綜合物探方法在煤礦采空區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用

1、瞬變和淺震物探方法在煤礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用摘要：本文指出了對老采空區(qū)進行勘查的必要性。針對采空區(qū)的地球物理特征，合理選擇了瞬變電磁法和地震法兩種物探技術(shù)，結(jié)合實例分析，介紹了對物探數(shù)據(jù)進行合理解譯的方法，證明了兩種物探方法相結(jié)合在煤礦采空區(qū)勘查中的有效性。關(guān)鍵詞：物探；采空區(qū)；瞬變電磁法；地震法中圖分類號：P631.3,P631.4 文獻標識碼：AAPPLICATION OF TEM AND SEISMIC EXPLORATION IN COAL-MINED-OUT AREAZHAO Guang-rong(Bureau of Coal Industry of Eerduosi, Dongshe

2、ng District of Eerduosi in Inner Mongolia,017000)Abstract: the paper has expounded the necessity of investigation to coal-mined-out area. According to geophysical characters of coal-mined-out area, appropriate two methods are selected, they are transient electromagnetic method and seismic method exp

3、loration. By analysing examples,exact technical approaches for geophysical explorations are introduced. The research conclusions prove that it is proper of comprehension of two geophysical explorations in detecting coal-mined-out area.Key words：geophysical surving; coal-mined-out area; transient ele

4、ctromagnetic method exploration；seismic exploration1 前言鄂爾多斯市是我國煤炭儲量最豐富的地區(qū)之一。幾年前，鄉(xiāng)鎮(zhèn)、個體小煤礦星羅棋布，分布很廣；近幾年，許多小煤礦現(xiàn)已關(guān)閉或通過技術(shù)改造而合并。由于小煤礦不僅開采工藝落后、技術(shù)管理不到位，資源浪費嚴重，而且嚴重缺少工程技術(shù)人員，人員更換調(diào)整頻繁，在無設(shè)計、無規(guī)劃、無圖紙的情況下，濫采亂掘，使得采空區(qū)位置不準確或根本無文字和圖紙記錄，存在很多安全隱患。比如2009年3月曾發(fā)生一起技改礦掘進巷道時突然與小煤礦老空區(qū)打通，一氧化碳涌入致多人中毒傷亡事故。因此，開展對存在隱患的礦山企業(yè)的督促整治，摸清小

5、煤礦的老采空區(qū)位置情況，建立和制定相應(yīng)的制度和方案措施，是十分必要的。礦體采動后，地下介質(zhì)層間的電性、彈性波等物性會產(chǎn)生差異，給地球物理勘探方法的研究和實施創(chuàng)造了前提條件。本文就是通過瞬變電磁法和地震法兩種物探方法綜合，來完成采空區(qū)的識別和判斷。2 地下采空區(qū)的地球物理特征2.1 地下采空區(qū)的電性1當煤層未被采動時，地層一般呈現(xiàn)成層性且表現(xiàn)出完整性，因此，電性比較穩(wěn)定。煤層采出后，煤層頂?shù)装鍘r層間形成一定的空間，破壞了巖石的完整性、連續(xù)性，故該處電阻率值明顯高于周邊未采動的完整地層的電阻率，表現(xiàn)出明顯的局部高阻特性。若采空區(qū)的空隙被水充填，由于水的導電性，其電阻率呈低阻反映，但一般范圍很小。2

6、.2 地下采空區(qū)的彈性波特性1未被采動的煤層與其頂?shù)装鍘r性上的差異是一個較為穩(wěn)定的波阻抗界面，因此具有良好的彈性波反射條件。以人工激發(fā)的彈性波在地殼中傳播，當遇到彈性分界面時，其路徑、振動強度和波形將隨所通過介質(zhì)的彈性性質(zhì)和幾何形態(tài)的不同而變化。在采空區(qū)內(nèi)，波的旅行時間和速度會受到很大影響，同相軸發(fā)生畸變異常，煤層反射波的這種中斷、扭曲、振幅和頻率特征等變化為開展地震勘探提供了工作前提。3 物探原理和特點3.1 瞬變電磁法原理和特點2瞬變電磁法（Transient electromagnetic method，簡稱TEM）是基于電性差異，利用不接地回線或接地線源向地下間歇地發(fā)送一次脈沖電場，在

7、一次脈沖磁場的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵引起的感應(yīng)二次場（按指數(shù)規(guī)律衰減），二次場的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān)：低阻地質(zhì)體感應(yīng)慢，二次場電壓較大；高阻地質(zhì)體感應(yīng)較快，二次場電壓較小。這樣，根據(jù)二次場衰減曲線的特征，就可以判斷采空區(qū)的位置。TEM具有受體積效應(yīng)影響小、縱橫向分辨率高、探測深度大、發(fā)現(xiàn)異常能力強、受地形影響小、施工方便、快捷、效率高等優(yōu)點。但當?shù)孛鏈y點上方有高壓線、測點周圍有大的金屬結(jié)構(gòu)或測區(qū)地下有綜采設(shè)備等大型金屬用電設(shè)備時，測量數(shù)據(jù)會受到較大干擾，不利于解釋。3.2 地震法原理和特點3-5當波在地下介質(zhì)中傳播時，如遇到不同的介質(zhì)界面，會產(chǎn)生反射、折射和透

8、射。在工程地質(zhì)勘察中常用淺層工程反射波進行探測。這種方法利用的是不同介質(zhì)波阻抗（巖石密度與縱波的速度乘積）的不同，在分界面處產(chǎn)生波的反射以及散射等現(xiàn)象，通過接收反射波、散射波的信息，進而達到獲取地下介質(zhì)狀態(tài)、物性參數(shù)。未被采動的巖層具有穩(wěn)定的波阻抗界面，當?shù)叵麓嬖诓煽諈^(qū)時，波的旅行時間和速度會受到很大影響，同相軸發(fā)生畸變異常波阻抗界面明顯存在。可根據(jù)地面上不同時間接收到的反射波來判斷地下采空區(qū)的位置與范圍。地震法具有分辨率高、勘探深度大、施工速度快、成果直觀等特點。但是，采空區(qū)上方巖石破碎，地震波要發(fā)生散射，使得有效波不能很好地得到，進而影響到探測的準確性?；谝陨蟽煞N物探方法的特點，本次物探

9、決定采用兩種方法的聯(lián)合，發(fā)揮兩種方法各自的優(yōu)勢，彌補一種方法的不足，提高探測精度。4 工區(qū)概況物探區(qū)位于伊金霍洛旗某煤礦界內(nèi)。該煤礦位于鄂爾多斯高原中南部，區(qū)內(nèi)地形切割劇烈，樹枝狀溝谷縱橫發(fā)育，基巖大部裸露，屬典型侵蝕性丘陵地貌。海拔標高為1248-1358m，最大標高差110m，一般相對標高差50m左右。該煤礦位于東勝煤田四道柳找煤區(qū)西部，根據(jù)地表及鉆孔揭露，礦區(qū)范圍內(nèi)地層由老到新依次有，三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）、侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）、第四系上更新統(tǒng)（Q3m）和第四系（Q4）。該煤礦為3個小煤礦整合并擴大開采面積后而成。礦井面積8.02km2。井田內(nèi)僅有4個鉆孔可供利用。據(jù)鉆孔

10、資料，井田內(nèi)含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組地層，井田內(nèi)共有可采煤層2層，即4號（平均煤厚3.42m）、5號（平均煤厚2.07m）煤層，在井田內(nèi)全區(qū)分布且可采（局部自燃除外），為主要可采煤層，兩層煤的平均間距為30.6 m。物探區(qū)位于礦井的東北部，曾有2個小煤礦在物探區(qū)內(nèi)進行過采礦活動。這2個小煤礦在合并前沒有專門的技術(shù)管理人員，其中一個小煤礦圖紙數(shù)年沒有填繪，另外一個根本無圖紙資料，這2個小煤礦在合并時已停產(chǎn)近2年，物探前僅能看到已坍塌廢棄的2個井口。因此，無法確定采空區(qū)位置，需物探完成圈定。物探范圍為700×600m。見圖1。5 物探工作及解釋5.1儀器選擇及指標參數(shù)瞬變電磁法：美國

11、ZONGE公司的GDP32-型電法工作站，ZT30發(fā)射機。測量網(wǎng)度：100m×40m，回線規(guī)格：100m×200m，供電方式：電瓶間歇供電，發(fā)射電流：7A以上，供電頻率：32hz，單道時窗：30.52us，疊加次數(shù)：512。地震法：美國SI公司生產(chǎn)的S- Land全數(shù)字化地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。道距:3m，偏移距：18m，觀測系統(tǒng)：單邊激發(fā)12次覆蓋，前放增益：36dB，采樣率：1.0ms。52測線、測點布置瞬變電磁法：測線8條，線距100 m，點距40 m，點數(shù)128個。地震法：測線3條，線距300m，點距3m，完成剖面長2.32km。3條地震測線與瞬變電磁法的測線（100線、

12、300線、600線）重合。見圖1。 圖1 物探區(qū)地形、范圍和物探測線的布置 圖4 物探結(jié)果圖5.3 物探數(shù)據(jù)的解譯物探區(qū)測線8條，100線和600線為瞬變電磁法和地震法的重合線，具有典型意義，本文選取600測線視電阻率剖面圖（見圖2）和地震反射時間剖面圖（見圖3）并結(jié)合其他測線做詳細解釋。圖2 600線視電阻率剖面圖通過對實測資料的分析發(fā)現(xiàn)，視電阻率背景值一般在80-100.m，綜合分析設(shè)定以110.m為下限劃定4#煤采空區(qū)。100線100-440在20-50m深度部位出現(xiàn)100.m以上的視電阻率高阻異常反映，同時，地震反射波缺失，結(jié)合地面在100、200線樁號220-360m間發(fā)育的以地面裂

13、縫為主要表現(xiàn)形式地面變形現(xiàn)象，推測上述部位應(yīng)由4號煤層采空區(qū)引起。綜合分析設(shè)定以70.m為上限劃定5#煤采空區(qū)。在200線580-660、3線450-660、800線340-500等段深度20-50m出現(xiàn)視電阻率3070.m的低阻異常，同時，地震反射波缺失，結(jié)合煤窯采掘分析是由于5號煤層采空區(qū)引起。圖3 600線地震反射時間剖面圖在400、500、600線對應(yīng)采空區(qū)段出現(xiàn)視電阻率30-50.m的低阻異常，分析是由于5號煤層采空區(qū)積水引起。解釋成果詳見圖4。6 結(jié)論物探方法具有多解性，在解釋過程中，常常會遇到多種解釋結(jié)果，在這種情況下就需要選取兩種不同原理的物探方法，互相彌補各自的不足，達到優(yōu)勢互補,從而有效避免單一物探方法的多解性和不確定性,獲得較為理想的數(shù)據(jù)，提高物探的解釋的準確性。瞬變電磁法和地震法有完全不同的理論基礎(chǔ)，本文成果充分說明了這兩種方法是比較合理的技術(shù)組合，在煤礦采空區(qū)調(diào)查中能夠得到理想的解釋成果，可以大范圍推廣應(yīng)用。參考文獻1于國明，李靜，韓革命.綜合物探方法在深部煤層采空區(qū)檢測中的應(yīng)用研究J.陜西地質(zhì).2003, 21