馮 鵬，宋春華，韓沙沙

（1山東金嶺鐵礦有限公司，山東 淄博255084；2中煤地質(zhì)工程總公司上海分公司，上海200135）

煤礦采空區(qū)常用地球物理探測技術(shù)分析對比

馮 鵬1，宋春華2，韓沙沙2

（1山東金嶺鐵礦有限公司，山東 淄博255084；2中煤地質(zhì)工程總公司上海分公司，上海200135）

結(jié)合實(shí)例重點(diǎn)分析了電剖面法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、三維地震法、測氡法等常用物探技術(shù)的工作原理、應(yīng)用情況及優(yōu)缺點(diǎn)。隨著勘探精度要求的提高以及采空區(qū)問題的復(fù)雜性和難度，單一物探方法已不能完全滿足要求，建議采用多種物探方法相結(jié)合的方式提高探測的準(zhǔn)確性。

煤礦采空區(qū)；物探技術(shù)；電剖面法；電磁法；三維地震法；測氡法

1 前言

近年來隨著煤礦上組煤層煤炭資源的開采殆盡，越來越多的煤礦開始開采下組煤，而在上部煤層形成的采空區(qū)越來越多，對下組煤的安全開采帶來很大的隱患。采空區(qū)的探測方法多種多樣，目前國內(nèi)外主要是以采空區(qū)調(diào)查、工程鉆探、地球物理探測為主，輔以變形觀測、水文試驗(yàn)等。

探測煤礦采空區(qū)的物探方法主要分為以下幾類：1）重力勘探。采空區(qū)因開采形成質(zhì)量虧損，從而形成低重力異常，探測重力異常，從而確定采空區(qū)的分布、大小、邊界等。2）電法勘探。電法勘探是通過探測采空區(qū)與圍巖的電性差異來確定采空區(qū)的位置和大小，尤其探測積水采空區(qū)效果明顯。主要的探測方法有電剖面法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法等。3）地震勘探。地震勘探是通過探測采空區(qū)與周圍地震的彈性差異來確定采空區(qū)的位置分布，其控制采空區(qū)的邊界效果較好。4）測氡法。測氡法是一種放射性測量方法。在采空區(qū)的上方會形成氡的富集，而在附近區(qū)域氡的含量會明顯變少，通過測量氡含量的多少可確定采空區(qū)的位置。本研究結(jié)合實(shí)例重點(diǎn)對常用的幾種物探技術(shù)進(jìn)行分析。

2 常用采空區(qū)物探技術(shù)分析

2.1 電剖面法

2.1.1 工作原理

電剖面法采用固定極距的電極排列，即針對某一深度沿測線逐點(diǎn)供電和測量，獲得視電阻率剖面曲線，以了解地下一定勘探深度內(nèi)沿測線方向上巖石的電性變化。正常情況下地層的電性變化有一定的規(guī)律性，反映在視電阻率剖面圖上為視電阻率值變化穩(wěn)定，等值線呈似層狀分布，變化平緩。當(dāng)存在采空區(qū)時，視電阻率值將發(fā)生明顯變化，從而達(dá)到探測采空區(qū)的目的。

2.1.2 實(shí)例分析

研究區(qū)概況：研究區(qū)位于黑龍江省雞西市某煤礦，在穆棱河南側(cè)的沖積河漫灘和北側(cè)古老的麻山群變質(zhì)巖所形成的山峰之間。主要地層由上到下分別為第四系、樺山群、白堊系穆棱組和城子河組、麻山群。其中白堊系穆棱組和城子河組為主要含煤地層，巖性以砂巖為主。研究區(qū)內(nèi)主要開采煤層為城子河組4、9煤。經(jīng)前期采空區(qū)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)小煤窯星羅棋布，淺層煤層已基本采空。

采集裝置：三級聯(lián)合剖面法，AB/2=200m。圖1為測線L5240電剖面法視電阻率曲線。圖中曲線1表示

圖1 L5240電剖面法視電阻率曲線

2.1.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

電剖面法裝置較為簡單，施工方便，采空區(qū)邊界清晰易辯。但其垂向只能測1個深度的數(shù)值，數(shù)據(jù)少，不適合于傾角大的地層。

2.2 瞬變電磁法（TDEM）

2.2.1 工作原理

瞬變電磁法是在地表敷設(shè)不接地線框，輸入階躍電流，當(dāng)回線中電流突然斷開時，在下半空間就要激勵起感應(yīng)渦流以維持?jǐn)嚅_電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展，利用不接地線圈在地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，可用以研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)[2]。由于地層的沉積是連續(xù)而穩(wěn)定的，所以橫向上的電性差異應(yīng)該很小。采空區(qū)的存在則會打破這一平衡，使其相對于圍巖出現(xiàn)或高阻（不含水采空區(qū)）或低阻（積水采空區(qū)）的現(xiàn)象，這便是采用瞬變電磁法探測采空區(qū)的理論基礎(chǔ)。

2.2.2 實(shí)例分析

研究區(qū)概況：研究區(qū)位于黑龍江省雙鴨山市某煤礦，區(qū)內(nèi)地表平整，均為農(nóng)田，無電線和建筑物干擾。主要地層由上到下分別為第四系、樺山群、白堊系穆棱組和城子河組、麻山群。其中白堊系穆棱組和城子河組為主要含煤地層，巖性以砂巖為主，主要開采煤層為城子河組1、3上、6、8、12煤，淺部煤層小窯已基本采空。

主要施工參數(shù)：大定源回線裝置采集，發(fā)射線框600m×600m，發(fā)射頻率8.33 Hz，發(fā)射電流10 A。

圖2為L580瞬變電磁法視電阻率剖面圖和地質(zhì)剖面圖，圖中存在兩處明顯的低阻異常，一處位于1煤和3上煤深度，樁號340～660之間，該異常呈長條狀圈閉，且形狀順著煤層方向，視電阻率值在20～40Ω·m之間，明顯小于背景電阻率。推斷在該位置，1煤或3上煤存在采空積水。另一處位于8煤深度，樁號720～780之間，該異常呈圓形圈閉，視電阻率值＜40Ω·m。通過對比相同位置采集的直流電測深法資料和可控源音頻大地電磁法資料，發(fā)現(xiàn)在第一處異常區(qū)均有異常反應(yīng)，表明推斷較可靠[3]。

圖2 L580瞬變電磁法視電阻率剖面圖和地質(zhì)剖面圖

2.2.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

瞬變電磁法具有施工效率高，高阻圍巖尋找低阻體靈敏、分辨能力強(qiáng)、剖面測量與測深同時完成等優(yōu)點(diǎn)，同時瞬變電磁法異常顯現(xiàn)明顯（尤其對于積水的采空區(qū)），為最常用的采空區(qū)探測手段。但是瞬變電磁法存在淺層探測盲區(qū)的缺點(diǎn)，這大大縮小了其有效勘探深度，同時瞬變電磁法的低阻層向下“延滯”現(xiàn)象也比較明顯，不利于區(qū)分多層采空區(qū)。

2.3 可控源音頻大地電磁法（CSAMT）

2.3.1 工作原理

當(dāng)?shù)貙与娮杪使潭〞r，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比，高頻時探測深度淺，低頻時探測深度深。可以通過調(diào)整供電頻率的高低，得到不同深度的地電信息，從而達(dá)到垂向頻率測深的目的，根據(jù)所測視電阻率特征，了解地下地質(zhì)體的產(chǎn)狀和特征，分析推斷構(gòu)造帶空間分布形態(tài)及地層巖體之間接觸關(guān)系。

2.3.2 實(shí)例分析

研究區(qū)概況：研究區(qū)與2.2.2為同一個研究區(qū)。

主要施工參數(shù)：收發(fā)距離為12 km，工作頻率1.33333～9600 Hz，采集時間 40min。

圖3為L420線CSAMT和TDEM視電阻率剖面圖和地質(zhì)剖面圖，對比TDEM，CSAMT視電阻率剖面圖中顯示的整體地層呈層性更好，地層傾斜方向與實(shí)際地層傾斜情況吻合度高。CSAMT在1煤和3上煤深度，樁號360～620區(qū)域，同樣也存在著異常反映，只是沒TDEM反映明顯。

圖3 L420線CSAMT和TDEM視電阻率剖面圖和地質(zhì)剖面圖

2.3.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

CSAMT是20世紀(jì)80年代才開始真正發(fā)展起來的地球物理新技術(shù)，具有工作效率高、勘探深度范圍大、受地形影響小等優(yōu)點(diǎn)，同時因CSAMT具有垂向分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，為解決多層采空區(qū)的探測問題提供了思路。但由于其技術(shù)（尤其是處理技術(shù)）還不是非常成熟，在淺層的探測應(yīng)用效果并不好。隨著煤層開采的越來越深，CSAMT資料處理技術(shù)的越來越成熟，相信會得到越來越多的重視和應(yīng)用。

2.4 三維地震法

2.4.1 工作原理

在地表以人工方法激發(fā)地震波，在向地下傳播時，遇有介質(zhì)性質(zhì)不同的巖層分界面，地震波將發(fā)生反射與折射，在地表或井中用檢波器接收這種地震波，通過對地震波記錄進(jìn)行處理和解釋，用以推斷界面深度、構(gòu)造形態(tài)及其物性參數(shù)。煤層采空區(qū)引起的上覆巖層破壞對地震波有很強(qiáng)的吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，破碎圍巖及裂隙對地震波衰減還表現(xiàn)為反射波波形變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變，而采空區(qū)下方則由于巖層相對完整而變化不明顯。即在地震時間剖面上采空區(qū)位置出現(xiàn)了連續(xù)煤層反射波組的中斷或消失。

2.4.2 實(shí)例分析

研究區(qū)概況：研究區(qū)位于山西省朔州市某煤礦，區(qū)內(nèi)地表大部分被黃土覆蓋，地勢總體呈北高、南低之趨勢。主要地層由上到下分別為第四系，第三系上新統(tǒng)靜樂組，二疊系上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組，奧陶系馬家溝組。主要開采煤層為 4、5、8、9、11 煤，其中 4、9 煤局部已被采空，且存在小窯越界開采的情況。

主要施工參數(shù)：10線8炮束狀觀測系統(tǒng)，960道中間放炮接收，線距40m，道間距10m，炮間距80m，24次覆蓋（4橫向×6縱向）。

圖4為采空區(qū)在地震時間剖面上的反映，圖中CDP112～198之間位置，9號煤層所對應(yīng)的反射波消失，和兩側(cè)反射波存在明顯的不連續(xù)，而在其下部奧灰頂界面附近，出現(xiàn)一組能量非常強(qiáng)的反射波。

圖4 采空區(qū)在地震時間剖面上的反映

2.4.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

三維地震法勘探精度高，對構(gòu)造體的位置、形狀等的分析判斷都有很高準(zhǔn)度，已廣泛應(yīng)用于煤炭、油氣等資源勘探中。在采空區(qū)探測中，也能較為準(zhǔn)確地判斷出采空區(qū)邊界，但無法確定采空區(qū)的積水情況，同時因?yàn)榭碧匠杀据^高，所以三維地震法很少被用來做采空區(qū)探測。

2.5 測氡法

2.5.1 工作原理

氡（222Rn）是鈾（238）系的唯一呈氣態(tài)的無色無味的放射性惰性氣體，是鐳的衰變產(chǎn)物，其化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，但物理性質(zhì)十分活潑，能溶于水、油等液體中[4]。氡活動性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的遷移能力，可以很容易由地下深部經(jīng)過巖石進(jìn)入地表土壤中。采空區(qū)的存在，改變了原有的地層應(yīng)力結(jié)構(gòu)，使氡開始向采空區(qū)運(yùn)移、聚集，同時由于其很強(qiáng)的向上運(yùn)移能力，使采空區(qū)上方形成氡的富集區(qū)，而在其附近地段氡含量明顯減少[5]。通過分析氡含量橫向上的差異可確定采空區(qū)的位置。

2.5.2 實(shí)例分析

研究區(qū)概況：研究區(qū)位于山西省呂梁市柳林縣某煤礦，區(qū)內(nèi)地表為典型的梁峁?fàn)铧S土丘陵地貌。主要地層由上到下分別為第四系；第三系；二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組；石炭系太原組、本溪組；奧陶系峰峰組、上馬家溝組。主要開采煤層為 4、5、8、9、10 煤，淺層煤已被局部采空。

主要施工參數(shù)：活性炭測氡法。

圖5為1線氡值剖面圖，圖中1～15號點(diǎn)氡值大多超過270個計(jì)數(shù)/3min，且起伏明顯，而16～20號點(diǎn)氡值較1～15號點(diǎn)明顯偏低，且連續(xù)穩(wěn)定，故推斷1～15號點(diǎn)位置存在采空區(qū)。對比同期施工的瞬變電磁法和已知資料，反映的采空區(qū)位置基本一致，表明推斷較為可靠[6]。

圖5 某煤礦1線氡值剖面圖

2.5.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

測氡法具有成本低、操作簡單、不受電磁及地形影響等優(yōu)點(diǎn)，但只能確定采空區(qū)的平面位置，無法判斷采空區(qū)的垂深和積水情況。

3 結(jié)語

各種采空區(qū)物探技術(shù)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，都不能完美地解決所有的地質(zhì)問題。隨著勘探工作的不斷深入，安全高效生產(chǎn)對勘探的精度要求不斷提高，待解決問題的復(fù)雜性和難度加大，單一物探方法已不能完全滿足新形勢的要求，多種物探方法相結(jié)合的方式能大大提高探測的準(zhǔn)確性。

目前，筆者認(rèn)為較為完善的施工手段應(yīng)該遵循下面幾個流程：

1）進(jìn)行采空區(qū)調(diào)查和收集相關(guān)已知資料，通過分析收集到的資料確定物探方案。2）選擇物探施工手段，可采取三維地震和測氡法，初步確定采空區(qū)的位置或深度，再采用電法、電磁法確定采空區(qū)的積水性和深度（采取電法和電磁法相結(jié)合的手段可進(jìn)一步提高解釋的精度），運(yùn)用各種數(shù)學(xué)方法對多種屬性進(jìn)行綜合分析，調(diào)整處理參數(shù)，從而獲得最終的采空區(qū)及積水范圍分布規(guī)律。3）采用鉆探手段對物探確定的采空區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。

[1]韓沙沙.黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司雞西分公司某煤礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探地面物探報(bào)告[R].上海：上海中煤物探測量有限公司，2014.

[2] 李貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[3]韓沙沙.急傾斜區(qū)安全開采方案論證（某煤礦西一采區(qū)急傾斜煤層淺部積水區(qū)探測）技術(shù)方案施工工程報(bào)告[R].北京：中國煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心，2016.

[4] 劉鴻福.氡及其子體運(yùn)移的實(shí)驗(yàn)研究與機(jī)理探討[D].太原：太原理工大學(xué)，1997.

[5]宋英慧.綜合物探技術(shù)在煤礦采空區(qū)中的探測中的應(yīng)用[J].山西煤炭，2011，31（5）：73-75.

[6]高建.山西省柳林縣兼并重組整合煤礦區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探和頂?shù)装逅υu價及防治對策綜合研究地面物探報(bào)告[R].北京：中國煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心，2012.

Analysis and Comparison of Geophysical Detection Techniques Used in Coal Goafs

FENG Peng1,SONG Chunhua2,HAN Shasha2
（1 Shandong Jinling Iron Ore Co.,Ltd.,Zibo 255084,China;2 China Coal Geological Engineering Corporation Shanghai Branch,Shanghai 200135,China）

Composed with some practical examples,the working principle,application and their advantages and disadvantages of sectionmethod,transient electromagneticmethod and controlled source audio-frequencymagnetotelluricmethod,3d seismicmethod and radonmeasurementmethod commonly used geophysical exploration techniques were analyzed.With the improvement of exploration precision,there aremore complexity andmore difficulty problems for goafs,so the single geophysical explorationmethods did not fullymeet the requirements.To improve the accuracy of detection,using a combination of a variety of geophysical explorationmethods is recommend.

coal goaf;geophysical technology;electrical profiling;electromagneticmethod;3d seismicmethod;radonmeasurement

P631

A

1004-4620（2017）04-0005-04

2017-04-05

馮鵬，男，1988年生，2012年畢業(yè)于山東科技大學(xué)地球物理學(xué)專業(yè)?，F(xiàn)為山東金嶺鐵礦生產(chǎn)技術(shù)中心助理工程師，從事物探工藝技術(shù)及管理工作。