高精度重力测量在煤矿采空区探测中的应用

刘潇逊

（贵州省地质矿产勘查开发局一〇六地质大队，贵州 遵义 563000）

目前由于对煤矿开采过度的行为，造成很多山区中都存有煤矿采空区。煤矿采空区自身存在一定的安全隐患，其内部构造镂空，当出现雨雪天气时，容易发生塌方等事故，造成山体断裂，从而引发更严重的安全事故。因此，为减少安全隐患，减少人员伤亡的情况发生[1]，本文基于高精度重力测量技术，对煤矿采空区探测进行设计。高精度重力测量技术是指根据不同的工作需求，完成探测目的，对其实施重力测量。针对贵州地区，进行重力加速度的测量，通过计算获得对应的数值。在高精度重力测量技术中，重力测量的方式主要分为绝对重力测量与相对重力测量。本文利用高精度重力测量技术针对煤矿采空区的内部构造进行测量，可以得到采空区的位置、深度以及分布范围。设计重力测量剖面布设，对测量区域作出划分，反演采空区模型，通过欧拉反褶积原理的计算，对重力测量到的异常数据进行计算分析，对测量到的数据解释说明。通过实验论证分析，与其他探测方法相比，本文设计的高精度重力测量应用能够更清晰准确地获得采矿区的深度等数据。

1 基于重力测量的煤矿采空区探测应用设计

1.1 重力测量剖面的布设

在进行高精度重力测量时，分析研究地区的地质特征，确定贵州省地质符合重力测量剖面布设的条件[2]。符合重力测量剖面布设的条件一般指该地区的地质多为坚实的矿山，能够承受重力测量的剖面布设。在设计剖面线过程时，应该设置比例尺，根据实际情况设计两条剖面线，比例为1:100，纵向的剖面线设为I 线，横向剖面线设为II 线。其中，I 线的长度一般较长，需要设置在225～230 m之间，该长度能够覆盖整个煤矿采空区，方位角为312°，其高度一般在80 m 左右；II 线的长度较短，一般为150～180 m 之间，具体长度需要根据煤矿采空区的实际大小为标准，保障其覆盖住整个煤矿采空区，方位角为33°，高度相比于I 线更高，需要保持在100 m 以上。其中，I 线与II 线的交点为30号点，该点一般位于煤矿采空区的中心处，也是采空区地下拱形的最高点。在重力测量的布设下，四周应该设置出口，分为东南西北四个出口，东出口距离30 号点长度为80 m，西出口距离30 号点为150 m，南北两个出口距离30 号点均为120 m，具体出口的位置根据矿区的采石量来设定。当采石量较多的时候，该采空区内部的构造较空，需要将出口设置得离中心30 号点更近的位置。

本文采用CG-5 型高精度重力仪进行煤矿采空区测量，需要对其完成4000 个以上测量点，精度达到0.037×10-5m/s，能够准确测量出对应的重力结果。

1.2 反演采空区

针对重力测量剖面的采空区模型开始反演，以I 线与II 线为标准，对采空区模型进行区域划分[3]。I 线为SN 向，II 线为EW 向，其将采空区分成四部分，分别对四部分开始反演，分为WN 区域、EN区域、WS 区域与ES 区域。其中应注意EN 区域的探测，SN 区域的重力梯级一般会带动EW 区域内山体的扭曲与错断，在WS 区域内部，容易形成阶梯状的盆地，需要对其进行严格把控。通过对四个区域的反演，能够得到长度与重力之间的曲线图像如图1 ～图4。

从图1 ～图4 反演图像可以看出，WS 区域的反演图像波动较大，表示其容易形成阶梯盆地状，对其重力产生了一定的影响；ES 区域的反演图像波动频率较高，其主要形成一个坑洼不平的区域，在该区域内，由于整体的重力受力不均匀，容易造成塌方情况的发生[4]。

图1 WN 区域反演图像

图2 EN 区域反演图像

图3 WS 区域反演图像

图4 ES 区域反演图像

本文基于对不同区域的反演，可以得到不同区域的深度，当选取为100 m 时，则设计的迭代次数取10次，反演的高度与实际采空区的深度基本一致。因此，通过反演图像，能够得到对应的采空区的深度，从而探究其内部构造。

1.3 完成重力异常数据处理

在完成煤矿采空区模型的反演后，可以获得对应的采空区内部的构造数据，其中某些数据具有一定的异常，对重力异常的数据设置欧拉反褶积处理，可以获得准确的重力数据。部分场源构造指数参考表见表1。

如表1 所示，经过重力测量后，可以获得对应的采空区的构造数据，结合表中的参数，对其设置模拟处理，构建一个虚拟的图像还原采空区的构造。对某些异常的数据运用欧拉反褶积理论处理，则可以得到准确的数据。当I 线左侧区域的幅值为0.1×10-5m/s2，则表示该区域内出现一定异常测量[5]，根据欧拉反褶积处理解释。当N（孤立场源）=0 时，则表示该数据受地表不均匀密度体干扰，需要对其进行适当调整，对边缘设置松动圈，从而稳定该区域内的密度，开始再一次测量。

表1 部分场源构造指数参考数据表

根据高精度测量技术进行煤矿采空区的构造分析工作，能够获得地下的深度与分布位置，有利于排除安全隐患。

2 实验论证分析

2.1 实验准备阶段

选取贵州贞丰县挽澜乡大石堡煤矿区，在该区域内设置五个探测点，分别位于WN 区域、EN 区域、WS 区域、ES 区域以及30 号点。分别对以上五个探测点设置钻孔，确定五个探测点的实际深度，预设两组实验，实验A 组为本文基于高精度重力测量技术探测煤矿采空区高度，实验B 组为物理法探测采空区高度，与实际高度进行对比，得出实验结果。

五个钻孔点分别设为ZK01、ZK02、ZK03、ZK04、ZK05，五个测量点高度均不相同。

2.2 实验结论及分析

通过对五个钻孔点测量，实验A 组采用重力测量仪，实验B 组采用物理测量尺，得到两组实验数据见表2。

如表2 所示，实验A 组的数据接近于实际数据，实验B 组与实际数据之间存在较大差距，容易造成误差，从而影响对采空区的安全隐患排除工作的开展。

表2 钻孔测量点高度数据对比表 （单位：km）

综上所述，本文基于高精度重力测量煤矿采空区的方法更能够准确排除采空区中存在的安全隐患，能够获得准确的高度数据。

3 结语

本文基于高精度重力测量对煤矿采空区探测中的应用提出了研究设计。在以往的相关研究中，主要运用物理探测技术对煤矿采空区探测，确定煤矿区域中存在的安全隐患，不能够进行全面的侦查，因此本文利用高精度重力测量，能够有效探测煤矿采空区内部的结构，对其设计演变设想，从而得到需要的信息与数据。