综合物探技术在煤矿采空区探测中的应用

杨小龙，张崇礼，周开心，毛金峰

(新疆工程学院 矿业工程与地质学院，乌鲁木齐 830000)

近年，国家加强了煤炭资源的回收力度，鼓励发展煤矿大型化建设，淘汰落后的小型生产煤矿，积极推进资源整合。20世纪采矿工艺比较落后，对矿产资源保护意识不强，许多民营矿山生产设计不规范，未对采空区进行有效处理，使得各个空区位置、形态特征各异，位置隐蔽，矿山安全生产存在极大隐患，因此对采空区进行精确探测、合理稳定性分析具有重要的现实意义。在众多采空区探测技术中，高密度电法和瞬变电磁法具有受地形影响较小、施工效率高、不受接地条件限制、能保证深部地电信息有较高分辨率的特点，在煤矿采空区探测中应用十分广泛。

1 高密度电法和瞬变电磁法的基本原理

1.1 高密度电法的基本原理

高密度电法在露天矿采空区探测方面的研究始于20世纪后期，这是一种先进的阵列探测方法。该方法以静电场理论为基础，其目的是探测被研究的采空区及上覆岩体的电性差异。高密度电法技术原理是保持电极间距不变情况下，将4个电极同一时间移动，记录每个点，当检测完所有电极后，再增大电极间距，逐个检测，如此循环，直到取得电极距达到最大。绘制图形为一个倒梯形断面图，可同时显示水平和竖向变化。

1.2 瞬变电磁法的基本原理

瞬变电磁法的基本原理是电磁感应定律。利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。

线圈的垂向深度(dr)和半径(Rr)如下：

(1)

(2)

线圈垂向传播速度v为：

(3)

式(1)～(3)中，ρ-均匀半空间电阻率；t-采样延时；μ0-空气导磁率。

如下半空间为层状大地，则(4)式中的速度vt为时间所对应的地层速度，由下列差分式求出：

(4)

式中，tj、ti为相邻两延时道取样时间，tj>ti；ρi、ρj为视电阻率。

将(3)式改写为电阻率表达式并将(4)式代入，得视电阻率计算公式：

(5)

图1 高密度电法原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the principle of high-density electrical method

2 实例分析

2.1 工程简介

庆华露天矿是一座经资源整顿合并后年产1.2 Mt/a的现代化露天矿山，原矿区内包括4对年产量10万吨以下的矿井，首探采空区位于首采区的东北部，该采空区煤层开采水平为+750 m，开拓方式为后退式开采，主采煤层为8号煤；为近水平煤层采空区，构造不发育；采空区埋藏深，一般150 m以内，采空区部分充水；地表见有明显的塌陷坑，塌陷坑直径约为20～40 m，深度为10～20 m。经调查，采空区有大面积整体跨落灾变的危险，需要进行治理。治理的采空区面积为0.2 km2。本次物探施工瞬变电磁法测线29条，总物理点为1 118个。

2.2 高密度电法资料分析

根据本次物探工作的解译原则和高密度电法视电阻率反演断面图所反映的地电特征，结合地质资料和调查资料，研究反演断面图所反映异常的引起原因，确定异常是否为采空区引起。高密度电法资料解释时，根据调查资料和已知的钻孔资料，对应异常反映位置，总结出采空区反映的电性特征为当视电阻率大于100 Ω·m时，等值线形态梯度变化较大或呈闭合圈，当满足以上异常电性反映时推断为采空区。选取具有典型代表的GMD-13线和GMD-22线进行资料分析。

该测线通过钻孔ZK3、ZK4、ZK5，结合钻孔资料从该条测线视电阻率反演断面图可以看出，钻孔ZK3在桩号1 310 m附近，ZK4在桩号1 050 m附近，ZK5在桩号1 240 m附近，煤系地层在测线小号方向埋藏深度深，在大号方向埋藏深度浅，平均埋深120 m左右，即在标高760 m上下。在测线桩号1 060～1 200 m、1 250～1 350 m位置，视电阻率小于100 Ω·m，呈相对低阻反映、等值线梯度变化较大的电性特征，推断该异常位置为采空区引起，且在桩号1 250～1 350 m位置视电阻率小于40 Ω·m，推断该处相对富水。

图2 高密度电法GMD-13线视电阻率综合剖面图Fig.2 Comprehensive profile of GMD-13 line apparent resistivity under high-density electrical method

图3 高密度电法GMD-22线视电阻率综合剖面图Fig.3 Comprehensive profile of GMD-22 line apparent resistivity under high-density electrical method

该测线通过钻孔ZK10(位于桩号1 250 m附近)，根据钻孔资料，8煤埋深在104.7～131.9 m，即标高780 m上下，从视电阻率断面图上可以看出，高密度电法受测量深度限制，未能很好地反映出采空区的形态。

2.3 瞬变电磁法资料分析方法

对于瞬变电磁法的资料解释，主要依据视电阻率等值线的梯度变化，结合调查资料所记录的地表特征及钻孔资料来解释。选取具有典型代表的L3线和L20线进行资料分析。

从等值线形态来看，曲线略向下弯曲，呈相对低阻，钻孔揭露该位置为煤层。根据钻孔资料，在桩号1 120～1 190位置，视电阻率值呈现相对高阻，等值线梯度变化较大，说明煤层原始形态发生变化，推断该线异常为采空区引起。

瞬变电磁法L20线资料分析。

图4 瞬变电磁法L3线视电阻率综合剖面图Fig.4 Comprehensive profile of L3 line apparent resistivity under transient electromagnetic method

图5 瞬变电磁法L20线视电阻率综合剖面图Fig.5 Comprehensive profile of L20 line apparent resistivity under transient electromagnetic method

塌陷坑T9位于桩号1 010 m之前，塌陷坑T8位于桩号1 240～1 260 m位置处，根据T9和T8所反映的电性特征，在桩号1 000～1 160 m、1 340～1 400 m，视电阻率值呈现相对低阻，等值线梯度变化较大，说明煤层原始形态发生变化，推断该异常反映为采空区引起，相对富水；在桩号1 230～1 270 m，视电阻率呈现相对高阻，推断为采空区引起。

从图中可以看出，纵向上视电阻率呈现高-低-高的变化特征，电性分层明显，反映了第四系、第三系、侏罗系地层的电性特征。横向上视电阻率变化微弱，仅是局部等值线形态发生变化。

3 结语

本次采空区探测施工完成瞬变电磁法测线29条，总物理点为1 118个，高密度电法测线29条，完成测点1 544个。通过分析各测线电阻率断面图沿测线方向上地质体横向上和纵向上的电性分布特征，总结采空区在电性特征上表现为：视电阻率等值线形态表现为略向下弯曲或闭合圈异常，电阻率值有高有低。根据电阻率等值线或色谱的形态、规模、变化特征及数值大小，在平面上圈定了8个采空区和3个疑似采空区的分布范围，其采空区总面积为87 100 m2，为该露天矿后续组织生产和安全作业提供了有用可靠的地质资料。