综合物探技术在煤矿采空区的应用研究

2016-08-10吴西全邱云海康元欣

大科技 2016年30期

关键词：电法高密度物探

吴西全邱云海康元欣

（江西省地质矿产勘查开发局物化探大队江西南昌330000）

综合物探技术在煤矿采空区的应用研究

吴西全邱云海康元欣

（江西省地质矿产勘查开发局物化探大队江西南昌330000）

煤炭资源是人们赖以生存的重要能源之一。随着煤炭的逐渐开采，矿区中采空区的数量变得越来越多。为了保证后续开采工作的顺利进行，需要应用综合物探技术对采空区进行探察。本文从煤矿采空区的概念入手，对综合物探技术在煤矿采空区中的应用进行研究。

综合物探技术；煤矿；采空区；应用

前言

随着煤矿开采的不断深入，已经形成的采空区数量越来越多。采空区是引发煤矿生产事故的主要因素之一，探测煤矿采空区具有一定的现实意义。与一般的探测技术相比，综合物探技术具有高效、低成本等优势，将这种技术应用在煤矿采空区中可以实现探测质量的提升。

1 煤矿采空区

1.1 煤矿采空区的概念

煤矿采空区是指，在开采煤矿的过程中，当煤矿被采出后，开采人员没有对产生空间区域进行处理而形成的一种采空区。由于该位置煤矿缺失，其上覆岩层支撑力的消失会对该位置的整体地应力平衡产生影响。为了保持平衡，该位置的应力会发生变化，通过重新分布实现新应力平衡的产生[1]。

1.2 煤矿采空区的特征

煤矿采空区的特征主要包含以下几种：

1.2.1 水文特征

从煤矿采空区水文特征中可以分析出该采空区发生地面沉降的可能性。例如，如果某采空区的水文结构由具有良好透水性特点的含水层以及隔水性能较好的隔水层组成时，该采空区很容易产生地面沉降。这种现象的发生原理为：当对该地质层的地下水进行抽排处理时，隔水层中的孔隙水会逐渐向含水层流动，因此引发地面沉降现象。

1.2.2 地球物理特征

就采空区而言，当采空区充水，其电阻率值相对于围岩较低；相反，当采空区中不含水，采空区电阻率值相对较高。所以，可以利用采空区与围岩的电性差异，运用物探手段对其进行探测。

1.2.3 地表特征

就煤矿采空区的非连续变形破坏方面而言，地表特征主要品包含塌陷槽以及地表裂缝等。其中，塌陷槽通常出现在特殊地质倾斜矿层的开采过程中，其引发原因主要是浅部均匀度较低、松散砂层进入井下等；地表裂缝通常出现在中倾斜矿层的开采过程中，在地表移动盆地边缘拉伸变形的情况下，会产生一定数量的地表裂缝[2]。

2 综合物探技术在煤矿采空区中的应用

这里主要以某矿区为例，从以下几种综合物探技术入手，对其在煤矿采空区中的应用进行研究：

2.1 矿区概况

该矿区地形为丘陵地形，就开矿工作区而言，按照从新到老的顺序，可以将该工作区的地层分布排列为：二叠系下统山西组、上统上石盒子组；上统太原组；寒武系地层。就采空区探测区而言，其地质特点为：隔水层具有良好的隔水性能、且结构较为简单；煤层底板稳定性较高；含水层含水量较少[3]。

2.2 瞬间电磁法在煤矿采空区中的应用

2.2.1 瞬间电磁法的原理

这种方法的原理是：在磁偶源的作用下完成地下一次脉冲磁场的建立。当该磁场处于间歇期时，通过所处地质体中的感应涡流的接收产生一种感应电磁场，该磁场会随着时间的变化发生相应的变化。在这种情况下，接收线圈所测得的感应电磁场空间分布形态即可以表示异常体的空间分布情况。

2.2.2 瞬间电磁法的实现装置

瞬间电磁法在煤矿采空区探测过程中应用涉及的装置主要包含以下两种：第一，测深装测量装置。在实际的采空区探测过程中，探测人员通常使用线源装置、中心回线装置以及磁偶元偶极装置实现探测目的。在这些测深装置中，线源装置的探测深度范围处于1km以上；中心回线装置的探测深度范围处于1km以下；磁偶元偶极装置的探测深度通常处于500m以下。

2.2.3 瞬间电磁法在煤矿采空区中的应用

这里利用PROTEM67D瞬变电磁勘探系统实现探测目的。在确定发射线框面积时，这里将煤矿采空区探测区域目标层的实际埋深作为主要的参考依据，将线框面积确定为550×550m2。应用瞬变电磁法之后，某条线的视电阻率断面图如图1所示。就线而言，其2520～2600测点范围中，从200m深度位置等值线的上方来看，其在相同深度上表现出一定的低阻异常，同时该位置的下弯也表现出明显的低阻异常，因此，可以将该位置判断为采空区。在对该位置进行钻探之后发现，该位置的确存在采空区，且该采空区的塌陷情况较为严重。瞬变电磁法的应用优势在于，它能够将煤矿中的低阻现象灵敏地反映出来。但这种探测方法在纵向方面的分辨率中存在一定问题，应用该方法无法获得精确的探测厚度。上述例子中的采空区塌陷破碎体的实际厚度小于50m[4]。

图1 瞬变电磁法某线的视电阻率断面图

2.3 高密度电法在煤矿采空区中的应用

2.3.1 高密度电法的特点

从本质上讲，可以将高密度电法看成是一种结合电测深与电剖面的探测方法。这种探测方法的特点是：抗干扰能力强、数据采集精度高、观测点密度高等。高密度电法的特点使得其在煤矿采空区中的应用能够更加真实地将纵向变化特征和横向变化特征反映出来。

2.3.2 高密度电法应用涉及的装置

高密度电法涉及的装置种类较多，其中常用装置主要有三极装置、温纳排列装置等。

2.3.3 高密度电法在煤矿采空区中的应用

这里使用偶极-偶极装置完成高密度电法对测区的探测，仪器则是WGMD-9系统。在该方法的应用过程中，将隔离系数的最大值控制为30，按照分布式进行布线，两个偶极之间的距离为6m。就该超高密度电法系统的应用而言，供电电压和时间分别为420V和120ms。该方法对测区的视电阻率断面图如图2所示。从该图中可以看出，该测区的异常区域主要集中在红线圈定范围中。在本次探测过程中，高密度电法的控制深度约为20m。从后续的钻探过程中发现，该测区采空区的实际塌陷范围与高密度电法的测量结果大致相符，实际塌陷厚度为26m。高密度电法适宜被应用在采空区深度较浅的煤矿探测中。当采空区的深度范围大于80m时，应用高密度电法很难获得精确的探测结果[5]。