多参数综合物探方法在煤矿采空区勘探中的应用研究

罗 霄，许智海，李正胜，李 文，姜 鹏

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013； 3.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000；4.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

我国早期的部分矿井，由于技术装备水平低、生产工艺落后以及缺乏科学管理和长远规划等原因，再加上周边一些小煤窑的私挖滥采，导致在矿井开采过程中留下了许多规模不等、情况不明、形态不规则的老采空区。老采空区所诱发的坍塌、矿震、有毒有害气体的涌出、水害、火灾等灾害对矿井资源的整合、技术升级以及周边一些大型工程的施工造成严重的危害[1]，严重制约着矿山企业的安全生产和地区的可持续发展。探明采空区的规模以及影响范围，是分析采空区对环境、矿井安全生产、地面建(构)筑物、重要设施的影响和破坏的前提，为预防和控制采空区引发的灾害提供科学参考。

地球物理勘探技术由于其快捷性和经济性等优点在煤层采空区探测中得到了广泛的使用。井下物探的工作原理是依采空区内介质与煤、岩层的物性差异来探测识别煤层采空区的，但是由于地层结构的复杂性和单一物探方法本身存在的缺陷，有时同一种地层介质会有较大范围的物性参数区间，而不同的地层介质存在相近的物性参数值，导致使用单一物探参数解释物探资料时出现同一地质体拥有不同的曲线形态或不同的地质体拥有相同的曲线形态和异常值[2，3]。而且由于单一物探方法存在的技术局限性会导致物探效果不佳以及反演结果的多解性[4，5]，使得探测结果的可靠性降低甚至没有参考的价值。

本文针对单一物探参数和单一物探方法对探测煤矿采空区存在解释结论符合率低、精度低的不足，根据地质条件和地层的岩石物理特性提出使用多参数综合物探方法[6]对陕北侏罗纪煤田中能亿安煤矿井田范围内的5-1号煤层采空区的分布范围及状况进行勘查，并结合钻探勘查进行物探验证，以期查明勘查区内采空区的分布范围及其赋存情况，为采空区灾害的预防和治理提供科学参考。

1 工程概况

府谷县田家寨镇中能亿安煤矿井田范围内主要赋存3-1、5-1、5-2号煤层，矿井整合前采用的是房柱式开采3-1号煤层，形成采空区面积约1.869km2；南部小窑开采5-1号煤层，形成采空区面积约1.043km2。整合后煤矿开采5-1号煤层，煤层平均厚度2.70m，埋深11.20～217.59m，煤层顶板岩性以中粒砂岩为主，粉砂岩次之；底板以粉砂岩为主，局部为细粒砂岩。该煤层层位稳定，结构较简单，属大部可采的稳定型中厚煤层。整合区内地表覆盖有黄土和风积沙，为典型的黄土梁峁地形，区内构造极其简单，无褶皱，整体为倾角在1°左右的大单斜层。

2 地球物理测井多参数应用

为了验证地层结构和查明地层物性特性，为物探解释提供依据，本次对FGX-YA-01号、FGX-YA-02号、FGX-YA-03号和FGX-YA-10号地质钻孔进行地球物理测井探测。

2.1 参数选择

本次使用测井仪为TYSC-QB型轻便数字测井仪，根据勘查区地层物性特征，选用的参数方法有：三侧向电阻率LL3、自然伽玛GR、自然电位SP以及井径CAL等。通过对4个钻孔的综合测井资料各参数进行统计，总结了孔内不同岩层物性特征，其结果见表1。

表1 煤、岩层物性特征统计表

2.2 资料解释

根据本次测井解译资料及钻探勘查成果，分别得到四个地质勘查孔的测井曲线，其中FGX-YA-01号地质勘查孔部分测井曲线如图1所示。

由本次测井成果知，本区煤岩层物性稳定，煤层具有高电阻率、低密度、低伽玛的特性，与围岩物性差异明显，各地质时代的地层均有其物性特征和组合规律，曲线形态明显。

图1 FGX-YA-01号钻孔部分测井曲线

3 采空区综合物探技术应用

3.1 地球物理特征

3.1.1 地震地质条件

煤层由于具有低密度和低传播速度的特点，与围岩有着不同的波阻抗特性，是良好的天然物理分界面，如果煤层达到足够厚度时，可以形成良好的、连续的地震反射波。当煤层采动后顶板及其上覆岩层受到采动影响发生破坏，形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，导致上覆岩层的连续性遭到破坏，这些地质因素的变化，使得煤层采空区或其上部地层的地球物理特征发生变化[7]，这是使用地震法的前提。

目的煤层5-1煤层厚度适中、对比可靠，煤层与上部3-1煤层间距适中，且煤层与其顶底板岩性差异明显，是较好的波阻抗界面，预计在无采空的地段可形成较为连续的对应反射波[8]，深部地震地质条件较好。

3.1.2 电性条件

煤层采动过后，顶板及其上覆岩层发生破坏形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，破坏了原始地层在横向上电阻率均匀分布的特性。当采空区形成后，在充水的区域，相对于围岩会表现为低电阻特性；在未充水的区域，相对于围岩会表现为高电阻特性[9]，这是使用电磁类方法探测的前提。

根据钻孔资料，该区电阻率值约为80～185Ω·m，浅层电性条件较好。但由于测区内有外界电磁场的干扰会对音频大地电磁法带来影响。该区煤层具有厚度大、分布均匀的特点，且电性与上覆岩层有明显的差异，存在明显的电性标志层；但该煤层电性与下部岩层差异较小，电性标志层不明显。综合分析，本区浅部电性条件简单，深部电性条件一般。

3.2 测线布置

本次采空区勘查工作共分2个区域，采用2种不同的综合物探方法进行物探勘查工作。

1)区域1采用瞬变电磁和浅层二维地震相配合的综合物探法[10]进行探测，勘探测线方向一致，以利于两种物探资料的对比分析。瞬变电磁测量选用V8多功能电磁法探测仪，共布设瞬变电磁测线65条，其中，线距40m，点距20m；地震仪选用428Lite型多道遥测数字地震仪，共布设地震测线17条，主测线间距不大于160m，每平方千米物理点不低于667个。

2)区域2采用瞬变电磁和音频大地电磁法相配合的综合物探法[11-15]进行探测，瞬变电磁测量选用PROTEM67D瞬变电磁勘探系统，共布设瞬变电磁测线29条，其中，线距40m，点距20m；音频大地电磁测量选用EH-4勘探系统，共布设音频大地电磁测线20条，其中，线距60m，点距30m。

3.3 物探结果分析

3.3.1 区域1浅层二维地震法物探结果分析

本次探测共得到17条地震测线结果，其中6线和9线特征较明显，如图2、图3所示。

图2 6线地震剖面图

图3 9线地震剖面图

从地震剖面图中可以看出，推断赋煤区内煤层反射波连续且变化平稳，推断采空区内煤层反射波分布杂乱无章，变化没有规则，疑似采空区内煤层反射波表现为部分区域分布杂乱或部分区域突然消失，解释为局部采空或煤层变化，煤层结构变化区内煤层反射波与正常地层对应反射波存在明显差异，但仍有成层痕迹，排除采空区的可能性，解释为煤层结构变化。

3.3.2 区域1瞬变电磁法物探结果分析

本次探测共得到65条瞬变电磁测线结果，其中T25测线特征较明显，视电阻率断面图如图4所示，可以看出T25测线视电阻率分布均匀，中部呈相对高阻，上、下呈相对低阻，下部成层性好，在1—12号点(圈定区域)之间视电阻率表现为高阻异常，结合地震资料和已知资料分析，判断该区域为采空区。

图4 T25测线视电阻率断面图

3.3.3 区域2瞬变电磁法物探结果分析

根据钻孔资料统计，本区域煤层采空区电阻率范围见表2。

表2 煤层采空区电阻率范围

本次探测共得到29条瞬变电磁测线结果，其中1040测线特征较明显，视电阻率断面图如图5所示，可以看出1040测线视电阻率在垂直方向上变化不均匀，在水平方向上变化均匀，中部的电阻率比上部和下部都高，如在1020—1200点和1280—1360点之间表现为局部高阻，结合已知资料分析，判断该区域为采空区，在1200—1280点之间表现为低阻特点，判断为富水区。

3.3.4 区域2音频大地电磁法物探结果分析

在音频大地电磁探测区内有高压线存在，为了减少高压线对音频大地电磁法探测结果的影响，只分析5-1煤层附近的异常区和富水区的分布情况，1180测线视电阻率断面图如图6所示，可以看出在1000—1180点之间视电阻率表现为低阻特点，结合已知资料判断该区域为富水区。在1240—1360点之间视电阻率表现为高阻特点，结合已知资料判断该区域为采空区，可以看出在1000—1360点区域5-1煤层已被采空，其中，部分采空区充水，部分采空区未充水。

3.3.5 综合物探分析

区域1异常区的综合分析主要根据浅层二维地震法和瞬变电磁法的探测结果进行，其中二维地震法对确定采空区及异常区的探测效果较好，瞬变电磁法对水体反映灵敏。由于布设测线时二维地震测线分布较稀疏，瞬变电磁测线分布较密集，因此分析时在二维地震测线布设的区域以地震法探测结果为准，确定异常区的范围；在没有布设地震测线的区域，由瞬变电磁法探测结果进行补充，进一步细化异常区的范围和分布形态。经过综合物探结果的处理及综合对比解释，查明了区域1内煤层采空区的分布情况，其中，推断采空区1处，疑似采空区7处，构造异常区6处，电性异常区3处，区域1综合解释成果如图7所示。

图5 1040测线视电阻率断面图

图6 1180测线视电阻率断面图

图7 区域1综合解释成果

区域2测区西部有两条高压线穿过，音频大地电磁法大部分数据受高压线干扰较大，整体数据可信度较低。而瞬变电磁受到影响范围相对较小，因此本次综合分析时以瞬变电磁法探测结果为准，音频大地电磁法探测结果进行补充修正。若两种方法解释的异常范围重合，则以瞬变电磁为主进行分析解释；若两种方法解释异常区没有重合，则对异常区可靠性等级降低。经过综合物探结果的处理及综合对比解释，查明了区域2内煤层采空区分布范围，其中，推断采空区2处，富水区6处，疑似采空区7处，如图8所示。

图8 区域2综合解释成果图

4 结 论

1)采用单一物探参数进行资料解释时，由于其参数范围广、误差大，无法准确判断地层介质，将多种物探参数进行组合，可以缩小参数范围，从而可以准确判断地层介质，提高物探结果的精度，本次煤层定性和定厚主要以自然伽玛与三侧向电阻率解释成果的平均值作为确定成果，其他参数作为补充。

2)浅层二维地震法具有分辨率高的特点，在确定采空区及异常区的范围时效果较好，但无法探测采空区积水情况；瞬变电磁法具有对水体敏感的特点，在探测低阻导体时反映灵敏，而且抗干扰能力强；音频大地电磁法不仅对水体反映灵敏，而且可以一次完成不同深度的探测，但抗干扰能力差。

3)本次研究表明浅层二维地震法和瞬变电磁法结合使用，不仅可以确定采空区的分布范围而且可以得出采空区积水情况，将瞬变电磁法和音频大地电磁法组合使用，可以相互补充，提高探测精度。