煤矿老空区综合探测技术研究

张博辉，严 戈，张奋轩，王建虎，李 铭

（1.陕西省煤炭科学研究所，陕西 西安 710001；2.西咸新区沣东新城自然资源局，陕西 西安 710116；3.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005）

0 引言

煤矿闭坑后，由于停止抽排水，废弃巷道和采空区内会富集大量地下水和有害气体，对人员和设备有极大的潜在危害。尤其是开采年代久远的小煤矿，其开采状况和范围等没有资料可查，地表又无明显的坍陷迹象，老空区空间形态难以判断，积水情况更无规律可循，一旦导通老空区，极易造成人员和财产损失。如山西王家岭煤矿老空区透水事故造成38人死亡。

由于老空区周边地质条件复杂，形成时间不明、开采背景条件不清，对老空区探测是一项极具挑战的工作。目前常用的采空区探测方法有物探和钻探两种［1］，物探分为电磁法和地震法等，相比于钻探方法，物探方法成本低、周期短，因而是采空区探测常用的方法。张丽蕾［2］采用瞬变电磁法探测了某煤矿采空区富水性。但由于电阻率值的受控因素较多，所测数据的准确性需要在实际工作中不断验证和校正。李元杰［3］采用三维地震技术探测了小煤窑采空区，其结果与开采揭露情况基本相符。三维地震同样容易受人类工程活动的影响，存在多解性，其探测结果的可靠性需要进一步验证。综合应用三维地震和瞬变电磁法确定采空区位置的正确率为67%，结合钻孔验证是提高采空区探测准确率的有效手段［4-6］。因此，采用多种方法的综合探测采空区技术成为大部分研究所采用的方法。

由于历史原因，过去20年内，小煤窑在某国有大矿周边常年开采浅部煤层，且可能存在越界采掘行为。这些开采活动形成的采空区隐蔽性强，随意性大，充水量不详，为该国有矿后续的资源开发和采区布置带来了极大的困扰。本文采用物探与钻探相结合的方法，综合探测老空区范围和富水性，为矿井开采设计提供依据。

1 地震条件

1.1 表层地震地质条件

研究区地处毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原接壤地带，地表基本被第四系松散沉积物所覆盖，冲沟较多。地形复杂，沟梁纵横，地形相对高差较大，最高点地表高程约为1 202 m，最低点高程约为1 004 m，最大高差约为198 m，如图1所示。区内有一条在建铁路施工，另外，区内西部边界村庄较多，农田植被较多，复杂的地形条件不仅给测线布设、仪器设备搬运带来相当大的困难，而且给资料处理时静校正工作增加了困难。综上所述，该区表层地震地质条件较差。

图1 勘探区3D地形示意图

1.2 浅部地震地质条件

研究区浅部地层主要为风积沙及第四系黄土层，根据区内钻孔资料揭露，黄土层平均厚度约60 m。松散的黄土层及沙层对地震波的吸收衰减极为强烈。复杂多变的浅层地层结构对地震波的激发、接收均不利。浅层地震地质条件也较差。

1.3 深部地震地质条件

本区主要可采煤层厚度较厚，埋藏适中，煤层与围岩的速度与密度差异明显，是较好的波阻抗界面，可形成连续对比追踪的反射波，本区深层地震地质条件良好。

1.4 地震物探的技术难点

本区表层结构复杂，突出表现在低降速带厚度变化大；表层岩性变化大；表层速度横向变化大。从而带来了如何合理确定激发参数，以保证激发效果和如何提高静校正精度，提高地震剖面成像质量问题。为此，针对性地制定了应对的技术策略。

精细表层结构调查：利用多方式进行表层结构调查，提高表层调查的精度，查清不同地表岩性分区边界，为激发参数设计和静校正工作提供精确的基础数据。

针对性激发因素试验：针对不同的地表类型，进行有针对性的激发因素试验，确定合理的激发因素设计模型。

分区设计激发因素：优选激发点位，利用表层调查资料分区设计激发因素，保证在高速层中激发。

优选静校正方法：综合对比高程、模型、大炮初至等不同静校正方法，提高静校正精度，确保地震剖面的成像效果。

2 老空区探测及成果

2.1 探测方法

本研究的目的是确定煤矿待采区相邻地段有无越界开采，若有越界开采，需要圈定越界开采采空区分布范围，为下一步开采设计提供地质依据，保证采掘工作不受老空区及其积水的威胁。

在认真分析研究区已有地质资料的基础上，本研究以综合勘查、综合评价为原则，从经济、有效的角度出发，采用物探和钻探相结合的方法综合确定老空区。首先通过三维地震、瞬变电磁法对勘查区范围内的采空区分布、积水情况，煤层上覆地层富水区进行定性圈定，之后对物探圈定的采空区范围用钻探工程进行验证，最终确定采空区分布范围、积水等分布情况。

2.2 物探工作布置

三维地震：依据设计，三维地震勘探工作量共计14束线，试验点1处，物理点30个，满30次覆盖面积为2.27 km2，CDP覆盖面积为4.54 km2，线束物理点2 290个。

瞬变电磁法：电法勘探测线的布置一般是基本垂直于地质构造及地层走向布置，从而达到最佳的耦合效果，故本次瞬变电磁法测线呈东西向布设，基本垂直区内地层走向，测网采用40 m×20 m的网度，即线距为40 m，点距为20 m。共设计瞬变电磁测线69条，坐标点3 056个，试验点30个，检查点120个，总计物理点3 206个，控制面积2.27 km2。

机械岩心钻探：在物探解释采空区范围布设钻孔。在工作区范围内布设3组钻孔，每组3个钻孔（3钻孔必须在一条直线上）。9个钻孔预计单孔孔深为360 m，合计3 240 m（钻孔组数、个数、进尺以物探基础上的钻探设计和工程验收为准）。

2.3 成果解释

三维地震方法：三维地震资料解释工作是在工作站上利用解释系统完成的。在处理后的三维数据体上进行人机交互解释，可以将垂直剖面、水平切片和其它剖面结合在一起，更准确地认识地下地层三维构造。3#煤层反射波命名为T3波，它是本区主要的标志层反射波之一，也是时间剖面对比解释的主要依据之一。T3波在时间剖面上表现出能量强、信噪比高、连续性好的特点，易于连续追踪识别。①在三维数据体中，切出联接钻孔密集的联井剖面及其它联井剖面，使各断块及层位闭合一致；②在联井剖面大框架的基础上，依80 m×160 m规则的CDP网格，参照联井剖面大框架闭合点采用上述同相轴识别方法进行闭合追踪，然后加密至40 m×40 m的CDP网格，形成一个较完整的总体构造框架；③加密至5 m×5 m的CDP网格进行精细解释。

三维地震成果：地震勘探在解释过程中充分借鉴了瞬变电磁成果，最终在A区解释了1处采空区，如图2所示，位于A区中南部勘探边界处，东西长约1 440 m，南北宽约310 m，面积约313 735 m2，该采空区最北部距南部井田边界约310 m。采空大部地段为中高阻异常特征，仅在西部边界附近表现为低阻特征，结合地质资料，西部为煤层底板较低的地方，相比较而言其附近含水可能性较大。

瞬变电磁方法：瞬变电磁勘探成果分析推断应做到：①根据单点解释判断层位，确定深度解释系数，对全区数据进行深度校正；②将校正后的数据与测量数据一一对应，绘制等视电阻率断面图及平面图；③根据平面异常及视电阻率等值线断面变化特征，结合已知地质资料和三维地震结果，最终确定采空区异常范围。

图2 三维地震确定采空区图

瞬变电磁法成果：瞬变电磁测线344线位于研究区A区南部边界距离井田边界约90 m处，其上方存在地震解释疑似采空段。由于本区地层电阻率差异较小，故结合二次电位值和视电阻率值进行综合分析。从图3中可以看出地层从上到下视电阻率等值线变化特征为：①纵向上，视电阻率随深度的增加呈先降低后升高变化，浅部中高阻电性层为直罗组和安定组地层的特征反映，而中部相对低阻层则为煤系地层反映，深部高阻层则为永坪组地层的特征反映；②横向上，视电阻率等值线基本呈水平层状，反映了地层层状分布的特点；部分地段出现高阻凸起或者低阻凹陷，此类电性异常需结合地质资料征集三维地震结果最终确定其异常特性。在344线共存在电性异常区三处，其中1400—2100段为低阻异常，但由于其附近村庄隧道影响较大，可靠性有所降低；2240—2980段和3100—3400段均为相对中阻异常，但异常3100—3400段表现为“漏斗状”由浅到深均为低阻的特征反映，结合本区煤层为房柱式开采，完全塌陷的可能性较小，故分析认为其为采空的可能性较小；而在2240—2980段三维地震在该段附近也有异常存在，综合分析认为该段异常为疑似采空的特征反映。

图3 A区视电阻等值线断面图

电磁法解释：图4为3#煤视电阻率等值线平面综合解释成果图。根据电法成果推断解释了2处采空异常，编号依次为YC-1、YC-2。另外，还解释了3处3煤顶板岩层富水异常区，编号分别为FS-1、FS-2、FS-3，分析认为掘进至该位置处顶板会存在淋水现象，富水性相对较弱。①YC-1位于A区西部，为瞬变电磁反应异常区，东西长约330 m，南北宽约316 m，面积104 498.83 m2，为一明显的低阻异常；②YC-2位于A区中南部边界范围较大，东西长约1 020 m，南北宽约209 m，面积184 152 m2，基本呈东西向展布，为一中高阻异常。异常区富水性较弱，其范围与三维地震解释采空区范围大部重叠；③FS-1、FS-2、FS-3为煤顶板岩层富水异常区，FS-1东西长约543 m，南北宽约222 m，面积79 373 m2；FS-2东西长约493 m，南北宽约357 m，面积118 102 m2；FS-3东西长约481 m，南北宽约963 m，面积299 403 m2，富水性相对较弱。

图4 3#煤视电阻率等值线平面图

物探采空区综合解释：结合地震勘探和瞬变电磁成果，最终圈定了1处疑似采空区（图4 YC-2），其大部地段为中高阻异常特征，仅在西部边界和中东部边界附近表现为低阻特征，结合地质资料西部边界处为煤层底板较低的地方，相比较而言其附近含水可能性较大。

根据数理统计的方法推断了全区相对富水的地段。具体划分富水原则为用平均值减去1/3的标准偏差，低于此值认为相对富水，高于此值认为相对不富水。

3 钻孔验证

为了确认物探解释采空区范围的可靠程度，采用机械岩心钻探对物探解释采空区范围进行验证。

3.1 钻孔判断采空区方法

验证原理：物探工程勘查结束后，采用机械岩心钻探的方法对物探结果进行验证。验证方法为通过施工钻孔对物探成果进行点对点验证。根据物探解释成果在疑似采空的地段施工验证钻孔，若在物探解释采空范围内验证钻孔施工至采空区，则说明物探解释的属性、方法选择正确，采空区范围可靠；反之若一组钻孔均未施工至采空区，则说明物探解释采空区范围不可靠，需重新分析解释。

验证方法：①通过钻探采取煤心、顶底板岩心验证是否采空。煤心采取完整说明未采空，采取不到煤心视为采空；②钻进过程中若突然漏水并掉钻，且只能采取煤层顶底板部分岩心，而煤心完全缺失或只能采取零星煤心，孔口出现负压、吸风即为采空。

保障措施：由于本区为房柱式开采形成的采空区，巷道较窄（小于4 m），因此物探确定孔位后为了保证验证率，孔位定测均采用RTK实测，根据反复试算，同时布置3个钻孔（孔距28.8 m）即可判断出采空区。

3.2 验证结果

在区内共施工钻孔6个，其中：

A区施工钻孔4个（参数孔1个，验证孔3个）：YZ1号钻孔为参数孔，YZ2号钻孔施工至煤柱，YZ3号钻孔施工至采空区，YZ4号钻孔施工至采空区。通过3个验证钻孔的施工，验证率为67%，说明本次A区物探解释采空区采用的方法正确，手段合理，解释范围较可靠。

B区施工钻孔2个：该钻孔为采空区验证钻孔，通过B区钻孔的施工对三维地震初步解释成果进行了优化，最终确定B区无小煤矿越界开采情况。钻孔施工情况见表1。

表1 验证钻孔施工情况一览表

4 结论

（1）利用物探手段解释工作区范围内采空区范围，根据物探解释成果布设一定数量的验证钻孔，辅以测井等勘查手段，对物探解释采空区范围进行验证，根据验证结果对物探解释采空区分布范围进行重新解释，最终确定采空区分布范围。该方法在探测煤矿采空区工作中可推广使用。

（2）地下的煤层被采出后，在岩层内形成一个有一定规模的空间，与围岩相比，采空区的电阻为无穷大。但是随着时间的推移，上覆岩层就会在地球重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，采空区的电阻率随着发生变化，会出现相对高阻或低阻异常区。同时煤系地层由于具备层状分布的特点，正常地层情况下其在横向上电性变化均一，如果存在采空塌陷就会出现电性异常，具体表现为电阻率等值线的扭曲、凹陷等特征，据此可以确定煤层采空的范围。