综合物探方法在煤矿采空区调查中的应用

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瞬变和浅震物探方法在煤矿采空区勘查中的应用摘要：本文指出了对老采空区进行勘查的必要性。针对采空区的地球物理特征，合理选择了瞬变电磁法和地震法两种物探技术，结合实例分析，介绍了对物探数据进行合理解译的方法，证明了两种物探方法相结合在煤矿采空区勘查中的有效性。关键词：物探；采空区；瞬变电磁法；地震法中图分类号：P631.3,P631.4文献标识码：AAPPLICATIONOFTEMANDSEISMICEXPLORATIONINCOAL-MINED-OUTAREAZHAOGuang-rong(BureauofCoalIndustryofEerduosi,DongshengDistrictofEerduosiinInnerMongolia,017000)Abstract:thepaperhasexpoundedthenecessityofinvestigationtocoal-mined-outarea.Accordingtogeophysicalcharactersofcoal-mined-outarea,appropriatetwomethodsareselected,theyaretransientelectromagneticmethodandseismicmethodexploration.Byanalysingexamples,exacttechnicalapproachesforgeophysicalexplorationsareintroduced.Theresearchconclusionsprovethatitisproperofcomprehensionoftwogeophysicalexplorationsindetectingcoal-mined-outarea.Keywords：geophysicalsurving;coal-mined-outarea;transientelectromagneticmethodexploration；seismicexploration1前言鄂尔多斯市是我国煤炭储量最丰富的地区之一。几年前，乡镇、个体小煤矿星罗棋布，分布很广；近几年，许多小煤矿现已关闭或通过技术改造而合并。由于小煤矿不仅开采工艺落后、技术管理不到位，资源浪费严重，而且严重缺少工程技术人员，人员更换调整频繁，在无设计、无规划、无图纸的情况下，滥采乱掘，使得采空区位置不准确或根本无文字和图纸记录，存在很多安全隐患。比如2009年3月曾发生一起技改矿掘进巷道时突然与小煤矿老空区打通，一氧化碳涌入致多人中毒伤亡事故。因此，开展对存在隐患的矿山企业的督促整治，摸清小煤矿的老采空区位置情况，建立和制定相应的制度和方案措施，是十分必要的。矿体采动后，地下介质层间的电性、弹性波等物性会产生差异，给地球物理勘探方法的研究和实施创造了前提条件。本文就是通过瞬变电磁法和地震法两种物探方法综合，来完成采空区的识别和判断。2地下采空区的地球物理特征2.1地下采空区的电性[1]当煤层未被采动时，地层一般呈现成层性且表现出完整性，因此，电性比较稳定。煤层采出后，煤层顶底板岩层间形成一定的空间，破坏了岩石的完整性、连续性，故该处电阻率值明显高于周边未采动的完整地层的电阻率，表现出明显的局部高阻特性。若采空区的空隙被水充填，由于水的导电性，其电阻率呈低阻反映，但一般范围很小。2.2地下采空区的弹性波特性[1]未被采动的煤层与其顶底板岩性上的差异是一个较为稳定的波阻抗界面，因此具有良好的弹性波反射条件。以人工激发的弹性波在地壳中传播，当遇到弹性分界面时，其路径、振动强度和波形将随所通过介质的弹性性质和几何形态的不同而变化。在采空区内，波的旅行时间和速度会受到很大影响，同相轴发生畸变异常，煤层反射波的这种中断、扭曲、振幅和频率特征等变化为开展地震勘探提供了工作前提。3物探原理和特点3.1瞬变电磁法原理和特点[2]瞬变电磁法（Transientelectromagneticmethod，简称TEM ）是基于电性差异，利用不接地回线或接地线源向地下间歇地发送一次脉冲电场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起的感应二次场（按指数规律衰减），二次场的大小与地下地质体的电性有关：低阻地质体感应慢，二次场电压较大；高阻地质体感应较快，二次场电压较小。这样，根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断采空区的位置。TEM具有受体积效应影响小、纵横向分辨率高、探测深度大、发现异常能力强、受地形影响小、施工方便、快捷、效率高等优点。但当地面测点上方有高压线、测点周围有大的金属结构或测区地下有综采设备等大型金属用电设备时，测量数据会受到较大干扰，不利于解释。3.2地震法原理和特点[3-5]当波在地下介质中传播时，如遇到不同的介质界面，会产生反射、折射和透射。在工程地质勘察中常用浅层工程反射波进行探测。这种方法利用的是不同介质波阻抗（岩石密度与纵波的速度乘积）的不同，在分界面处产生波的反射以及散射等现象，通过接收反射波、散射波的信息，进而达到获取地下介质状态、物性参数。未被采动的岩层具有稳定的波阻抗界面，当地下存在采空区时，波的旅行时间和速度会受到很大影响，同相轴发生畸变异常波阻抗界面明显存在。可根据地面上不同时间接收到的反射波来判断地下采空区的位置与范围。地震法具有分辨率高、勘探深度大、施工速度快、成果直观等特点。但是，采空区上方岩石破碎，地震波要发生散射，使得有效波不能很好地得到，进而影响到探测的准确性。基于以上两种物探方法的特点，本次物探决定采用两种方法的联合，发挥两种方法各自的优势，弥补一种方法的不足，提高探测精度。4工区概况物探区位于伊金霍洛旗某煤矿界内。该煤矿位于鄂尔多斯高原中南部，区内地形切割剧烈，树枝状沟谷纵横发育，基岩大部裸露，属典型侵蚀性丘陵地貌。海拔标高为1248-1358m，最大标高差110m，一般相对标高差50m左右。该煤矿位于东胜煤田四道柳找煤区西部，根据地表及钻孔揭露，矿区范围内地层由老到新依次有，三叠系上统延长组（T3y）、侏罗系中下统延安组（J1-2y）、第四系上更新统（Q3m）和第四系（Q4）。该煤矿为3个小煤矿整合并扩大开采面积后而成。矿井面积8.02km2。井田内仅有4个钻孔可供利用。据钻孔资料，井田内含煤地层为侏罗系中下统延安组地层，井田内共有可采煤层2层，即4号（平均煤厚3.42m）、5号（平均煤厚2.07m）煤层，在井田内全区分布且可采（局部自燃除外），为主要可采煤层，两层煤的平均间距为30.6m。物探区位于矿井的东北部，曾有2个小煤矿在物探区内进行过采矿活动。这2个小煤矿在合并前没有专门的技术管理人员，其中一个小煤矿图纸数年没有填绘，另外一个根本无图纸资料，这2个小煤矿在合并时已停产近2年，物探前仅能看到已坍塌废弃的2个井口。因此，无法确定采空区位置，需物探完成圈定。物探范围为700×600m。见图1。5物探工作及解释5.1仪器选择及指标参数瞬变电磁法：美国ZONGE公司的GDP32-Ⅱ型电法工作站，ZT30发射机。测量网度：100m×40m，回线规格：100m×200m，供电方式：电瓶间歇供电，发射电流：7A以上，供电频率：32hz，单道时窗：30.52us，叠加次数：512。地震法：美国SI公司生产的S-Land全数字化地震数据采集系统。道距:3m，偏移距：18m，观测系统：单边激发12次覆盖，前放增益：36dB，采样率：1.0ms。5．2测线、测点布置瞬变电磁法：测线8条，线距100m，点距40m，点数128个。地震法：测线3条，线距300m，点距3m，完成剖面长2.32km。3条地震测线与瞬变电磁法的测线（100线、300线、600线）重合。见图1。 图1物探区地形、范围和物探测线的布置图4物探结果图5.3物探数据的解译物探区测线8条，100线和600线为瞬变电磁法和地震法的重合线，具有典型意义，本文选取600测线视电阻率剖面图（见图2）和地震反射时间剖面图（见图3）并结合其他测线做详细解释。图2600线视电阻率剖面图通过对实测资料的分析发现，视电阻率背景值一般在80-100Ω.m，综合分析设定以110Ω.m为下限划定4#煤采空区。100线100-440在20-50m深度部位出现100Ω.m以上的视电阻率高阻异常反映，同时，地震反射波缺失，结合地面在100、200线桩号220-360m间发育的以地面裂缝为主要表现形式地面变形现象，推测上述部位应由4号煤层采空区引起。综合分析设定以70Ω.m为上限划定5#煤采空区。在200线580-660、3线450-660、800线340-500等段深度20-50m出现视电阻率30—70Ω.m的低阻异常，同时，地震反射波缺失，结合煤窑采掘分析是由于5号煤层采空区引起。 图3600线地震反射时间剖面图在400、500、600线对应采空区段出现视电阻率30-50Ω.m的低阻异常，分析是由于5号煤层采空区积水引起。解释成果详见图4。6结论物探方法具有多解性，在解释过程中，常常会遇到多种解释结果，在这种情况下就需要选取两种不同原理的物探方法，互相弥补各自的不足，达到优势互补,从而有效避免单一物探方法的多解性和不确定性,获得较为理想的数据，提高物探的解释的准确性。瞬变电磁法和地震法有完全不同的理论基础，本文成果充分说明了这两种方法是比较合理的技术组合，在煤矿采空区调查中能够得到理想的解释成果，可以大范围推广应用。参考文献[1]于国明，李静，韩革命.综合物探方法在深部煤层采空区检测中的应用研究[J].陕西地质.2003,21(2):62-69[2]成剑文.瞬变电磁法在煤矿中的应用研究[D].太原理工大学硕士学位论文.2007[3]葛双城，李小平，邵长云，等。地震折射和电阻率法在水库坝址勘察中的应用[J[.地球无力进展.2008,23(4):1299-1303[4]王运生.浅层地震反射与散射联合成像研究[D].中国地质大学博士学位论文.2005[5]马志飞，王祖平，刘鸿福.综合物探在探测煤矿采空区中的应用[EB/OL].http://www.paper.edu.cn2009-8-23