综合物探在采空区及积水勘探中的应用

贾 荣

1 工作面地质概况及探测任务

首先，矿井回风巷道的走向，全长约一千米。线路南侧为轨道道路，穿过断层。道路左侧渗水。据专家估计，巷道左侧也为一处积水区的采空区。矿井的副井和斜井管道长度六百三十米。位于雪山回风断层巷道北侧，与雪山断层巷道交汇。副斜井右侧约五百八十米以上，为煤层采空区；左侧工作区地面以下回采区的煤层壁厚比较稳定，一般厚约三点六零米，工区内的巷道有时也不会有轻微渗漏。为了有效保证井下的安全正常生产，必须开展地下物探工程。本次检查的关键任务之一是探测回风巷道左侧积水的采空区及其渗透性。

2 勘探区地球物理特征

在探测的范围内，由于岩性或构造类型的不同也会使导电性能产生一定的差异变化，但由于地电类检测法的理论基础仍然是根据导电性能的高低而不同，也由此建立了地质信息测量的理论基础。通过多年的理论研究与实践证明，在煤层开采瓦斯时被采空后，所覆岩重力与岩石地层构造应力导致了采空区面积的基本顶坍落度，从而导致了采空区面积和所覆岩块结构的向下垮落，并随之发育产生了第三带，空区面积和所覆大坝的基础岩性结构与其他地层之间具有了显著差异的地球物理特征，一般主要表现为以下几点：

首先，采空区上覆岩层中存在崩落带，岩石结构发生变化，使岩石呈现破碎松散状态。在这种情况下，地表水更容易向下流动，导致采空区积水和严重的安全事故。

其次，与一般岩石的水平剖面比较，采空区裂缝带岩石表面虽不存在松动开裂现象，但由于裂缝的出现则给积水创造了良好的水力通道，较易于形成采空区积水。铀探测浓度也与地层中的放射性物质浓度相关。所以，由于放射性材料浓度比较高，所以在岩浆岩中的氡含量也就较高，而由于沉积岩的下埋深度比较浅，所以氡值也就较低。

3 勘探方法选择及应用

3.1 综合物探概述

3.1.1 综合物探的概念

物探检查可以解决和发现有关地质学与工程问题的重要因素之一是，要求检查的地质对象与其周围介质间具有特定的物理差异。这些生物差异将影响所搜索地质体附近某些天然和人工物理场的生物分布特点。地球物理技术主要是运用最现代的地球物理仪器设备，通过吸收一些物理场的分布规律，与地球均匀条件下的物理场进行比较，以寻找差异的部位，并研究与探测对象间的关联，从而达到处理地理问题或工程问题的目的。

根据矿井矿层可能存在的采空区和积水，采用瞬变现象电磁法和氡气法，通过对综合地面地球物理施工资料的分析，确定采空区面积最大的区域和采空区体积，并通过理论计算对静态地下采空区积水进行了预测。试验后，采空区存在采空区，同时存在大量的静积水，为矿层开采安全开采奠定了技术基础。几年后，由于某些新方案、新技术以及新仪器的问世，简单解决方案的应用例子十分广泛。它是在地理科学中一种新兴的、非常活跃和迅速发展的专业领域。同时，它也是工程测量的主要方法之一。在一定程度上，它的应用和发展已成为反映地理工程测量科学技术现代化水平的主要标志。

而综合物探，则是在进行物探时，使用多种物探的方法，综合物探的分类达到了共同完成或处理某一地理及社会工程问题的目的，以达到良好的地理效应和社会效果、经济性，以适应工程的技术要求。

3.1.2 综合物探的优势

（1）具有更高的安全性。传统的全球物探勘探技术效果相对独特，如物探重力勘探或物探温度勘探，但目前的全球物探勘探方法已经综合了各种物探勘探方法的主要功能。可以同时进行重力和温度的物探测量，这提高了地质测量的稳定性。

（2）提高了物质勘探的质量。运用综合物探法能够合理的探查地质周围的结构，并且还能够运用低温探测法对周围的安全状况进行探查，在出现异常状况时能够对其做出准确的标注。综合物探勘查法中的电探法，可以更精确的检查岩层及其地层结构并对其作出自主分类，为勘察人员提供更有力的信息。而因为岩石磁性的丰富程度不同，要想全面掌握岩石的结构及其岩石磁性的分布就一定要通过磁法勘探法，来掌握岩层内的磁性分布规律并为地理勘察人员提供有关岩石磁性信息。在开展综合地质勘察工作时不但要掌握岩体的磁场分布，还必须掌握岩石的岩层状况及其中矿物的密度等，这就必须运用综合物探勘察法中的热重力仪进行勘察。在运用综合物探法开展勘察工作的过程中，可以运用电法勘探的方法认识岩层构造，并探测其是否满足开发的要求，电法勘探能够更有效的为地质开发人员提供安全保障。总之，综合物探法汇集了其他物探方法的优点，对地质矿产有着一定重要性。

综合物探法广泛应用于地质勘察过程中，但一些调查单位尚未接受全球物探方法。因此，在实际的地质调查过程中，通常采用简单的传统全球勘探方法。同时，调查方法的多样性也导致了调查数据的多样性，这不仅不利于数据分析和后续研究人员的整合，而且提高了地质调查的成本，大大降低了地质调查的效率。目前中国的燃料供应量很大且对燃料的要求品种也较多，对浅层资料的研究已无法适应当今市场经济发展的要求因此现在一定要将视线投向深部资料，这就要求勘察技术人员要改变自身的勘察方法，运用更为先进的综合物探法对地质条件展开勘察，增强勘探工作的准确度。

3.1.3 地质勘察中，对综合物探方法的运用

（1）物探模型的应用。能够利用对研究区内的电磁测深、磁力强度、引力场或者震害之类的物探数据分析，对密度、磁力或者典型等等其他物质资源或者储备层的地震发生波速之类数据分析信息来进行科学合理的分类，并且也能够在这种基础上根据研究区内地理背景，从而能够构建出研究该区的地质-物探模式，并且在明确了地质学资源的储备深层和规模之后，还能够分析矿山地区断层，从而综合评估了地质学资料利用的前景。总体而言，能够通过运用综合物探法来更加准确的掌握所勘探区域的地质—物探模式，这样就能够为今后的开采系统模式的形成过程和能量储备状况做出进一步分析，从而给出更加合理的数据基础和参考。

（2）选择合适的物探措施。综合物探技术主要利用不同的勘探数据测量一个区域，包括水平测量和垂直测量。它可以合理地修正现场测量值，然后与地质资源进行水平或垂直比较，以探索地理位置。同时，在实际勘探过程中，还必须更多地关注不同的地理条件或区域，并结合各种物探方法采取措施，以促进或提高勘探的安全性和准确性。具体物探方法应根据同一具体情况的地理条件或岩层特征进行科学分析。如果结果不同，测量仪器也会异常。因此，物探技术的主要任务是在实践中；首先是对特殊保护区的地理资源进行分析。然后定义了土壤下岩层的增减变化和缺陷的具体分布。最后，有必要进一步评估勘探区岩层的结构特征和储罐深度。在确定三项主要任务后，将地质数据进行比较，以发现最可行的物探对策。

（3）综合物探方法的组合。在对地质资料勘查中，中国传统的物探方法多将可控因原大地电磁性法和地震法综合，以发挥出其优势，从而避免了在资料勘查中的科技缺陷，以达到优势互补。比如说可控源电磁波具备了检测区域比较广阔、测量精度准确的特点，但是由于其价格比较高昂，效果也较差，还面临着深层遮蔽的问题。地震勘探法的主要优点就是探测深度大，精度高，但劣势在于工作效率低下、收费高昂、后期管理花费时间过长等。把这二个办法整合，不但能够增强勘探中的抗干扰能力，同时又促进了勘探深入化，从总体上既保证了准确度、又达到了效益的提高。

3.1.4 物探的分类

（1）重力勘探。重力探测，就是通过研究由地下岩石与其邻近地层间、或各种地质体和围岩间的相对密度不同所造成的重力场的改变（即“重力异常”）来探查矿藏、区分岩层、并研究地质结构的一门物探方法。引力异常，是由于质量密度不平衡所导致的重力场的改变，它叠加到了地球的正常重力场上。

（2）磁法勘探。磁法勘探，就是通过研究由于地底岩石与其邻近地层之间、以及各种地质体和围岩间的磁力差异，所产生的地面磁场强度的改变（即“磁异常”）以探查矿藏、分析岩层、研究地质结构的一种物探方法。磁异常是由于磁性矿物以及岩体的与地磁场相互作用下形成的磁性物质叠加到正常场上而产生的，并与地质结构和某些矿物的分布存在着很大的关联。

磁法勘探，按观测磁的方法可分成地面磁测与飞机磁测二种基本方法。

（3）电法勘探。电法勘探是以岩层、矿产等介质的电学特性为基准，通过研究自然的现象及人工产生的电场、电磁场的分布规律，探查矿藏、分类岩性地层、调查地貌结构、处理特殊水文条件工程地质问题的一种物探方法，它是物探方法中分类较多的一个种类探测方式。根据电荷性质的不同，可分成直流电法和交流电法两种.

（4）地震勘探。震害探测是一门通过人工方式激发地震波作用，并观察其在岩体内的传播状况，以研究、探索岩块地质构造与分布规律的物探方法。确定了分界面的埋藏深度、岩层的构造成分和物理力学特性。

根据所用的反射弹性地震波技术类型的不同，以及按照我国地震震源勘探的主要工作原理方式，又大致可以再细分成三种反射弹性波法、折射弹性波法、半透射波法等等。

（5）放射性勘探。地壳里的天然宇宙放射性元素，在它们经过了宇宙光子自蜕变化的过程之后便自然会逐渐放射出诸如α、β、γ 之类的宇宙射线，而这些类的射线在它们通过化学介质后便自然会慢慢形成并逐渐游离于、萤光这些奇异的物理现象。放射性和高活度地质探测激光法，是一种利用激光研究这种地质现象从而可以找到各种放射性微量元素和铀矿石的大量储藏，以及研究处理有关我国地质科学问题、环境管理问题等的一种新型物探探测方法。

而本次的物探方法根据地形和环境的特点，选用瞬变电磁法以及氡气测量法。

3.2 地面瞬变电磁法

3.2.1 具体原理

在一定的电压范围内，二次感应电磁场的电压越高，随时间衰减的速度越慢，异常地质体的规模越大。它与接收到的二级字段具有一定的时间相关性。在一定的最小电压范围内，次级感应电磁场的电压越高，随时间衰减的速度越慢，异常地质体的规模越大。地面瞬变电磁法主要是通过一些特殊的地理资源来观测异常电流或探测异常电流的源区，从而分析异常地质体的赋存状态。

3.2.2 工作装置选择

地瞬变电磁法，主要目的是利用某些特定的地理资源，来探测异常电压或检测异常电压的源区，以便分析异常地质体的赋存情况。综合考察，瞬变电磁法的基本工作设备应包括：交叠回路（发射回路与接收回路在空间上交叠）、中心回路（方形发射回路中心采用多匝小线圈接收）、偶极子（发射回路与接收回路相隔一定距离）和大固定源（固定一个大发射回路，用小线圈沿机架内外测量线测量）设备。根据其勘察范围的地理复杂性和更复杂未知地下条件的勘探任务，所采用的仪器和装置都必须以提升所采集数据的信噪比和清晰度为核心目标，同时有大量的采样通道和叠加时间。因此，采用了加拿大菲尼克斯公司所制造的V8 电法工作站。

3.2.3 具体使用方法

瞬态电磁测量的主要工作包括了噪声分析、传输回路和匹配电流之间的相关性、检测时间以及仪器参数的选取，以及根据仪器型号、实验内容和技术参数进行合理调整。本现场的施工方法选择了240m ～300m 的传输环距，以及50ms ～100ms的检测时间，并按此要求调整匹配电阻，直至传输线波形下边缘呈斜坡状态。在测区附近钻孔周围实施钻孔侧探，并利用现场实测数据和钻孔电测数据比较，以确定监测时间是否达到预计监测深度。否则，可延长观察时间，重复上述过程。在对所收集到的主要参数进行了室内技术分析与讨论之后，通过收集、数据处理、解释有机组合、理论研究和现场测试有机组合的设计方式，对此次瞬变电磁探测的主要技术参数作出了评估，并总结如下。观测的系统类型：测线、测点距离等；接收时间通道，按照采样间隔提取并随机组合。

3.3 地面氡气测量法

3.3.1 具体原理

测氡法的基本原理：氡是一种独特的惰性放射性气体，可通过地下直接到达地表，并通过仪器转换显示地层下的状态信号。氡气在采空区富集后，因为氡气本身的原因，有剧烈的向上运动。另外，采空区的顶板及裂缝带比较发育，贯穿地表。氡气在采空区富集后，已面临较剧烈的上升运动，此外，因采空区顶板破裂带比较发育，穿越地表后，可直接在地表测量与采空区面积变化与形态改变相关的氡气异常浓度区，从而准确测量地下采空区和采空区巷道的变化和近似范围。采空区实测氡异常在地平面上呈规则矩形，大小与采空区面积基本一致，但断面上也有多个气体异常的峰值。

3.3.2 工作装置选择

检测氡气体时，一般使用活性炭检测氡法，在施工时使用tyhc 一型活性炭检氡仪。氡是一个非极性的单原子，活性炭也是一个非极性吸附剂。当这二个化合物很接近时，随着电子的转动或在较低分子水平上电子和原子核的共振作用，会不断而反复地形成瞬时偶极和色散力。氡气在高瞬时偶极子和低分子色散力的影响下，连续吸附于活性炭表面。当引起附近氡含量的偏差后，氡气进一步移动到了活性炭表面，当超过活性炭的吸收极限时，吸收功能完全终止，氡含量再次达到平衡状态。

3.3.3 具体应用方案

其施工方法：将高吸附活性碳埋入地下约四十厘米深的气坑中，待过5 天～7 天后取出，由TYHC1 活性炭吸附测氡仪测定三分钟记数，并对原始资料做好保护和预处理。

3.4 物探结果分析

3.4.1 采空区分布情况

本测定范围附近均存在原有采空区的小面积区域，并通过针对现有的原采空区面积开展了瞬变电磁法和测氡法测定工作，以提取新出现的原采空区面积的物探结果范围。

3.4.2 采空区积水量测算

为探明整个采空区积水量情况，并且为在采矿过程中的抽做得更好一些措施而奠定理论基础，根据瞬变电磁法的工作原理，采空区体积也会产生瞬时变电磁异常，即受到时变现的空气电阻率及其温度系数的急剧改变影响，因此利用仪表器与氡气体测量法综合确定了整个采空区体积的大致容积，而对于整个采空区的积水情况，则按Uc=KSM/cosα 这个公式加以统计，其中，Uc 即为采空区的积水量；S 为采空区面积；M 为煤层采高；A 为煤层的平均倾角；K 为采空地区的积水系数，取0.3 ～0.5。由于其计算方法主要是针对在煤层施工过程中，未被采动影响下的静态积水储量测算，同时也由于在煤层瓦斯开挖的施工过程中，可能会对采空区面积形成影响因素，由此导致裂隙内的发育积水大量释放，使得测算过程中存在着很大的不确定性，所以根据情况，往往要求在采掘探的过程中，适时加以测量和分析。

3.5 综合物探方法在实际应用中面临的挑战

目前还有许多的业主、勘察单位等对综合物探方式了解并不全面，与此同时在实际进行具体的地质勘查工作中仍然使用的是传统的经验观念，而不能真正形成相对的各种综合物探方式的有机组合。勘察数据的解读具有着多样化的特点，造成了对这些数据解读上没有统一性的因素相当多，比如不同的物体形状和物理性质改变等都可能对地质资料的保存状况产生影响，因此很难通过使用线性逻辑关系而加以解读，所以勘查到的数据往往具有着相当的局限性，同样也就无法为进行地质资料的勘查工作提供更加全面的帮助。

在当前中国经济社会的高速发展下，对各类资源的需要量也在逐步增加，而传统分布于较浅层地区的资料也开始逐渐进行了研究，那么就需要人们把资源勘探的深度逐步扩大。同时我们也需要提高意识，在勘探深度持续提高，技术难度增大的背景下，需要提高综合物探勘查技术水平，促进地理调查科学研究工作的不断进步。

4 结语

与一般岩石的水平剖面比较，采空区裂缝带岩石虽不易发生松动开裂现象，但由于裂缝的出现则给积水创造了良好的水力通道，较易于形成采空区积水。铀探测浓度也与地层中的放射性物质浓度相关。所以，由于放射性材料浓度比较高，所以在岩浆岩中的氡含量也就较高，而由于沉积岩的下埋深度比较浅，所以氡值也就较低。