李二鋒，張松濤，井國(guó)正

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，青海 西寧 810012)

綜合物探法在采空區(qū)及其富水性探測(cè)中的運(yùn)用

李二鋒，張松濤，井國(guó)正

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，青海 西寧 810012)

我國(guó)采礦環(huán)境日趨復(fù)雜，為了保證采礦人員的人身安全，必須采用一些高新的方法對(duì)礦區(qū)的基本情況進(jìn)行調(diào)查分析。通過綜合物探法可以將礦區(qū)礦層的構(gòu)造及賦存發(fā)育特征探查明確，此外，將采空區(qū)中的異常分布情況圈定出來(lái)。在此前提下，分析判斷采空區(qū)的基本構(gòu)造情況，從而為后續(xù)開采工作的順利完成奠定基礎(chǔ)。

綜合物探法；采空區(qū)；富水性；探測(cè)應(yīng)用

在采礦企業(yè)進(jìn)行兼并重組的背景下，要進(jìn)行規(guī)范化、大規(guī)模的生產(chǎn)，一定要將整個(gè)礦區(qū)的礦層構(gòu)造和賦存情況查明。怎樣通過現(xiàn)有的物探技術(shù)，準(zhǔn)確、快速的將采空區(qū)和富水性查明是擺在我們面前的一項(xiàng)重要工作。因此，文章通過下文對(duì)相關(guān)方面的內(nèi)容進(jìn)行了分析與闡述，從而為有關(guān)單位及工作人員在實(shí)際工作中工一定的幫助作用。

1 分析采空區(qū)的基本特征

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，我國(guó)采礦行業(yè)發(fā)展速度不斷加快，這在某種程度上得益于先進(jìn)開采技術(shù)的支撐[1]。但是，隨著開采環(huán)境的日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的探測(cè)技術(shù)已經(jīng)難以分辨出當(dāng)前復(fù)雜環(huán)境內(nèi)采空區(qū)的基本情況，所以，就需要從實(shí)際情況入手，首先弄清楚采空區(qū)的基本特征，然后根據(jù)這些特征，采取正確的方法進(jìn)行施工和開采[2]。

1.1 電性特征分析

有顯著的變化出現(xiàn)在了采空區(qū)以及上部地層的電性中，主要呈現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，同原狀地層相比，礦層采空區(qū)冒落帶巖性較為松軟，在電性方面主要是高阻比較異常；其次，同原狀地層進(jìn)行比較，煤層采空區(qū)裂隙帶巖性沒有特別明顯的改變，然而，因?yàn)榱严稁е袔r石裂隙的發(fā)育，并且逐漸降低了傳播于其中的導(dǎo)電性質(zhì)，從而明顯的增加了電阻率。通常的時(shí)候，在十幾米左右控制著裂隙帶的高度，主要是因?yàn)椴煽諈^(qū)的坍塌，導(dǎo)致有裂隙問題出現(xiàn)在了巖石中，從而明顯的增大了電阻率[3]；再次，如果采空區(qū)內(nèi)有較多的充水，這些水會(huì)不斷增加導(dǎo)電性，從而明顯降低采空區(qū)的電阻[4]。

1.2 地震反射特點(diǎn)

在采空區(qū)范圍內(nèi)，因?yàn)闆]有按照一定的規(guī)則采挖礦層，導(dǎo)致有的礦層變薄、留設(shè)礦柱、局部殘留、有的礦層變厚等現(xiàn)象出現(xiàn)，反射波在時(shí)間剖面上表現(xiàn)為振幅變?nèi)?、消失或者同相軸扭曲問題，同時(shí)，在采空區(qū)，也會(huì)有反射波生成于其中，對(duì)比礦層內(nèi)的反射波，這種反射波在時(shí)間上比較遲緩，在增強(qiáng)了振幅以后，會(huì)相應(yīng)的降低振幅，將相位能量不斷增強(qiáng)[5]。

2 幾種常見的物探法分析

通過大量的實(shí)踐研究得知，在具體的工程中，有很多物探方法都是非常合理的，因?yàn)椴煽諈^(qū)的特殊性及物探方法的多解性，不管是何種探測(cè)方法都難以得到良好的探測(cè)效果，所以，在將采空區(qū)探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)給予完成的前提下，可以將該方法和其他幾種方法充分的結(jié)合到一起[6]。

2.1 地震物探法

這種方法主要是通過人工激發(fā)的地震波，破壞煤層內(nèi)破壞上覆巖層，對(duì)地震波有極強(qiáng)的頻散、衰減和吸收作用，從而不斷降低反射波的頻率。破碎的裂隙及圍巖對(duì)衰減的地震波還會(huì)呈現(xiàn)出紊亂或者不規(guī)則的畸變，因?yàn)閹r層相對(duì)完整，采空區(qū)下方變化不會(huì)過于明顯。在地震事件剖面中，這是對(duì)煤層采空區(qū)進(jìn)行識(shí)別的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志。也就是在破壞了礦層頂板后，反射波組在地震時(shí)間剖面上的消失或者中斷，此外，有不規(guī)則的損壞出現(xiàn)在了煤層的頂部結(jié)構(gòu)中，這樣，也會(huì)出現(xiàn)一些低頻率的干擾。

2.2 礦井瞬變電磁技術(shù)

在超前探測(cè)過程中，這種方法需要具備整齊的掘進(jìn)巷道迎頭斷面，在2 m左右控制巷道空間高度，在巷頭迎頭面的10 m范圍內(nèi)防止有金屬體出現(xiàn)，因?yàn)槌霈F(xiàn)較大的金屬體，會(huì)影響到瞬變電磁場(chǎng)。因?yàn)橄锏烙^空間的制約，這樣就會(huì)在某種程度上影響到礦井瞬變電磁閥的接收線圈幾何尺寸及發(fā)射頻率，所以，只能應(yīng)用多匝小回線的接收裝置和發(fā)射裝置。在巷道的迎頭空間位置處布置觀測(cè)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)從多個(gè)角度采集出來(lái)，從而將更加系統(tǒng)、完整的前方空間信息數(shù)據(jù)獲取出來(lái)。

2.3 瞬變電磁技術(shù)

人工源地球物理電磁感應(yīng)探測(cè)技術(shù)是該技術(shù)的主要特征，他主要通過接地線源或者不接地回線將脈沖式磁場(chǎng)發(fā)射到地下，然后通過接地電極或者線圈對(duì)此脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下物流生成的二次電磁場(chǎng)的時(shí)間和空間分布進(jìn)行感應(yīng)，從而將可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題進(jìn)行預(yù)先判斷。這種方法具有工作效率高、受地表高電阻影響小、橫縱相分辨率高、能夠靈活反應(yīng)低阻物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，特別是那些含水量較高的地質(zhì)體，一旦采空區(qū)有異常明顯的電性問題，能夠通過此方法快速判斷出來(lái)，從而采取有效的方法進(jìn)行解決。

2.4 高密度電技術(shù)

這種技術(shù)的重要工作方式是持續(xù)改變供電電極的極距，將高壓直流電不斷傳向地下，通過對(duì)電極的測(cè)量，對(duì)電性異常體所造成的一次電流畸變情況進(jìn)行探測(cè)分析，能夠一次性布極，也就可以通過多種設(shè)備、裝置采集數(shù)據(jù)，然后將比值參數(shù)求取出來(lái)，最終將異常信息的特征呈現(xiàn)出來(lái)，這種方法的工作原理類似于電阻率法，他的運(yùn)行基礎(chǔ)是地殼中巖石電阻率差異情況，通過對(duì)人工構(gòu)建的地中電流場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，然后解決采空區(qū)可能出現(xiàn)的問題。

電阻率法實(shí)際上就是高密度電法，技術(shù)比較成熟，操作簡(jiǎn)單，能夠很好地分辯出淺層地質(zhì)中所存在的異常情況，能夠很好的反應(yīng)出低阻和高阻體。此外，這種方法有效的融合了剖面和測(cè)深技術(shù)，并且，還有較高的縱向分辨率和橫向分辨率。但是，這種方法也有缺點(diǎn)，高阻屏蔽會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響，勘測(cè)深度有限，在不斷增加了勘測(cè)深度后，就會(huì)相應(yīng)的降低分辨能力，通常在1/2～1/3左右控制測(cè)線的具體長(zhǎng)度。

2.5 探底雷達(dá)法

廣譜電磁技術(shù)即為探地雷達(dá)技術(shù)，通過天線將高頻電磁波發(fā)射出來(lái)，來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波主要由另一個(gè)天線接收，在介質(zhì)傳播的過程中，其電磁場(chǎng)強(qiáng)度、波形及路徑將會(huì)跟著幾何形態(tài)及介質(zhì)的電性發(fā)生改變。所以，按照波幅和波形資料、接收波的運(yùn)行時(shí)間，能夠?qū)⒔橘|(zhì)的結(jié)構(gòu)特征判斷出來(lái)，通過數(shù)據(jù)處理后的探測(cè)雷達(dá)圖像剖面圖，能夠得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，按照反射波組的強(qiáng)度特征及波形，利用同相軸進(jìn)行追蹤，最后能夠得到反射波組的地質(zhì)含義。如果有空區(qū)存在于巖層中，空區(qū)和巖層界面的兩側(cè)有較大的電性差異，這樣就會(huì)有很強(qiáng)烈的發(fā)射波出現(xiàn)在其中。此外，巖性的特變點(diǎn)也是通過這一界面表示出來(lái)。經(jīng)常有繞射波出現(xiàn)，而在時(shí)間的剖面上，繞射波屬于雙曲線反射，所以，根據(jù)時(shí)間剖面中得到的特征圖像，可以將空區(qū)的深度和位置確定出來(lái)。

2.6 綜合應(yīng)用地面和井下物探法的基本措施

對(duì)上述所提及的各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，再進(jìn)行應(yīng)用，能夠提升積水區(qū)及采空區(qū)的探測(cè)精度。

首先，對(duì)礦層構(gòu)造情況和賦存特征可以通過三維地震勘探法進(jìn)行查明，將采空異常區(qū)初步判斷出來(lái)。

其次，對(duì)異常區(qū)的富水性可以通過地面電法勘探分析，從而有效降低勘探成本。地面電法可以同探測(cè)區(qū)的地形、淺表層地電條件、埋深情況充分結(jié)合起來(lái)，優(yōu)先選擇高密度電法及瞬變電磁法，也可以一起應(yīng)用，從而將異常區(qū)域的性質(zhì)進(jìn)一步確定出來(lái)。

再次，因?yàn)榻?jīng)常有較大的誤差存在于地面物探法所解釋的采空區(qū)邊界中，所以，可以同地面結(jié)果充分的結(jié)合起來(lái)，在井下通過礦井瞬變電磁法優(yōu)勢(shì)，預(yù)先完成探測(cè)工作。將積水區(qū)的位置準(zhǔn)確的找出來(lái)，從而確保煤礦能夠被精確、安全、高效的生產(chǎn)。

3 具體的應(yīng)用情況分析

在某勘探區(qū)中，綜合應(yīng)用了地面瞬變電磁法、礦井瞬變電磁法、三維地震勘探法和高密度電法[7]。首先利用三維地震勘探技術(shù)將采空區(qū)的異常分布情況圈定出來(lái)，然而，因?yàn)樵诋惓＿吘壴O(shè)置了巷道，又通過高密度電法和瞬變電磁法完成了富水性探查作業(yè)，如果開采的巷道逐漸接近了異常區(qū)域，開展并應(yīng)用了礦井瞬變電磁勘探法，說(shuō)明確實(shí)存在該富水區(qū)。

根據(jù)探測(cè)區(qū)的具體構(gòu)造情況準(zhǔn)備探測(cè)設(shè)備，該地地層較淺，并沒有明顯的集水地質(zhì)環(huán)境出現(xiàn)在采空區(qū)范圍內(nèi)，所以，可以應(yīng)用長(zhǎng)春科技大學(xué)工程技術(shù)研究所制造的SE2404EX型綜合探測(cè)儀和瑞典地質(zhì)公司生產(chǎn)的RAMAC /GPR探地雷達(dá)設(shè)備，完成采空區(qū)的定位技術(shù)研究及探測(cè)。

采空區(qū)的剖面特征和正常礦層的剖面特征都十分突出，很容易被定性。在瞬變電磁測(cè)線1-1多測(cè)道電壓剖面上，此異常段為750～950 m，主要異常情況是電壓較高。雙峰異常是形態(tài)上的主要表現(xiàn)，有較弱的低阻特征在視電阻率中被表現(xiàn)了出來(lái)，有多解性存在于異常定性中；同此處的高密度電法剖面結(jié)合起來(lái)，起低阻明顯異常，因此，能夠判斷此處是富水區(qū)。

通過施工現(xiàn)場(chǎng)分析得知，在巷道迎頭的正前方及右前方，有較為均勻的電阻率等值線，低阻異常擾動(dòng)問題較少，這就表明地層的連續(xù)性在此處比較好，并沒有明顯的采空區(qū)或者富含水地質(zhì)構(gòu)造存在。

4 結(jié) 語(yǔ)

在礦區(qū)內(nèi)，為了將風(fēng)險(xiǎn)降到最低，對(duì)于采空區(qū)及采空給水區(qū)的問題利用單一的物探方法是難以解決的。最為有效的方法就是綜合應(yīng)用當(dāng)前比較先進(jìn)的物探技術(shù)。首先，通過三維地震勘探法將采取內(nèi)的異常情況劃分出來(lái)，之后重點(diǎn)勘測(cè)異常區(qū)的含水性，在探測(cè)時(shí)，可以以通過高密度法和瞬變電磁法，這樣能夠彌補(bǔ)探測(cè)時(shí)的一些不足之處。在挖掘到那些異常的區(qū)域時(shí)，通過礦井瞬變電磁技術(shù)準(zhǔn)確的定位積水區(qū)，然后同探放水鉆孔技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將采空區(qū)內(nèi)的積水隱患排除掉。從而為確保安全、有效的采礦奠定基礎(chǔ)。

[1] 孫二峰, 郭峰偉. 瞬變電磁法在煤礦井下探水中的應(yīng)用[J]. 技術(shù)與市場(chǎng), 2011(9): 114-115.

[2] 李耀華, 楊進(jìn), 李世峰. 瞬變電磁與電阻率測(cè)深在沙午鐵路采空區(qū)勘查中的應(yīng)用[J]. 物探與化探, 2011(2): 654-655.

[3] 崔中良, 洪托, 崔東豪, 等. 可控源音頻大地電磁測(cè)深法應(yīng)用研究綜述[J]. 中國(guó)錳業(yè), 2016, 34(3): 173-177.

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An Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in Goaf and Its Water Content Detection

LI Erfeng, ZHANG Songtao, JING Guozheng

(QinghaiProvincialBureauofGeologyandMineralResourcesExploration,Xining,Qinghai810012,China)

With the increasing complexity of mining environment in our country, we have done what we can to ensure the safety of mining personnel in adopting some new methods to investigate the basic situation of the mining area. The comprehensive geophysical prospecting method is a good example. Through this method, the structure and the occurrence and development characteristics of the ore bed in the mining area can be explored clearly. Under this premise, the basic structure of the mined out area is analyzed and judged to lay the foundation for the following work.

Integrated geophysical prospecting method; Goaf; Water abundance; Exploration and application

2017-04-07

李二鋒(1984-)，男，青海西寧人，工程師，研究方向：物探分析，手機(jī)：13997133131，E-mail：285318431@qq.com.

P631；TD166

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.027