張博輝，嚴 戈，張奮軒，王建虎，李 銘

（1.陜西省煤炭科學研究所，陜西 西安 710001；2.西咸新區(qū)灃東新城自然資源局，陜西 西安 710116；3.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005）

0 引言

煤礦閉坑后，由于停止抽排水，廢棄巷道和采空區(qū)內會富集大量地下水和有害氣體，對人員和設備有極大的潛在危害。尤其是開采年代久遠的小煤礦，其開采狀況和范圍等沒有資料可查，地表又無明顯的坍陷跡象，老空區(qū)空間形態(tài)難以判斷，積水情況更無規(guī)律可循，一旦導通老空區(qū)，極易造成人員和財產損失。如山西王家?guī)X煤礦老空區(qū)透水事故造成38人死亡。

由于老空區(qū)周邊地質條件復雜，形成時間不明、開采背景條件不清，對老空區(qū)探測是一項極具挑戰(zhàn)的工作。目前常用的采空區(qū)探測方法有物探和鉆探兩種［1］，物探分為電磁法和地震法等，相比于鉆探方法，物探方法成本低、周期短，因而是采空區(qū)探測常用的方法。張麗蕾［2］采用瞬變電磁法探測了某煤礦采空區(qū)富水性。但由于電阻率值的受控因素較多，所測數據的準確性需要在實際工作中不斷驗證和校正。李元杰［3］采用三維地震技術探測了小煤窯采空區(qū)，其結果與開采揭露情況基本相符。三維地震同樣容易受人類工程活動的影響，存在多解性，其探測結果的可靠性需要進一步驗證。綜合應用三維地震和瞬變電磁法確定采空區(qū)位置的正確率為67%，結合鉆孔驗證是提高采空區(qū)探測準確率的有效手段［4-6］。因此，采用多種方法的綜合探測采空區(qū)技術成為大部分研究所采用的方法。

由于歷史原因，過去20年內，小煤窯在某國有大礦周邊常年開采淺部煤層，且可能存在越界采掘行為。這些開采活動形成的采空區(qū)隱蔽性強，隨意性大，充水量不詳，為該國有礦后續(xù)的資源開發(fā)和采區(qū)布置帶來了極大的困擾。本文采用物探與鉆探相結合的方法，綜合探測老空區(qū)范圍和富水性，為礦井開采設計提供依據。

1 地震條件

1.1 表層地震地質條件

研究區(qū)地處毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原接壤地帶，地表基本被第四系松散沉積物所覆蓋，沖溝較多。地形復雜，溝梁縱橫，地形相對高差較大，最高點地表高程約為1 202 m，最低點高程約為1 004 m，最大高差約為198 m，如圖1所示。區(qū)內有一條在建鐵路施工，另外，區(qū)內西部邊界村莊較多，農田植被較多，復雜的地形條件不僅給測線布設、儀器設備搬運帶來相當大的困難，而且給資料處理時靜校正工作增加了困難。綜上所述，該區(qū)表層地震地質條件較差。

圖1 勘探區(qū)3D地形示意圖

1.2 淺部地震地質條件

研究區(qū)淺部地層主要為風積沙及第四系黃土層，根據區(qū)內鉆孔資料揭露，黃土層平均厚度約60 m。松散的黃土層及沙層對地震波的吸收衰減極為強烈。復雜多變的淺層地層結構對地震波的激發(fā)、接收均不利。淺層地震地質條件也較差。

1.3 深部地震地質條件

本區(qū)主要可采煤層厚度較厚，埋藏適中，煤層與圍巖的速度與密度差異明顯，是較好的波阻抗界面，可形成連續(xù)對比追蹤的反射波，本區(qū)深層地震地質條件良好。

1.4 地震物探的技術難點

本區(qū)表層結構復雜，突出表現在低降速帶厚度變化大；表層巖性變化大；表層速度橫向變化大。從而帶來了如何合理確定激發(fā)參數，以保證激發(fā)效果和如何提高靜校正精度，提高地震剖面成像質量問題。為此，針對性地制定了應對的技術策略。

精細表層結構調查：利用多方式進行表層結構調查，提高表層調查的精度，查清不同地表巖性分區(qū)邊界，為激發(fā)參數設計和靜校正工作提供精確的基礎數據。

針對性激發(fā)因素試驗：針對不同的地表類型，進行有針對性的激發(fā)因素試驗，確定合理的激發(fā)因素設計模型。

分區(qū)設計激發(fā)因素：優(yōu)選激發(fā)點位，利用表層調查資料分區(qū)設計激發(fā)因素，保證在高速層中激發(fā)。

優(yōu)選靜校正方法：綜合對比高程、模型、大炮初至等不同靜校正方法，提高靜校正精度，確保地震剖面的成像效果。

2 老空區(qū)探測及成果

2.1 探測方法

本研究的目的是確定煤礦待采區(qū)相鄰地段有無越界開采，若有越界開采，需要圈定越界開采采空區(qū)分布范圍，為下一步開采設計提供地質依據，保證采掘工作不受老空區(qū)及其積水的威脅。

在認真分析研究區(qū)已有地質資料的基礎上，本研究以綜合勘查、綜合評價為原則，從經濟、有效的角度出發(fā)，采用物探和鉆探相結合的方法綜合確定老空區(qū)。首先通過三維地震、瞬變電磁法對勘查區(qū)范圍內的采空區(qū)分布、積水情況，煤層上覆地層富水區(qū)進行定性圈定，之后對物探圈定的采空區(qū)范圍用鉆探工程進行驗證，最終確定采空區(qū)分布范圍、積水等分布情況。

2.2 物探工作布置

三維地震：依據設計，三維地震勘探工作量共計14束線，試驗點1處，物理點30個，滿30次覆蓋面積為2.27 km2，CDP覆蓋面積為4.54 km2，線束物理點2 290個。

瞬變電磁法：電法勘探測線的布置一般是基本垂直于地質構造及地層走向布置，從而達到最佳的耦合效果，故本次瞬變電磁法測線呈東西向布設，基本垂直區(qū)內地層走向，測網采用40 m×20 m的網度，即線距為40 m，點距為20 m。共設計瞬變電磁測線69條，坐標點3 056個，試驗點30個，檢查點120個，總計物理點3 206個，控制面積2.27 km2。

機械巖心鉆探：在物探解釋采空區(qū)范圍布設鉆孔。在工作區(qū)范圍內布設3組鉆孔，每組3個鉆孔（3鉆孔必須在一條直線上）。9個鉆孔預計單孔孔深為360 m，合計3 240 m（鉆孔組數、個數、進尺以物探基礎上的鉆探設計和工程驗收為準）。

2.3 成果解釋

三維地震方法：三維地震資料解釋工作是在工作站上利用解釋系統(tǒng)完成的。在處理后的三維數據體上進行人機交互解釋，可以將垂直剖面、水平切片和其它剖面結合在一起，更準確地認識地下地層三維構造。3#煤層反射波命名為T3波，它是本區(qū)主要的標志層反射波之一，也是時間剖面對比解釋的主要依據之一。T3波在時間剖面上表現出能量強、信噪比高、連續(xù)性好的特點，易于連續(xù)追蹤識別。①在三維數據體中，切出聯接鉆孔密集的聯井剖面及其它聯井剖面，使各斷塊及層位閉合一致；②在聯井剖面大框架的基礎上，依80 m×160 m規(guī)則的CDP網格，參照聯井剖面大框架閉合點采用上述同相軸識別方法進行閉合追蹤，然后加密至40 m×40 m的CDP網格，形成一個較完整的總體構造框架；③加密至5 m×5 m的CDP網格進行精細解釋。

三維地震成果：地震勘探在解釋過程中充分借鑒了瞬變電磁成果，最終在A區(qū)解釋了1處采空區(qū)，如圖2所示，位于A區(qū)中南部勘探邊界處，東西長約1 440 m，南北寬約310 m，面積約313 735 m2，該采空區(qū)最北部距南部井田邊界約310 m。采空大部地段為中高阻異常特征，僅在西部邊界附近表現為低阻特征，結合地質資料，西部為煤層底板較低的地方，相比較而言其附近含水可能性較大。

瞬變電磁方法：瞬變電磁勘探成果分析推斷應做到：①根據單點解釋判斷層位，確定深度解釋系數，對全區(qū)數據進行深度校正；②將校正后的數據與測量數據一一對應，繪制等視電阻率斷面圖及平面圖；③根據平面異常及視電阻率等值線斷面變化特征，結合已知地質資料和三維地震結果，最終確定采空區(qū)異常范圍。

圖2 三維地震確定采空區(qū)圖

瞬變電磁法成果：瞬變電磁測線344線位于研究區(qū)A區(qū)南部邊界距離井田邊界約90 m處，其上方存在地震解釋疑似采空段。由于本區(qū)地層電阻率差異較小，故結合二次電位值和視電阻率值進行綜合分析。從圖3中可以看出地層從上到下視電阻率等值線變化特征為：①縱向上，視電阻率隨深度的增加呈先降低后升高變化，淺部中高阻電性層為直羅組和安定組地層的特征反映，而中部相對低阻層則為煤系地層反映，深部高阻層則為永坪組地層的特征反映；②橫向上，視電阻率等值線基本呈水平層狀，反映了地層層狀分布的特點；部分地段出現高阻凸起或者低阻凹陷，此類電性異常需結合地質資料征集三維地震結果最終確定其異常特性。在344線共存在電性異常區(qū)三處，其中1400—2100段為低阻異常，但由于其附近村莊隧道影響較大，可靠性有所降低；2240—2980段和3100—3400段均為相對中阻異常，但異常3100—3400段表現為“漏斗狀”由淺到深均為低阻的特征反映，結合本區(qū)煤層為房柱式開采，完全塌陷的可能性較小，故分析認為其為采空的可能性較小；而在2240—2980段三維地震在該段附近也有異常存在，綜合分析認為該段異常為疑似采空的特征反映。

圖3 A區(qū)視電阻等值線斷面圖

電磁法解釋：圖4為3#煤視電阻率等值線平面綜合解釋成果圖。根據電法成果推斷解釋了2處采空異常，編號依次為YC-1、YC-2。另外，還解釋了3處3煤頂板巖層富水異常區(qū)，編號分別為FS-1、FS-2、FS-3，分析認為掘進至該位置處頂板會存在淋水現象，富水性相對較弱。①YC-1位于A區(qū)西部，為瞬變電磁反應異常區(qū)，東西長約330 m，南北寬約316 m，面積104 498.83 m2，為一明顯的低阻異常；②YC-2位于A區(qū)中南部邊界范圍較大，東西長約1 020 m，南北寬約209 m，面積184 152 m2，基本呈東西向展布，為一中高阻異常。異常區(qū)富水性較弱，其范圍與三維地震解釋采空區(qū)范圍大部重疊；③FS-1、FS-2、FS-3為煤頂板巖層富水異常區(qū)，FS-1東西長約543 m，南北寬約222 m，面積79 373 m2；FS-2東西長約493 m，南北寬約357 m，面積118 102 m2；FS-3東西長約481 m，南北寬約963 m，面積299 403 m2，富水性相對較弱。

圖4 3#煤視電阻率等值線平面圖

物探采空區(qū)綜合解釋：結合地震勘探和瞬變電磁成果，最終圈定了1處疑似采空區(qū)（圖4 YC-2），其大部地段為中高阻異常特征，僅在西部邊界和中東部邊界附近表現為低阻特征，結合地質資料西部邊界處為煤層底板較低的地方，相比較而言其附近含水可能性較大。

根據數理統(tǒng)計的方法推斷了全區(qū)相對富水的地段。具體劃分富水原則為用平均值減去1/3的標準偏差，低于此值認為相對富水，高于此值認為相對不富水。

3 鉆孔驗證

為了確認物探解釋采空區(qū)范圍的可靠程度，采用機械巖心鉆探對物探解釋采空區(qū)范圍進行驗證。

3.1 鉆孔判斷采空區(qū)方法

驗證原理：物探工程勘查結束后，采用機械巖心鉆探的方法對物探結果進行驗證。驗證方法為通過施工鉆孔對物探成果進行點對點驗證。根據物探解釋成果在疑似采空的地段施工驗證鉆孔，若在物探解釋采空范圍內驗證鉆孔施工至采空區(qū)，則說明物探解釋的屬性、方法選擇正確，采空區(qū)范圍可靠；反之若一組鉆孔均未施工至采空區(qū)，則說明物探解釋采空區(qū)范圍不可靠，需重新分析解釋。

驗證方法：①通過鉆探采取煤心、頂底板巖心驗證是否采空。煤心采取完整說明未采空，采取不到煤心視為采空；②鉆進過程中若突然漏水并掉鉆，且只能采取煤層頂底板部分巖心，而煤心完全缺失或只能采取零星煤心，孔口出現負壓、吸風即為采空。

保障措施：由于本區(qū)為房柱式開采形成的采空區(qū)，巷道較窄（小于4 m），因此物探確定孔位后為了保證驗證率，孔位定測均采用RTK實測，根據反復試算，同時布置3個鉆孔（孔距28.8 m）即可判斷出采空區(qū)。

3.2 驗證結果

在區(qū)內共施工鉆孔6個，其中：

A區(qū)施工鉆孔4個（參數孔1個，驗證孔3個）：YZ1號鉆孔為參數孔，YZ2號鉆孔施工至煤柱，YZ3號鉆孔施工至采空區(qū)，YZ4號鉆孔施工至采空區(qū)。通過3個驗證鉆孔的施工，驗證率為67%，說明本次A區(qū)物探解釋采空區(qū)采用的方法正確，手段合理，解釋范圍較可靠。

B區(qū)施工鉆孔2個：該鉆孔為采空區(qū)驗證鉆孔，通過B區(qū)鉆孔的施工對三維地震初步解釋成果進行了優(yōu)化，最終確定B區(qū)無小煤礦越界開采情況。鉆孔施工情況見表1。

表1 驗證鉆孔施工情況一覽表

4 結論

（1）利用物探手段解釋工作區(qū)范圍內采空區(qū)范圍，根據物探解釋成果布設一定數量的驗證鉆孔，輔以測井等勘查手段，對物探解釋采空區(qū)范圍進行驗證，根據驗證結果對物探解釋采空區(qū)分布范圍進行重新解釋，最終確定采空區(qū)分布范圍。該方法在探測煤礦采空區(qū)工作中可推廣使用。

（2）地下的煤層被采出后，在巖層內形成一個有一定規(guī)模的空間，與圍巖相比，采空區(qū)的電阻為無窮大。但是隨著時間的推移，上覆巖層就會在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，地下水就會侵入，采空區(qū)的電阻率隨著發(fā)生變化，會出現相對高阻或低阻異常區(qū)。同時煤系地層由于具備層狀分布的特點，正常地層情況下其在橫向上電性變化均一，如果存在采空塌陷就會出現電性異常，具體表現為電阻率等值線的扭曲、凹陷等特征，據此可以確定煤層采空的范圍。