煤矿多层采空区勘察中综合物探方法的应用

王 江,谢永毅,李志军,高德健

（北京东方新星石化工程股份有限公司,北京100070）

采空区作为人类活动产生的潜在地质灾害之一，给工程建设和人民的生命财产安全造成严重的威胁[1-2]。部分煤矿在大规模开采后形成多层采空区，多煤层的开采区域分布相对复杂，且地下岩层的因煤矿开采受到扰动，岩体出现变形和开裂。在未做支护的采空区甚至引起大面积的垮塌，引起层状介质无序变化，增加了地球物理探测的难度。目前关于多层采空区方面的探测研究和工程应用相对较少，大多数物探方法仅能在一定程度上探明顶层采空区范围，无法实现对各个煤层采空区的有效探测。因此多层采空区的探测是一个亟待解决的工程问题。

随着应用地球物理勘探理论和技术的不断进步，探测精度的逐渐提高，工程物探取得了长足的发展。刘菁华等人选用多种物探方法综合探测营城某煤矿采空区，明确该采空区的在电阻率和氡浓度的异常场的特征[3]。付天光通过浅层地震法、瞬变电磁法相结合的方式探测采空区及积水情况的实例，取得了良好效果[4]。杨镜明等人对不同深度的采空区空间分布采用高密度电法和瞬变电磁法探测，并检测了采空区注浆处理效果[5]。李文分析了不同物探方法的特点，针对采空区不同类型进行综合物探方法优化，以达到最好的探测效果[6]。李成友等人根据多层采空区的地球物理特征，利用瞬变电磁法探测出多层采空区的分布位置[7]。曹静等人通过对多个煤层勘探数据分析，研究瞬变电磁法对多层采空区的响应特征，在多层采空区的地面探测中取得了良好的应用效果[8]。

地面物探方法因其高效、经济、实用的特点，广泛用于煤矿的采空区探测，但多层采空区探测的单一物探方法存在技术局限性和多解性问题。利用多种物探方法综合探测煤矿多层采空区，既能发挥各个方法的优点，又可相互印证、互相补充。本文根据煤矿多层采空区地质和地球物理特征，选择地震映像法和瞬变电磁法综合探测，利用物探成果和钻孔信息，查明多层采空区的分布范围，为采空区的治理提供指导和依据。

1 工程地质概况和地球物理特征

1.1 工程地质概况

济东煤田某煤矿位于泰山背斜的北翼，为山前冲洪积平原，地势较平坦，地形起伏较小。地貌类型为剥蚀堆积地貌。区内地层属鲁西地层分区泰安地层，区内地层由上而下依次为：第四系大站组、石炭—二叠系月门沟群及奥陶纪马家沟组。开采煤系属华北型石炭—二叠系地层，煤系地层沉积基部为中奥陶统，上部为第四系的覆盖层，整体由南向北倾斜。该煤矿区包含3个开采煤层：煤3层、煤9层和煤10-2层。煤3层开采厚度1.10～2.00m；煤9层开采厚度0.70～1.50m；煤10-2层开采厚度0.70～1.50m。采煤方法为走向长壁后退式，全部跨落法管理顶板。地下水主要赋存于煤3层采空区和煤9层采空区以及第四系含水层。第四系含水层与下伏各含水层露头接触，为煤系各含水层的补给源之一。

1.2 地球物理特征

煤矿区在开采后形成两类采空区，一类是在支护充分或者开采时间较短时，采空区未坍塌填充空气或者充水；另一类是采空区未做好支护导致顶板坍塌，形成冒落带、裂隙带，导致大量松散顶板岩块、粘土碎屑等充填[9]。采空区顶部岩层受到破坏和扰动，岩体破碎，产生大量碎石、裂缝和裂隙，导致岩体波速和密度同完整围岩相比存在很大的差异。因此采空区的地震时间剖面会表现出反射波(组)中断，反射波频率降低以及波形不规则、紊乱甚至产生畸变等特点[10]。当采空区范围内充水时，电性剖面呈现局部低阻的情况；当采空区充水量较少或者无水时，电性剖面呈现局部高阻的情况。由于探测区域煤系各含水层的补给源充足，地下采空及塌陷区可能会大量充水，在电阻率剖面上将表现低电阻率值，能够明显区别于围岩较高的电阻率值，为瞬变电磁法勘探提供很好的物性差异条件。

2 方法原理

2.1 地震映像法

地震映像法是近20年来发展起来的工程物探方法，该方法基于反射波法中得最佳偏移距技术的一种浅层地震勘探技术。野外数据采集装备简单，数据采集速度快，采集方式灵活，可利用不同类型波作为有效波，资料处理简单，可避免因处理产生较大误差。地震映像反射波法观测系统见图1。在现场勘探前需经场地的现场试验工作确定最佳偏移距L。按观测点距移动震源并保持相同的偏移距L，每次激发单道接收，为提高信噪比可多次激发叠加记录。按照设计测线进行数据采集，便形成等偏移距连续地震波时间剖面。根据地震时间剖面上表现出反射波(组)中断，反射波频率降低以及波形不规则、紊乱甚至产生畸变等特征判定地下异常体位置和产状。地震映像法可以利用多种弹性波作为有效波进行探测，如反射波、折射波、面波等，也可以只选则一种特定地震波进行勘探。

图1 地震映像反射波法观测系统

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM)是一种时间域人工源的电磁法，受地形影响小，工作效率高，具有相对较高的抗干扰能力和分辨率，目前广泛应用于采空区的探测，尤其对积水采空区探测具有明显优势。此方法在地面铺设不接地回线或者接地电极，对铺设装置发射阶跃电流，在断电时激励大地产生感应涡流场，通过不接地线圈或者接地电极探测二次涡流场（电场或者磁场）随时间的衰减情况，从而获取地下介质电性信息。

3 采空区综合探测分析

3.1 现场施工方法

本次地震映像法选用的勘探设备为HX-DZ-02A型多道数字高分辨率地震仪，用100Hz检波器采集地震记录。经试验得到最佳偏移距为15m。为保证较高的横向分辨率设定测点距1.5m。测线东西向为22条，南北向为7条，测线累计长度为8745m。

瞬变电磁法采用加拿大GEONICS公司的PRO⁃TEM67D瞬变电磁仪，大定源回线装置，发射外框大小为240m×240m，发射频率为25Hz。测线走向为东西向，测点距10m，测线距25m，完成测线共计10条，全区物理点387个。

3.2 地震映像反射波法探测结果分析

煤矿采空区由第四系松散沉积物覆盖，厚度13～31m，平均厚度20m，覆盖层南薄北厚，地形总体平整，有利于地震勘探作业。地震映像法勘探实际测线29条。因篇幅限制，以测线EW2为例介绍探测的成果。图2为EW2测线地震映像反射波法深度剖面。图中红色虚线为推测断层F，浅蓝色线圈为采空及塌陷区。推断为采空及塌陷区位置反射波同相轴呈弧形弯曲、发生错断或者缺失，反射波形杂乱无序。根据收集的地质资料，推测顶层的位于水平距离在80～187m范围的异常区为3层煤采空区，位于靠近断层F两侧异常区为9层煤采空区。标高在-30m，水平距离30～90m范围的异常区为10-2层煤采空及塌陷区。

3.3 瞬变电磁法探测成果分析

图2 EW2测线地震映像勘探深度剖面

瞬变电磁法对煤矿采空及塌陷区的推断解释主要依据反演的视电阻率断面等值线图。本次瞬变电磁测线为10条，通过反演获得相应的视电阻率剖面图。图3为测线L00视电阻率断面等值线图，实际勘探区域中测线L100与地震测线EW2为同一条物探测线。图中横坐标为测点号，也是实际距离，纵坐标为高程。从纵向上看，不考虑新生界地层，煤系地层视电阻率值由浅到深呈中低阻—高阻—低阻的变化特征。其中低阻为煤系地层的反映，低阻上的中高阻为煤9采空区顶板砂岩的反映，下部的高阻为奥陶系灰岩的反映。从纵向上看，图中黑色圈闭为低阻异常体，在标高70m附近有2个低阻异常，分别在水平距离65～195m范围之间，以及240～340m之间，推测为煤3采空区。在标高-18m附近有2个低阻异常，分别位于水平距离155～190m、240～278m点之间，推测为富含水的煤9采空区。在标高-50～110m处有2个范围较大的低阻异常区域，分别位于水平距离0～200m、235～320m点之间，推测为富含水的煤10-2采空及塌陷区。图中在210～240m范围电性层位发生突变,推测为断层或者断裂带F（红色斜线）。

图3 L100线视电阻率剖面图

工程地质钻孔勘探结果与综合物探推断结果基本一致。靠近物探测线的钻孔有ZK06和ZK07，ZK06约位于测线水平位置293m处，ZK07约位于156m处。钻孔ZK06标高59.44～60.14m为强风化的未开采煤层，岩芯呈碎岩沫状，夹杂泥岩碎屑，煤层富含地下水；标高-40.26～-39.46m范围为未开采煤层，该段岩芯呈碎块状，夹杂泥质碎屑，取芯率低。钻孔ZK07中标高78.52～80.32m为3层煤采空区，仅采取岩芯20cm，且岩芯破碎，以粘性土为主；标高-24.68～-23.48m为9层煤采空区，该范围未取到岩芯。

3.4 综合物探结果分析

煤矿各层采空区分布范围的推断主要依据地震映像反射波法和瞬变电磁法的探测结果。每种物探方法有其各自的特点，地震映像反射波法对多层采空区的勘探成果相对直观，能够直接反映出采空区的顶板深度，但有效探测深度受震源激发能量的限制。瞬变电磁法对低阻异常体反映灵敏，探测深度较大，可弥补地震映像法因人工震源能量较弱导致勘探深度不足的缺陷，但分辨率相对较低。总体来讲，2种方法均能反映顶层煤矿采空区范围，反演剖面的异常位置吻合较好，但是对于深层，尤其是地下同时存在多个采空煤层时，各层的介质异常信息互相影响，单一勘探方法无法有效区分。多层采空区解释方法是以地震映像法的解释成果来确定采空区深度，以瞬变电磁法的勘探成果补充修正含水采空及塌陷区分布范围，进一步细化采空区范围和形态。同时结合地质资料和后续的钻孔成果给出合理的地质解释。

4 结论

煤矿区的多层采空区分布复杂，场地不稳定的因素较多，严重影响地面建筑和各类结构设施的稳定性以及人民生命财产安全。本文结合济东煤田多层采空区的工程实例，分析了地震映像法和瞬变电磁法的综合探测效果。研究结果表明，采用地震映像法和瞬变电磁法相结合的方式是有效探测多层采空区的物探组合。地震映像法对浅部顶层采空区的探测效果更直接，分辨率更高，而受震源激发能量的限制，下层或者埋深更深的采空区的效果相对较差。而在深层的采空区采用瞬变电磁法探测更加有效，尤其是对于富水煤层采空区及泥质填充的采空区低阻电性异常进行探测和评价。

尽管地震映像法和瞬变电磁法在多层采空区上取得了较好的效果，但对多个采空区并存的区域，各层采空区的异常特征互相影响导致分辨率降低。在具体推测非顶层采空区空间范围时要注意顶层采空区的对下伏采空区异常特征的影响。