三维地震与瞬变电磁法综合探查煤矿采空区技术的应用

摘要：老窑采空区积水一直是煤矿生产中最危险的水患之一，文章利用三维地震时间剖面反射波的特征对采空区进行解释，结合瞬变电磁法视电阻率显示特征，圈定了采空异常区位置和范围。结果表明，三维地震勘探与瞬变电磁法综合探查老窑采空区技术可行，效果更好、更可靠。

关键词：采空区；三维地震勘探；瞬变电磁；综合探查

中图分类号：P631文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）24-0047-03

淮北金石矿业是一家以生产天然焦为主的新型煤矿企业，周围有多家小煤矿与其毗邻，由于小煤矿的私开乱采，对金石矿业的煤炭资源造成浪费和掠夺，尤其对采区工作面和矿井安全生产造成一定影响。周围小煤矿在金石矿业辖区内某些地段进行过开采，但采掘的范围及界限资料不详，为了了解矿区的资源储量，以及将来矿井的安全生产，查明小煤矿采空区在矿井的分布范围，合理布置采区工作面就显得尤为重要。

1煤层采空区的地质特征

采空区是地下煤层开采后及其围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，以至上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区。当采空区面积较大、时间较长时，在重力和地层应力作用下，顶板塌陷、冒落，由此形成了冒落带、破裂带和弯曲下沉带。当开采面积较小且煤层顶板为塑型岩性并保存完整时，应力转移到煤柱上未引起地层变动，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来。

2三维地震探查煤层采空区技术及应用

2.1煤层采空区在地震时间剖面上的技术分析

通过三维地震时间剖面的对比性研究，发现采空区的时间剖面会出现反射波同相轴下凹时间发生延迟、反射波同相轴中断、不连续等现象。换言之，不同煤层采空区的地质特征对应不同的地震反射波特征，这是三维地震探查老窑采空区的技术分析原理。煤层采空区无非有两种情况，一种是采空区上覆岩层塌陷，另一种是煤层顶板未塌陷。

2.1.1采空区上覆岩层塌陷。当采空区面积较大时间较长时，上覆地层塌落、回填则采空区在地震时间剖面上表现在几个方面：第一，反射波在一定范围内反射波同相轴有向下凹趋势，这是由于采空区塌陷变形，采空区上部出现速度降低，时间延迟造成下拉现象，在地震时间剖面上反射波同相轴相位出现明显滞后。第二，在反射波的振幅及波形方面，煤层采空区上部岩层裂缝发生波的散射，在地震时间剖面上表现为，振幅降低，反射波波形变得不规则、产生畸变。第三，在反射波频率变化方面，由于煤层采空区引起的上覆岩层破坏区对地震波具有很强的吸收、频散衰减作用，在地震时间剖面上表现为反射波的频率的降低。上述不同的地震反射波特征都是在地震时间剖面上识别煤层采空区的重要标志。

2.1.2采空区煤层顶板未塌陷。当煤层采空区未被充填时，致使该区不能形成反射波或反射波很弱，采空区范围内振幅变弱，频率降低，导致煤层反射波凌乱及中断变得不可连续追踪，跨越采空区后，反射波（组）恢复正常特征。地震时间剖面上反射波不连续是识别煤层采空区的重要标志。反射波的振幅变弱，频率降低也是识别煤层采空区的参考标志。

2.2三维地震探查采空区的应用实例

2.2.1井田地质概况。井田位于闸河复向斜的中部，张庄向斜西翼，主体构造为张庄向斜。褶曲和断层在区内均较发育。地层由老至新为石炭系、二叠系、第四系，其中石炭系、二叠系为本区含煤层地层。区内主要含煤地层为二叠系的上石盒子组、下石盒子组和山西组，含煤地层平均总厚993.50m。自上而下含1、2、3、4、5、6、7计七个煤（层）组，含煤5～13层，平均总厚5.74m，含煤系数0.58%。其中全区大部分可采和局部可采煤层有3、5煤层等二层，可采煤层平均总厚3.43m，占全部煤层总厚的60%，3煤层为主要可采煤层，平均厚3.10m，占可采煤层厚度的90%。

2.2.2应用实例。生产工作方法采用束状8线8炮制（中间发炮），24次覆盖，384道接收，偏移距10m，炮点距20m，接收道距20m，接收线距40m，纵向炮排距80m，CDP网格10ｍ×10ｍ，采样间隔1ms。

利用地震时间剖面解释采空区，关键是利用煤层反射波在相位、频率、振幅，波形等方面的变化识别采空区。图１、图2是金石煤矿的地震时间剖面，由图中可以看出，在采空异常区段地震时间剖面上反射波特征表现为：（1）由于采空区对地震波具有很强的吸收、频散衰减作用使反射波的频率降低；（2）采空区对地震波的振幅衰减、波形改造畸变，造成反射波波形异常复杂无规律；（3）在地震反射波穿过采空区松散充填物时，反射波衰减强烈振幅降低，能量变弱。而正常区大面积反射波同相轴的连续性较好、能量、振幅和频率等动力学特征值比较稳定。利用地震时间剖面上反射波征结合属性平面进行解释，便会圈定采空异常区位置和

范围。

图1煤层被邻近小煤窑开采后的形态

图2煤层未被开采前的正常形态

3瞬变电磁法探查煤层采空区技术及应用

3.1瞬变电磁法探查煤层采空区技术原理

瞬变电磁法（简称为TEM）属时间域电磁感应方法，是近几十年迅速发展起来的一种新的电磁法。其探测原理是在发射回线上给一个电流脉冲方波，一般用方波后沿下降的瞬时产生一个向地下传播的一次磁场。在一次场的激励下地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度。在一次场消失后，该涡流不能立即消失，它将有一个衰减过程。该衰减过程又产生一个衰减的二次磁场向地表传播。由地面的接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况。按不同的延迟时间测量二次感应电动势U（t），就得到了二次场随时间衰减的特性曲线，用发射电流归一化后成为U（t）／I特性曲线。

将瞬变电磁法应用于采空区探测时所依据的地球物理前提，乃是采空区与围岩的电阻率差异，即采空区相对于围岩会产生高阻异常区或低阻异常区。采空区及巷道相对于围岩来说，电性反映为高阻异常，采空区冒落塌陷后，其内部充填松散物的电阻率与周围介质相比仍是相对高阻，只有采空区充水后与围岩相比才为低阻

异常。

3.2瞬变电磁法探查采空区的应用实例

本矿井地表地形平坦，地面标高：海拔35m左右。东部有奥陶系石灰岩出露，构成低山。闸河在本矿的南部自北向南流过，该河流为季节性河流，对开采浅部煤层可能有影响。矿井充水的通道主要有：构造裂隙、采动冒落带裂隙、断层及岩溶陷落柱以及未封闭好的钻

孔等。

依据本区实际地质情况和地层结构特征，有三大的电性层段，第一个电性层段是新生界地层，一般情况下新生界地层视电阻率相对较低，一般为几到几十欧姆米；第二个电性层段煤系地层，其视电阻率略高于新生界地层，但是远比其下伏石炭、奥陶系地层低得多，一般视电阻率为十几到几十欧姆米，第三个电性层段为石炭、奥陶系地层，其岩性是石灰岩、泥岩夹煤层，一般视电阻率为100～400欧姆米；基底奥陶系灰岩，一般情况下其视电阻率大于500欧姆米，干燥状态下其视电阻率更高，当其裂隙发育并充水时，其视电阻率急剧

下降。

本次勘查所使用仪器为加拿大GEONICS公司生产的PROTEM57-MKⅡ发射机、67模块、PROTEM同时三分量数字接收机，3D-3接收探头。主要工作参数如下：频率2.5Hz，发射线框600m×600m，增益23，电流19.5A，积分时间30S。

具体到本次瞬变电磁勘探区，测区的水文地质特征基本上确定了它的地球物理电性特征。当老窑或采空区未积水时，空洞与围岩相比呈明显的高阻异常；当采空区充水时，其与周围正常地段相比呈明显的低阻显示，这就是利用瞬变电磁法探查煤层采空区的物理前提。如图3为金石煤矿视电阻率断面图，由图中可以看出，主要可采煤层3煤在采空区内显示为低阻异常，可推测为邻近煤矿开采后积水所致，而其他正常地段电阻率变化相对稳定，基本上可以说明煤层尚未被开采。

图3瞬变电磁视电阻率断面图

4综合应用效果分析

利用三维地震时间剖面反射波的特征对煤层采空区进行解释，结合瞬变电磁法视电阻率异常显示特征，可以分别圈定采空区位置和范围。当两者圈定位置和范围高度吻合时，预示圈定的采空区有较高的可信度，可通过钻探进一步进行验证。当两者圈定位置和范围相差较大时，则圈定的采空区值得怀疑，应对产生差异的原因作具体分析，可进一步优化解释方案。

在本区实际综合应用中，当没有其他可靠资料进行确认时，考虑到谨慎性原则，暂且把三维地震和瞬变电磁圈定的采空区称作疑似采空区。如图4所示，当出现（a）种情况时，即三维地震与瞬变电磁圈定的疑似采空区高度吻合时，采空区可信度较高，可通过钻探进一步确认；当出现其他两种情况时，则圈定的采空区有很大的不确定性，不能排除多解性，多数情况是由于其它地质因素所致，而采空区可能只是其中之一。

图4三维地震与瞬变电磁采空区叠加示意图

5结语

利用地震时间剖面上反射波特征对煤层采空区进行解释，在理论技术上是可行的，通过实例说明了只要施工参数合理，施工严谨，资料处理精细，资料解释方法手段多样化，方法得当，利用地震时间剖面上反射波征结合属性平面解释是能够完成采空区解释任务的，采用三维地震勘探方法探测采空区是最经济适用和行之有效的。

瞬变电磁法是煤矿水文地质调查的有效手段，对煤矿防治水乃至煤矿安全生产具有重要意义。该法通过视电阻率异常区分析和寻找煤矿疑似采空区，能够取得较好的地质效果。应用该法时应注意数据采集只在发射线框中心1/3边长范围内进行，严格按照施工规范取得好第一手资料，是取得好的地质效果的关键。

地质构造和水文地质是影响煤矿生产效率的主要地质因素，单一勘探方法存在多解性、不确定因素多等固有的局限性，只有采用综合勘探方法才能更好的解决这两大地质问题，而三维地震和瞬变电磁法勘探相结合，能够进行相互印证、优势互补，大大提高解释成果的可靠性，也必将为高产高效矿井的生产提供可靠的地质保障。综合应用两种方法探查煤矿采空区时要注意：（1）严格按照施工规范要求取好、取准第一手资料；（2）相互结合，相互验证，排除多解性，对生产矿井进行动态分析；（3）充分利用已知资料（如钻探、测井、巷道、水文地质等）进行综合分析，避免解决地质问题的片面性。

参考文献

[1] 韩少明，魏书宏，等．小窑采空区在地震时间剖面上

 的解释[J]．山西科技，2002，12（18）．

[2] 刘青华，王祝文，等．煤矿采空区及塌陷区的地球物

 理探查[J]．煤炭学报，2005，6（7）．

[3] 马利，刘江，等．地震勘探在采空区探测的应用[J]．

 陕西煤炭，2008，（2）．

[4] 牛之琏．脉冲瞬变电磁法及应用[M]．长沙：中南工

 业大学出版社，1986．

[5] 朴化荣．电磁测深原理[M]．北京：地质出版社，

 1990．

[6] 蒋帮远．瞬变电磁法勘探[M]．北京：地质出版社，

 1998．

[7] 石显新．瞬变电磁法勘探中低阻层屏蔽问题研究

 [D]．西安：煤炭科学研究总院，2005．

作者简介：展少辉（1978—），男，河北保定人，安徽省煤田地质局物探测量队工程师，研究方向：煤田地质和地震勘探。

图3瞬变电磁视电阻率断面图

4综合应用效果分析

利用三维地震时间剖面反射波的特征对煤层采空区进行解释，结合瞬变电磁法视电阻率异常显示特征，可以分别圈定采空区位置和范围。当两者圈定位置和范围高度吻合时，预示圈定的采空区有较高的可信度，可通过钻探进一步进行验证。当两者圈定位置和范围相差较大时，则圈定的采空区值得怀疑，应对产生差异的原因作具体分析，可进一步优化解释方案。

在本区实际综合应用中，当没有其他可靠资料进行确认时，考虑到谨慎性原则，暂且把三维地震和瞬变电磁圈定的采空区称作疑似采空区。如图4所示，当出现（a）种情况时，即三维地震与瞬变电磁圈定的疑似采空区高度吻合时，采空区可信度较高，可通过钻探进一步确认；当出现其他两种情况时，则圈定的采空区有很大的不确定性，不能排除多解性，多数情况是由于其它地质因素所致，而采空区可能只是其中之一。

图4三维地震与瞬变电磁采空区叠加示意图

5结语

利用地震时间剖面上反射波特征对煤层采空区进行解释，在理论技术上是可行的，通过实例说明了只要施工参数合理，施工严谨，资料处理精细，资料解释方法手段多样化，方法得当，利用地震时间剖面上反射波征结合属性平面解释是能够完成采空区解释任务的，采用三维地震勘探方法探测采空区是最经济适用和行之有效的。

瞬变电磁法是煤矿水文地质调查的有效手段，对煤矿防治水乃至煤矿安全生产具有重要意义。该法通过视电阻率异常区分析和寻找煤矿疑似采空区，能够取得较好的地质效果。应用该法时应注意数据采集只在发射线框中心1/3边长范围内进行，严格按照施工规范取得好第一手资料，是取得好的地质效果的关键。

地质构造和水文地质是影响煤矿生产效率的主要地质因素，单一勘探方法存在多解性、不确定因素多等固有的局限性，只有采用综合勘探方法才能更好的解决这两大地质问题，而三维地震和瞬变电磁法勘探相结合，能够进行相互印证、优势互补，大大提高解释成果的可靠性，也必将为高产高效矿井的生产提供可靠的地质保障。综合应用两种方法探查煤矿采空区时要注意：（1）严格按照施工规范要求取好、取准第一手资料；（2）相互结合，相互验证，排除多解性，对生产矿井进行动态分析；（3）充分利用已知资料（如钻探、测井、巷道、水文地质等）进行综合分析，避免解决地质问题的片面性。

参考文献

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[5] 朴化荣．电磁测深原理[M]．北京：地质出版社，

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[6] 蒋帮远．瞬变电磁法勘探[M]．北京：地质出版社，

 1998．

[7] 石显新．瞬变电磁法勘探中低阻层屏蔽问题研究

 [D]．西安：煤炭科学研究总院，2005．

作者简介：展少辉（1978—），男，河北保定人，安徽省煤田地质局物探测量队工程师，研究方向：煤田地质和地震勘探。

图3瞬变电磁视电阻率断面图

4综合应用效果分析

利用三维地震时间剖面反射波的特征对煤层采空区进行解释，结合瞬变电磁法视电阻率异常显示特征，可以分别圈定采空区位置和范围。当两者圈定位置和范围高度吻合时，预示圈定的采空区有较高的可信度，可通过钻探进一步进行验证。当两者圈定位置和范围相差较大时，则圈定的采空区值得怀疑，应对产生差异的原因作具体分析，可进一步优化解释方案。

在本区实际综合应用中，当没有其他可靠资料进行确认时，考虑到谨慎性原则，暂且把三维地震和瞬变电磁圈定的采空区称作疑似采空区。如图4所示，当出现（a）种情况时，即三维地震与瞬变电磁圈定的疑似采空区高度吻合时，采空区可信度较高，可通过钻探进一步确认；当出现其他两种情况时，则圈定的采空区有很大的不确定性，不能排除多解性，多数情况是由于其它地质因素所致，而采空区可能只是其中之一。

图4三维地震与瞬变电磁采空区叠加示意图

5结语

利用地震时间剖面上反射波特征对煤层采空区进行解释，在理论技术上是可行的，通过实例说明了只要施工参数合理，施工严谨，资料处理精细，资料解释方法手段多样化，方法得当，利用地震时间剖面上反射波征结合属性平面解释是能够完成采空区解释任务的，采用三维地震勘探方法探测采空区是最经济适用和行之有效的。

瞬变电磁法是煤矿水文地质调查的有效手段，对煤矿防治水乃至煤矿安全生产具有重要意义。该法通过视电阻率异常区分析和寻找煤矿疑似采空区，能够取得较好的地质效果。应用该法时应注意数据采集只在发射线框中心1/3边长范围内进行，严格按照施工规范取得好第一手资料，是取得好的地质效果的关键。

地质构造和水文地质是影响煤矿生产效率的主要地质因素，单一勘探方法存在多解性、不确定因素多等固有的局限性，只有采用综合勘探方法才能更好的解决这两大地质问题，而三维地震和瞬变电磁法勘探相结合，能够进行相互印证、优势互补，大大提高解释成果的可靠性，也必将为高产高效矿井的生产提供可靠的地质保障。综合应用两种方法探查煤矿采空区时要注意：（1）严格按照施工规范要求取好、取准第一手资料；（2）相互结合，相互验证，排除多解性，对生产矿井进行动态分析；（3）充分利用已知资料（如钻探、测井、巷道、水文地质等）进行综合分析，避免解决地质问题的片面性。

参考文献

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[3] 马利，刘江，等．地震勘探在采空区探测的应用[J]．

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 1998．

[7] 石显新．瞬变电磁法勘探中低阻层屏蔽问题研究

 [D]．西安：煤炭科学研究总院，2005．

作者简介：展少辉（1978—），男，河北保定人，安徽省煤田地质局物探测量队工程师，研究方向：煤田地质和地震勘探。