖面上的解释[J].山西科技，2003（2）：54-55.

[2] 刘菁华，王祝文，朱士，等.煤矿采空区及塌陷区的地球物理探查[J].煤炭学报，2005（6）：715-719.

[3] 马丽，刘江，贺正东，等.地震勘探在采空区探测方面的应用[J].陕西煤炭， 2008（2）：90-92.

[4] 董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘，2003（1）：171-176.

[5] 杨发杰，巨妙兰，王全德.高密度电阻率探测方法及其应用[J].矿产与地质，2004（4）：356-360.