综合物探技术在探测煤矿采空区及其富水性中的应用

摘 要：我国煤炭储量丰富，采矿技术发达，但也存在许多影响安全生产的危险因素，比如说矿井水害。文章就是希望从煤矿采空区的地质物理条件特征分析入手，选择合适的物探技术对其进行综合勘探，对采空区及其富水性的应用进行准确预测，从而取得较好的地质效果，为今后的煤炭矿井开采方案选择提供理论实践依据。

关键词：综合物探技术；采空区；富水性

我国煤矿企业在进行了大范围的兼并重组后，希望通过规范生产和扩大规模来整合产业发展，从而开拓更好的发展道路。从技术层面看，发展物探手段，积极了解矿区内煤层的构造及赋存发育特征，是实现高效大规模开采生产的必由之路。为此，对煤矿采空区及富水性的预测，就成为了目前物探技术的发展关键。

一、采空区的地质物理特征

（一）关于地震反射

在煤层采空区，煤层的采挖是并不规则的，这是因为采空区的煤层会逐渐变薄，并且还会出现局部煤柱残留现象。如果从时间剖面的角度分析，那么它的反射波也会表现出同相轴扭曲，振幅也随之减弱甚至消失等情况。另外，由于采空区的存在，它打破了原有的地球物理应力平衡。所以开采工作会因为煤层厚度、顶板岩性的不同呈现不同的采空区状态。比如说范围内呈现腔状的顶底板悬空状态。另外还有在顶板岩完整稳定的状态下，采空区顶在上覆应力的作用影响下呈现弯曲，渐渐挤压闭合的状态。而一旦顶板出现冒落情况，采空区会被岩石碎块、碎屑或煤屑等混合物填充，其密闭性小于煤层的空气与水混合充填状态等等。所以说，煤层与采空区的接触边界两侧也会出现明显的密度差异，它为利用地震地质物理技术探测采空区提供了物理学依据。

（二）采空区及其富水性的电性

当矿区实行大面积采空作业时，采空区及其上地层的电性特征就会发生明显变化，它的主要表现为：首先，煤层采空区在冒落带区域会出现与原采空区地层不同的特质，即它的岩性会更加疏松，相对密实度也会有所下降，同时它的传播导电性也会随之降低，呈现高阻异常的状况；其次，采空区原有的裂隙带不会发生岩性方面的变化，但是裂隙带的内岩石会产生裂隙发育，这种情形会导致岩石导电性的降低，从而提高它的电阻率。所以如果采空区内的冒落带在10米以上的高度，它内部填充物的电阻率就会升高并高于其它周围介质；最后，如果采空区出现大量充水状况，那么采空区岩层的导电性也会因此而变强，与此同时，岩层的电阻率会明显减小。

二、综合物探技术的相关评价

就目前来看，我国在采空区探测方面存在多种综合物探技术手段，他们在技术层面各有优势，也存在问题。比如说较为流行的地震勘测、高密度电法、瞬变电磁法等等。文章将主要介绍这三种物探技术手段的优势与劣势。

（一）地震物探技术

地震物探技术所利用的并不是真实的地震，而是由人工制造的仿地震波。这种地震波会引起对煤层采空区上覆岩层的破坏，同时，地震波的强吸收衰减性，也使得采空区的反射波回馈频率有所降低，使得采空区岩层的裂隙与围岩碎块产生波动无序甚至畸变。

而相对来说，采空区下部岩层却没有明显变化。所以当煤层采空区顶板遭到破坏后，就应该通过其剖面反射波组的变化情况来判断煤层采空区内部结构的各种低频干扰，从而识别煤层采空区的实时状态。相对而言，这种物探方法的缺点也很明显。由于煤层采空区在受到强烈地震波坍塌之后，它的上覆岩层会遭受严重破坏，这时采樊莽高伟华空区的上层冒落带和裂隙带就会形成一个具有深层裂隙高度的破坏带，它对地震波的传播反馈会产生相当影响。这种影响甚至可以导致勘测者对于采空区的实际大小和异常大小出现识别误差。这对查明采空区区域的富水性也有严重影响。

（二）高密度电技术

高密度电技术的主要目的是向地下供应高压直流电，靠测量和改变电机探测电性异常来引发电流场出现畸变。它可以一次性进行多装置的数据采集，并通过计算比值参数来凸显异常信息存在的各种特点。与电阻率物探法相同的是，它也通过采空区岩层的电阻率作为评判标准，所以也可以说，高密度电技术的根本就是电阻率法。这种方法的优势就在于对一些浅层地质的异常分辨能力相当强，而且具有良好的抗扰能力。但是它的缺点就是很容易受到高电阻屏蔽的影响，只能勘探较浅（不高于200m）的深度，再深层勘探分辨率就会极具下降1/3甚至1/2左右。

（三）瞬变电磁技术

瞬变电磁技术与地球物理电磁感应探测有关，它基于时间域，由人工完成。在此种方法中，不需要进行低回回线甚至接地线源的连接，它会自动向地下发送一组脉冲电磁场，然后利用线圈来观测和感应脉冲电磁场的地下涡流，从而解决一些电磁场中所出现的地质问题。这种方法对地质体的反映相当灵敏，而且具有很高的纵横向分辨率。它的勘测深度范围大，可以从100m～500m，而且它不会受到高电阻率的影响，工作效率极高。对于一些含水地质体来说，它能够快速发现采空区积水区中的电性异常反应。但同时它的缺点就在于对高阻地质体反映性差，这一点和高密度电法类似。

（四）相关应用案例分析

选择某矿区的采空区进行地震勘测物探，从而确定采空异常区的分布范围。考虑到该矿区中所设计的巷道在采空异常区边缘，所以可以考虑使用高密度电法进行相关的富水性探测。当巷道进入异常区内则可以进行矿井的瞬变电磁法探测，此时就可以证明该矿区的富水区是存在的。在进行仿地震波的地震勘测实验时，观察煤层及采空区的剖面，会发现它们的特征较为突出，而且很容易进行定性。此时的瞬变电磁测线会在多测道剖面上呈现700～900m的高电压，也就是双峰异常状态。此时应该根据电阻率的拟断面来判断采空区的电阻率特征。正常情况下应该表现为低阻高压，而且它的异常定性是多解性的。整体来看，整个采空区的高层和中层都处于低阻异常区，所以也可以推断这两处均为采空层的富水区。在巷道中，电阻率的等值线具有较为均匀的变化，而且没有出现明显的低阻异常扰动现象，这就表明了该探测范围内地层的连续性较为良好，基本没有明显的富水地质构造或者采空积水区。

三、结语

从矿区采空区整体来看，最为安全有效的勘探路径就是首先利用地震勘探来划分采空异常区，然后通过仿地震波来确定采空层的含水性。而在探测过程中，根据瞬变电磁法与高密度电法两种方法来进行对富水区的准确定位，然后再结合位置为采空区钻孔放水，从而排除富水区的积水隐患。所以说，物探技术对采空区富水性的应用实践应该首先考虑实际情况，在對矿区采空区进行物性特征评价之后再选择最适合的物探技术来进行勘探，从而求得最好的地质效果。

参考文献

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[2] 刘树才等.煤矿水文物探技术与应用[M].中国矿业大学出版社，2005.

[3] 龚惠民等.山西省阳泉煤业（集团）有限责任公司开元公司老空水及岩层水探测综合物探报告[R].

作者简介：庞晓明，新疆煤田地质局综合地质勘查队。