综合物探在煤田采空区勘查中的应用

2021-01-08曹永刚吉林省煤田地质局物测队吉林长春130000

化工管理 2020年36期

曹永刚(吉林省煤田地质局物测队，吉林长春 130000)

0 引言

煤炭是我国的主要能源之一，煤矿开采后会形成采空区，由此对生态环境造成一定破坏。为减轻采空区的影响和危害，需要采取有效的方法，对采空区进行探测，此项工作成为地质勘探的重要任务。下面就综合物探在煤田采空区勘查中的应用展开分析探讨。

1 勘查区域基本情况介绍

本次研究中所选的勘查区域为某煤田，在勘查区的东部存在出露煤层，岩性相对比较复杂。在勘查区的西部，分布有冲洪积物，以风化岩、砂砾石为主，厚度从0～10m不等。在砾石层内赋存有潜水，水层相对较薄，多分布于冲沟之内，以季节性赋水为主。由该煤田的开采资料可知，在对煤炭资源进行开采时，受地下水的影响比较严重，并且曾经发生过涌水事故，矿井的涌水量约为30m3/d。在该勘查区域范围内的地表水流均不具备常年性，以断断续续的形式为主，雨水及其他地表水全部都是以下渗的方式补给地下水。在该勘查区的含水层之间，存在一些透水性比较差的泥质粉砂岩，各层间的水力联系变得比较微弱。通过对勘查区内的岩石进行取样测试可知，层状结构是基岩的主要结构形式，岩石的质地相对比较软弱，为典型的软质岩体，力学强度比较高。

2 综合物探在煤田采空区勘查中的应用

2.1 勘查区综合物探的可行性

在煤矿采空区勘查中，采用某种物探方法进行勘查，虽然可以使操作过程变得简单，但由于单一的物探方法具有多解性的特点，所以很难保证勘查结果的准确性。为解决这一问题，可以采用多种物探方法相结合，对采空区进行探测，从而使勘查结果更加准确[1]。本次采用的物探方法为高密度电法、瞬变电磁法，并配合地震反射波法。选取具有代表性两条测线，用上述方法进行探测，对结果进行对比验证。其中高密度电法、地震反射波法、瞬变电磁法的勘探深度分别控制在100m、150～200m和300～400m，这样做的主要目的是为了对解释效果进行对比验证。采空区内岩石视电阻率＞60Ω·m，密度在1.4～1.8g/cm3的煤岩，波阻抗为16.8～32.4(104g/s·cm2)，密度在2.31～2.57g/cm3的泥、砂岩的波阻抗为55.4～90.0(104g/s·cm2)。在对该勘查区的基本特征进行分析后得出如下结果：具备采用多种物探方法进行探测的前提条件，综合物探在该采空区勘查中具有良好的可行性[2]。

2.2 综合物探的应用

2.2.1 高密度电法

高密度电法归属于阵列勘探方法的范畴，其应用优势体现在电极可一次性布设完成，避免了多次布设产生的干扰问题，为快速测量提供了条件；可对多种电极排列方式进行扫描测量，能够准确获得丰富的地电断面结构特征；信息丰富、解释方便。在对本文中的勘查区进行高密度电发探测时，选用的仪器型号为WGMD-9，这是一套超级高密度电法系统，上电开机后，可对勘查区内的相关数据进行自动采集，施测方式为高密度α排列，当测线的长度比较长时，可以进行分布式测量，这样可以使探测的有效范围与瞬变电磁法的测线相重合[3]。

(1)测线A。该条测线的点间距按照5.0m进行布设，剖面的总层数为19层，整条测线的实际长度为990m。图1为综合物探成果断面示意图。

图1 测线A高密度电法和瞬变电磁法的成果断面示意图

从图1中可以看出，断面的高程变化在760～865m这一区间范围内，本次探测的实际深度在105m左右，视电阻率值的变化区间在5.0～275Ω·m，通过不同的色级对视电阻率值进行表示，按照从小到大的顺序，色级由深蓝到大红。在浅表分布有渐变蓝色，视电阻率值的变化区间在5.0～30Ω·m，这是该勘查区内潮湿岩层的电性反应所致。不同的测线长度对应的高程均不相同，但却都出现高阻异常封闭圈，视电阻率值的变化区间在100～280Ω·m。引起高阻异常的原因与煤矿采空之后所形成的空体有关[4]。全部异常均反映在瞬变电磁剖面图上。

(2)测线B。该条测线的点间距按照10m进行布设，剖面的总层数与测线A相同，即19层，整条测线的实际长度比测线A短100m，为890m。图2为综合物探成果断面示意图。

从图2中可以清楚的看到，断面的高程变化在770～875m这一区间范围内，本次探测的实际深度约为105m，视电阻率的变化区间在8.0～300Ω·m，通过不同的色级对视电阻率值进行表示，按照从小到大的顺序，色级由深蓝到大红。在浅表分布有渐变蓝色，视电阻率值的变化区间在8.0～35Ω·m，这是该勘查区内潮湿岩层的电性反应所致。整条测线上，有两处出现高阻异常封闭圈，一处为240～335m，另一处在430～540m，视电阻率值的变化区间在80～300Ω·m。引起高阻异常的原因与煤矿采空之后所形成的空体有关。全部异常均反映在瞬变电磁剖面图上。由高密度电阻率反演图可知，高阻异常半封封闭圈出现在测线的640～735m上，但该异常却并未呈现在瞬变电磁剖面图上。通过对相关资料进行分析后得出如下结论：该异常为煤矿采空区的宏观反应所致。

2.2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法是一种利用脉冲磁场，探测介质电阻率的物探方法，通过该方法可获得不同深度的地电特征。其优点体现在探测效率高，对低阻体具有非常高的敏感性，是煤田勘探的首选方法之一，不会受到地形的影响，可以提供大量有利用价值的信息。

(1)剖面A。该剖面上的测点按照10m间距进行布设，整个剖面的长度为540m，剖面的具体方向为北东15°。将测点的间距设置为横轴，高程设定为纵轴，选用1:2000的比例尺。图3为剖面A瞬变电磁物探成果断面示意图。

图3 剖面A瞬变电磁物探成果断面示意图

从图3中可以看出，该断面的高程变化在650～860m这一区间范围内，本次探测的实际深度为210m，视电阻率值的变化区间在8.0～125Ω·m。高阻半封闭圈出现在240～340m，视电阻率值的变化区间在45～65Ω·m，主要为煤层的电性反应所致。高阻封闭圈出现在450～576m，其上下两侧的视电阻率等值线存在明显的异常波动现象，经过推测后得出如下结果：采空区是引起高阻封闭圈的主要原因。

(2)剖面B。该剖面上的测点按照10m间距进行布设，整个剖面的长度为520m，剖面的具体方向为北东15°。将测点的间距设置为横轴，高程设定为纵轴，选用1:2000的比例尺。图3为剖面A瞬变电磁物探成果断面示意图。

从图4中能够清楚的看到，该断面的高程变化在660～857m这一区间范围内，本次探测的实际深度为197m，视电阻率值的变化区间在7.0～125Ω·m。高阻半封闭圈出现在240～297m，视电阻率值的变化区间在48～59Ω·m，主要为煤层的电性反应所致。高阻封闭圈出现在453～576m，其上下两侧的视电阻率等值线存在明显的异常波动现象，经过推测后得出如下结果：采空区是引起高阻封闭圈的主要原因。

图4 剖面B瞬变电磁物探成果断面示意图

2.2.3 地震反射波法

在本次勘查工程中，选择地震反射波法作为辅助方法，由该方法获得的结果可用于地层岩性的判断。选用的地震仪型号为WZG-24A，探测深度控制在150～200m，以对比的方法验证瞬变电磁法的结果。观测方法为24道6次覆盖，采集到的相关数据通过VISTA软件进行处理。为确保最终结果的准确性，在数据处理时，需要先进行频带滤波和叠前去噪，并在水平叠加和时深转换后得出最终的测量结果。

(1)测线A。该测线的总长度为500m，根据勘查区的地质资料，在共反射点上，连续性比较好的反射波同相轴出现在CDP125-145这个区间内，由剖面解释可以初步推断出其反映的是含煤地层。在共反射点上，存在三处同相轴错断比较严重的部位，经过推断认为是采空区引起。该探测结果与其他两种方法所得的结果基本相同。

(2)测线B。该测线的总长度与测线A相同，即500m。通过对勘查区已有的地质资料进行分析，得出如下结果：在共反射点上连续性较好的反射波同相轴出现在CDP130-159这一区间范围内，推断其反映的是含煤地层。在共反射点上有两处比较严重的同相轴错断，经推测是采空区引起，这个结果，与其他两种物探方法有良好的对应关系。