浅层地震和瞬变电磁法在采空区探测中的应用研究

李宏杰

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 (煤炭科学研究总院)，北京100013)

由于早期的小煤窑均采用较为落后的采煤方法，且多属于无规划开采，遗留开采区域不详，导致许多隐性老采空区的存在。老采空区内存在大量的有毒有害气体，一方面，使矿井空气严重缺氧，造成人员窒息而亡;另一方面，可以引起再生火灾，从而引起瓦斯、煤尘爆炸。老采空区一般有大量积水，就像悬浮在掘进头或工作面上方的水库，时刻威胁着安全生产，从而给本煤层及下组 (层)煤的开采带来极大的安全隐患。因此，煤矿老空区诱发的事故已经成为影响矿井安全生产的重大关键问题之一。为了防止和减少水害事故，必须提前对老空区进行超前探测和预警。目前工程物探方法具有快速和大面积普查的优势，已越来越成为探明地下采空区的一项重要和有力的勘探手段。在众多物探方法中，瞬变电磁以其对低阻含水体灵敏、受体积效应影响相对较小、纵横向分辨率高、且施工灵活轻便及工作效率高等特点而被广泛应用于采空区积水探测［1－7］。近几年浅层地震法在煤矿采空区的勘查中应用较广，其主要依据仍然是通过追踪被采煤层的反射波，视其在勘查剖面上的变化来确定采空区是否存在，并圈定其边界［8－11］。这两种方法都有各自的优缺点和适用范围，瞬变电磁可以探测采空区和积水，但由于受体积效应的影响，会产生多解性;浅层地震法可以探测采空区的分布，但对确定积水情况较为困难。因此，单一的物探手段在复杂地质和开采条件下很难确定采空区及积水的分布及其特点，所以综合物探技术是采空区调查和治理的先行有效手段。

本文基于浅层地震和瞬变电磁综合物探勘查方法，对某矿计划开采区域的上组煤老空区进行采空区及积水勘查，以便于下组煤的安全回采。通过综合物探勘查方法基本查明了异常区的位置、分布范围和积水情况，为煤矿安全生产提供保障，同时也便于根据实际采空情况采取相应的技术措施，并为相关部门的科学决策提供依据。

1 浅层地震探测原理

浅层地震勘探分为反射波法和折射波法，由于折射波法应用需要一定的前提，即被探测目标层波速大于上覆地层波速，因而应用受到限制［12］。因此，浅层地震反射波法应用较为广泛。浅层地震反射波法就是人工激发的地震波在地面下传播过程中遇到反射界面后，再传向地面，通过地面埋设的检波器接收反射到地面的地震波信号，经过模拟信号向数字信号转换后，再运用数据处理方法对地震波进行必要的处理，形成地震时间剖面，在地震时间剖面上解读探测信息，如有采空区的存在，煤层的地震反射波组能量明显减弱、连续性变差或消失，即可以以地震时间剖面上反射波不连续追踪作为识别煤层采空区的重要标志。

2 瞬变电磁探测原理

地面瞬变电磁法是一种时间域的电磁勘探方法，利用一个不接地的回线或磁偶极子 (也可以用接地线源电偶极子)向地下发射脉冲电磁波作为激发场源 (习惯上称为“一次场”)，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，从而得到异常体的导电性能和位置，达到解决地质问题的目的。在采空区探测中，如果采空区为不充水的空洞，在电性剖面上表现为高电阻率异常反映;若采空区为充水或有上部岩体塌落等，则会表现为低电阻率异常反映。

3 探测实例分析

鄂尔多斯市某煤矿计划开采井田东部4－2煤层，煤层厚度平均3m左右，采用综采一次采全高开采工艺。其上部为3－2煤，原小煤窑采用房柱式开采，开采范围不清，3－2煤与4－2煤层间距平均35m左右。为了保证4－2煤 (下组煤)工作面的安全回采，需要对开采区域内的老空区的位置、分布范围及积水情况进行勘查。根据该矿地质地形特点、采空区及积水的地球物理特征，对计划开采区域采用瞬变电磁法和浅层地震法进行了勘查，确定了采空区及积水区的范围和位置。

3.1 勘探区概况

矿井主要含煤地层为侏罗系中下统延安组(J1－2y)，上覆地层有侏罗系中统直罗组 (J2z)、安定组 (J2a)、第三系上新统 (N2)和第四系 (Q)。矿井构造形态表现为一向西南倾斜的单斜构造，倾角一般为1～3°，地质构造属简单类型。勘查目标层为3－2煤，为井田内全区发育的主要可采煤层之一，煤层厚度平均3.0m。煤层结构简单，一般不含夹矸层位稳定，对比可靠，顶板岩性为泥质粉砂岩及砂质泥岩，底板为粉砂岩。

3.2 现场施工布置

3.2.1 浅层地震法

本次探测采用法国产428XL型多道遥测数字地震仪进行野外数据采集。综合分析人工重锤敲击和人工落重敲击次数与单炮记录能量及品质的关系，同时考虑到施工的方便性，本次浅层地震勘探采用人工落重或人工重锤敲击激发10～14次垂叠记录的方式进行施工，一般采用12次垂叠记录，接收道数为48道，道间距为4m。考虑到叠加次数与接收道数的关系，本次勘探采用100m为最大炮检距。检波器采用60Hz动圈式检波器3只串联点式、挖坑埋置接收，坑深以检波器位于密实沙土中为准。资料处理是在美国的SGI公司生产的Sun-BLade2000工作站上进行的，资料处理软件为法国CGG公司GeoCluster处理系统和美国绿山折射静校正软件。

3.2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法勘探使用的是加拿大凤凰公司生产的V8多功能电磁法探测仪，该仪器具抗干扰能力强、测量动态范围大、体积小、功率大、施工方便及测量精度高等特点。为较准确地控制可能存在的采空区及积水异常，瞬变电磁法测网设计为线距40m，点距20m，布置测线5条，分别为SS13～SS17线，测点215个，采用大定源回线装置。

4 物探勘查结果分析

4.1 浅层地震法勘查结果分析

测线的解释主要依据叠加时间剖面及偏移时间剖面，通过分析剖面解释测线的正常赋煤地段及地质异常段。本次地震时间剖面主要表现为以下几种情况:正常赋煤地段表现为各煤层对应同向轴较为稳定，连续性较好;采空地段表现为煤层反射波组能量突然减弱或消失。图1为SXD4线浅层地震勘探成果图，图中虚线框内为正常赋煤地段，实线框内为采空区地段。

4.2 瞬变电磁法勘查结果分析

对测量数据进行了处理，根据地层的电性特征，设计了表示视电阻率的色谱，形成了视电阻率色谱断面图，该图反映了勘查剖面的电阻率分布特征，并根据其分布特征进行解释。限于篇幅，文中只给出了SS15测线视电阻率剖面图 (图2)，SS15瞬变电磁法测线与浅层地震法SXD4测线重合。SS15线整体视电阻率变化较大，其中19～42号点附近视电阻率异常高，结合地震资料及地质资料分析，该部位为采空区的反映;其中13～19号点附近存在低阻异常，且从地震资料分析该处为采空区异常，推断该部位为采空积水区。根据以上解释原则，形成了瞬变电磁法勘查成果。

图1 SXD4线浅层地震勘探

图2 SS15测线视电阻率剖面

4.3 综合勘查结果分析

采空区的解释主要依据浅层二维地震和瞬变电磁反映综合考虑分析解释。根据2种方法各自的特点 (二维地震对采空区的反映比较直观，瞬变电磁对水体反映灵敏)，结合本次工作量设计布置特点 (二维地震测线线距较大，瞬变电磁线距较密)，因此解释时在二维地震测线布置的地方以地震解释成果确定采空区位置;在地震测线未控制区域，由瞬变电磁补充修正解释，进一步细化采空区范围和分布形态。根据掌握的地质、开采条件分析探测成果剖面的电阻率分布特征和地震同相轴特征，以此得到正确的地质解释。

图3为浅层地震和瞬变电磁综合物探勘查法的解释成果平面图，测区南部为实体煤，中南部为低阻采空积水区，北部为采空区。为了进一步确认积水采空区探测的准确性及确保4－2煤的安全回采，矿方在采取安全措施的情况下打开了原有的密闭巷道，进入勘查所确定的采空区积水异常区，结果发现巷道内积水严重，从而验证了探测的准确性。

5 结论

(1)根据浅层地震和瞬变电磁探测方法各自的特点，结合本次工作量设计布置特点进行综合解释。勘查结果表明:测区南部为实体煤，中南部为低阻采空积水区，北部为采空区。

图3 综合物探勘查解释成果平面

(2)各种物探方法应用都有一定的地区物理前提，存在一定的局限性，单一方法很难解决有关地质问题。而综合物探勘查方法可以减少物探推断的多解性，增加探测结果的可信度和准确性。本文对于浅层地震和瞬变电磁法的综合应用进行了研究，取得了良好的效果。

［1］梁 爽，李志民.瞬变电磁法在阳泉二矿探测积水采空区效果分析［J］.煤田地质与勘探，2003，31(4):49－51.

［2］安润莲，姚精选，杨引串.瞬变电磁勘探技术在探测采空区中的应用——以阳煤集团氧化铝厂采空区勘探为例［J］.中国地质灾害与防治学报，2006，17(4):116－122.

［3］张开元，韩自豪，周 韬.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用［J］.工程地球物理学报，2007，4(4):341－344.

［4］罗平平，范 波，李松平.井下瞬变电磁法在底板富水异常区探测中的应用［J］.河南理工大学学报，2011，30(1).

［5］刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2005.

［6］于景邨，刘志新，刘树才，等.深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用［J］.煤炭学报，2007，32(8).

［7］于景邨，刘志新.用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体研究［J］.中国矿业大学学报，2007，36(4):52－54.

［8］王俊茹，张龙起，宋雪琳.浅层地震勘探在采空区勘测中的应用 ［J］.物探与化探，2002，26(1):75－78.

［9］陈相府，安西峰，王高伟.浅层高分辨地震勘探在采空区勘测中的应用［J］.地球物理学进展，2005，20(2).

［10］程建远，张广忠，李林元，等.老窑采空区地震探测新技术及其应用前景［J］.中国煤田地质，2003，15(5):50－60.

［11］程建远，孙洪星，赵庆彪，等.老窑采空区的探测技术与实例研究 ［J］.煤炭学报，2008，33(3):251－255.

［12］熊章强，王根显.浅层地震勘探［M］.北京:地震出版社，2002.

［13］程志平.电法勘探教程 ［M］.北京:冶金工业出版社，2007.

［14］李 貅.瞬变电磁测深的理论与应用 ［M］.西安:陕西科学技术出版社，2002.

［15］刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用 ［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2005.